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380/220V，100kVA UPS备用发电机组的功率调节器

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摘要：叙述了UPS备用发电机功率调节器的工作原理与控制方式。

关键词：不间断电源；功率调节器；补偿

1 引言

UPS备用（应急）发电机组是低压供电系统，一般都采用三相四线制输出。由它供电的负载常常是不对称负载，其中包括三相不对称电阻负载，三相不对称电感负载，三相不对称非线性负载，或包括电阻、电感、非线性负载在内的三相不对称混合负载。

所谓功率调节器，就是当UPS备用（应急）发电机组在向不对称负载供电时，即使是向最严重的单相负载供电，功率调节器也能使发电机组的输出电流，成为三相对称的纯正弦有功电流，即便是单相负载的功率达到机组额定功率时也是如此。由于功率调节器能够把三相不对称负载（包括电阻性、电感性、非线性、以及它们的混合不对称负载）的功率，变换成只让机组提供三相对称的有功功率，使机组永远工作在三相对称有功功率状态，故称作功率调节器。

由于功率调节器的上述作用，它必须具备如下的功能：

1）能够对负载的无功电流进行动态补偿，使机组的输出功率因数接近于1；

2）能够对负载的谐波电流进行动态补偿，使机组的输出电流接近于正弦波；

3）能够对三相不对称电流进行动态补偿，使机组的输出电流为三相对称电流。

由上述三个功能可知，UPS备用（应急）发电机组功率调节器，实际上就是一个可以对三相不平衡电流进行补偿的电力有源滤波器。在三相负载基本对称时，它可以对负载的无功电流与谐波电流进行补偿；在三相负载不对称时，即使在最严重的单相负载时，也能保证使发电机组输出三相对称的有功功率电流，其单相负载的功率可以达到机组的标称额定功率。这些性能表明，功率调节器提高了机组的供电质量，并能把三相不对称负载变换成机组的三相对称有功负载，从而提高了机组向不对称负载的供电能力，使单相负载时的功率可达到机组的标称额定功率。

2 功率调节器的组成与工作原理

UPS备用（应急）发电机组的功率调节器原理电路如图1所示。其中功率调节器的电路，就是一个可以补偿三相不平衡电流的并联电力有源滤波器。它由三部分组成，即可以双向四象限工作的三相电压型Delta PWM逆变器、PWM脉冲形成驱动器、由指令电流运算电路及电流跟踪控制电路组成的控制器。

图1 备用（应急）发电机与功率调节器的电路结构

图1中， u _sa， u _sb， u _sc表示交流电源，负载为不对称的电阻、电感、整流电路或由它们组成的不对称负载，是无功电流、谐波电流和不对称电流源。控制器中的指令电流运算电路的作用是，检测出负载电流 i _La、

i _Lb、 i _Lc中的无功分量、谐波分量和不平衡电流分量，并由这些分量作为指令电流，由电流跟踪控制电路根据指令电流产生出PWM触发脉冲，此触发脉冲经驱动器放大后去驱动Delta逆变器。由Delta逆变器产生出补偿电流，以对负载的无功电流、谐波电流和不平衡电流进行补偿，使机组的输出电流成为三相对称的有功电流。

可以补偿不平衡电流的电力有源滤波器，采用的是并联式有源滤波器。当需要补偿负载产生的无功电流、谐波电流和不平衡电流时，应首先检测出负载电流 i _La、 i _Lb、 i _Lc中的无功电流分量 i _Laq、 i _Lbq、 i _Lcq，谐波电流分量 i _Lah、 i _Lbh、 i _Lch和不平衡分量 i _Lao、 i _Lbo、 i _Lco，将这些分量反极性后相加作为补偿电流 i _sac、 i _sbc、 i _scc的指令信号，由Delta逆变器产生的补偿电流与负载电流中的各分量电流，例如 i _Laq、 i _Lbq、 i _Lcq等大小相等，方向相反而互相抵消，使机组输出电流 i _sa、 i _sb、 i _sc成为只含基波有功功率电流的三相对称正弦电流，对于A相：

i _sa= i _La＋ i _sac

i _La= i _Lap＋ i _Laq＋ i _Lah＋ i _Lao

i _sac=－( i _Laq＋ i _Lah＋ i _Lao)

i _sa= i _La＋ i _sac= i _Lap= i _Laf

上式中： i _Laf表示负载电流的基波有功分量。

当机组向最严重的单相（例如A相）不对称负载供电，单相负载的功率等于机组的额定功率时，负载电流，机组输出电流和功率调节器补偿电流的数值，如图2所示。

图2 单相负载时的负载电流、补偿电流与机组输出电流的数值示意图

这里必须指出的是，功率调节器对机组电流的补偿是动态补偿，对补偿对象的变化具有极快的响应速度，可以作到连续调节；对无功功率进行补偿时不需要储能元件，对谐波电流进行补偿时所需储能元件的容量也不大，但对不平衡电流进行补偿时却需要较大容量的储能元件；即使补偿对象电流过大，功率调节器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；功率调节器对机组电流的补偿受机组阻抗的影响不大，不容易和机组内阻抗发生谐振；能跟踪机组频率的变化，故补偿性能不受机组频率变化的影响；由于机组是三相四线制输出，所以负载各相的电压和相应的机组各相电压相等，当机组相电压对称时，负载各相电压也是对称的，故补偿性能也不受机组电压的影响。

3 功率调节器的指令电流运算电路

功率调节器的控制器，是由指令电流运算电路和电流跟踪控制电路两部分组成的。本节只介绍其中的指令电流运算电路，电流跟踪控制电路和驱动器一起将在下一节中介绍。

3.1 检测无功电流和谐波电流的运算电路

以A相电路为例，当负载中含有电阻、电感和非线性负载时，负载电流将滞后于机组电压，并产生畸变，此时A相负载电流 i _La的傅里叶级数表达式为

i _La= I _fsin( ωt ＋ φ _f)＋ I_n sin( nωt ＋ φ_n )

= I _fcos φ _fsin ωt ＋ I _fsin φ _fcos ωt ＋ I_n sin( nωt ＋ φ_n )

式中 f 代表基波， n 代表谐波次数， φ _f为基波电流滞后于机组电压的相位角， φ_n 为 n 次谐波电流滞后于电压的相位角，注脚 f 代表基波。

令 i _Lap= I _fcos φ _fsin ωt = I _Lapsin ωt 为基波有功电流； i _Laq= I _fsin φ _fcos ωt = I _Laqcos ωt 为基波无功电流； i _Lah= I_n sin( nωt ＋ φ_n )为谐波电流，则

i _La= i _Lap＋ i _Laq＋ i _Lah

功率调节器向机组提供所需的无功与谐波电流的工作原理是，将A相负载电流 i _La中的无功与谐波电流 i _Laq＋ i _Lah从 i _La中分离出来，用 i _Laq＋ i _Lah作为指令电流对Delta逆变器进行跟踪控制，得到与 i _Laq＋ i _Lah相同的电流输入到负载，此时机组输入到负载的电流 i _sa= i _Lap。

电流 i _Laq＋ i _Lah的检出运算电路如图3所示。将A相负载电流 i _La加到图3所示电路的输入端，经低通滤波器Ⅰ（见图5）滤除 i _La中的谐波电流 i _Lah，将剩下的基波电流 i _Lap＋ i _Laq与机组电压 u _sa= U _msin ωt 输入到乘法器Ⅰ中，相乘后得到

F =( i _Lap＋ i _Laq) u _sa=( I _fcos φ _fsin ωt ＋ I _fsin φ _fcos ωt ) U _msin ωt

=cos φ _f－cos φ _fcos(2 ωt )＋sin φ _fsin(2 ωt )

图3 A相电流 i _La的 i _Laq＋ i _Lah检出运算电路框图

F 经过低通滤波器Ⅱ（见图5），将二次谐波分量滤除，只剩下直流分量 g = I _f U _mcos φ _f，式中 K 为低通滤波器Ⅱ的放大系数。将 g 和 u _sa再输入到乘法器Ⅱ中，相乘后得到

= gu _sa= I _f U _mcos φ _f U _msin ωt = I _f U _m²cos φ _fsin ωt

调节低通滤波器Ⅱ的放大系数 K ，使得

U _m²=1

则得到

= I _fcos φ _fsin ωt = i _Lap

从负载电流中减去 i _Lap即可得到

i _La－ i _Lap=( i _Lap＋ i _Laq＋ i _Lah)－ i _Lap= i _Laq＋ i _Lah

用= i _Laq＋ i _Lah作为Delta逆变器的指令电流，用三角波比较方式进行跟踪控制，即可使Delta逆变器输出补偿电流 i _sac= i _Laq＋ i _Lah供给负载，使机组的输出电流 i _sa= i _Lap，机组的输出功率因数等于1。

3.2 可以检测出不平衡电流的三相运算电路

可以检测出不平衡电流的三相运算电路如图4所示，它是由三个如图3所示的单相检测运算电路组成的。

图4 可以检测不平衡电流的三相运算电路框 [p]

在三相四线制电路中，当三相负载不平衡时，负载电流 i _La、 i _Lb、 i _Lc中将包含零序分量，并且它们所含的零序分量是相等的， i _o=( i _La＋ i _Lb＋ i _Lc)。为了使机组的输出电流三相对称，最直接的办法是把三个零序分量变成机组的三相对称输出电流。为此，将各相负载电流减去2 i _o，使各相负载电流中的 i _o由正变负，并把 i _o的方程式引入到各相负载电流中。这样利用图4所示的运算电路，就可以将 i _o分离出来，并变换成机组的输出对称电流。然后用各相的负载电流，减去相应各相的机组输出对称电流，就可得到功率调节器的补偿电流指令值。这样，只须在电路中增加一个加法器和三个减法器就行了，电路的其它部分保持原样不变。

功率调节器的补偿电流发生电路，是由电压型Delta PWM逆变器及其相应的驱动电路和电流跟踪控制电路组成。为了保证其有良好的补偿电流跟踪特性，必须将Delta逆变器直流侧电容上的电压控制为一个适当的值，图4中的IC₁和IC₂就起到这个作用。图中 U _dcr是 U _dc的给定值， U _dc与 U _dcr之差经IC₁、IC₂后得到调节信号Δ U _dc，将它加到瞬时有功电流的直流信号 g 上，就能控制直流电压 U _dc为某一给定值。在本功率调节器中，是控制 U _dc=750V。为了控制 U _dc=750V，所以在图3和图4中加入了Δ U _dc反馈信号。

此外，在图3和图4中的低通滤波器电路如图5所示。其传递函数为

H ( S )=

这是一种三阶切比雪夫模拟式低通滤波器，按照图中给出的参数，其截止频率为22Hz，误差小于2.5％。

图 5 图 3和图 4中的低通滤波器电路

3.3 不平衡负载时三相指令电流的检出

我们以只有A相有负载 R ，B相和C相空载，且A相负载等于机组标称额定功率时的，最严重不平衡负载的情况为例进行说明（见图2）。

当只有A相有负载 R ，B相和C相空载时，则流过中线的电流3 i _o= i _La。若将机组输出电流 i _sa， i _sb， i _sc补偿成三相对称电流时，则 i _La中的用来对B相和C相进行补偿。所以在各相的检测电路中都将本相负载电流减去 i _La作为运算电路的输入电流，将得到的运算结果再被本相负载电流减去，就可以得到各相补偿电流的指令信号。由图4所示已知：

机组额定功率为100kVA；

i _La= I _msin ωt ， I _La=450A；

i _Lb=0， I _Lb=0；

i _Lc=0， I _Lc=0；

i _o= i _La， I _o==150A。

对于A相

输入电流为 i _La－ i _La= I _msin ωt － I _msin ωt = I _msin ωt ，与 u _sa= U _msin ωt 相乘后得

F _a= I _msin ωtU _msin ωt = I _m U _msin2 ωt = I _m U _m(1－cos2 ωt )

用低通滤波器滤掉二次谐波后只剩下 g _a= I _m U _m，其中 K 为滤波器的放大系数。然后再与 u _sa= U _msin ωt 相乘则得

i _Lap= I _m U _m· U _msin ωt = I _m U _m²sin ωt

令 U _m²=1，则得

i _Lap= I _msin ωt = i _sa

用 i _La减去 i _sa即可得到

= I _msin ωt － I _msin ωt = I _msin ωt

对于B相

输入电流为： i _Lb－ i _La=0－ I _msin ωt =－ I _msin_ωt，与 u _sb= U _msin( ωt －120°)相乘后得

F _b=－ I _msin ωtU _msin( ωt －120°)= I _msin( ωt －180°) U _msin( ωt －120°)=－ I _m U _m〔cos(2 ωt －300°)－ cos(－60°)〕

用低通滤波器滤掉二次谐波后只剩下

g _b=－ I _m U _m〔－cos(－60°)〕= I _m U _m，

其中 K 为滤波器的放大系数。然后再与 u _sb= U _msin( ωt －120°)相乘则得

i _Lbp= I _m U _m· U _msin( ωt －120°)

令 U _m²=1，则得

i _Lbp= I _msin( ωt －120°)= i _sb

用 i _Lb减去 i _sb即可得到

=0－ I _msin( ωt －120°)=－ I _msin( ωt －120°)

对于C相

输入电流为 i _Lc－ i _La=0－ I _msin ωt =－ I _msin ωt ，与 u _sc= U _msin( ωt ＋120°)相乘后得

F _c=－ I _msin ωtU _msin( ωt ＋120°)=－ I _m U _m〔cos(2 ωt －60°)－cos(60°)〕

用低通滤波器滤掉二次谐波后只剩下

g _c=－ I _m U _m〔－cos(60°)〕= I _m U _m，

其中 K 为滤波器的放大系数。然后再与 u _sc= U _msin( ωt ＋120°)相乘则得

i _Lcp= I _m U _m· U _msin( ωt ＋120°)

令 U _m²=1，则得

i _Lcp= I _msin( ωt ＋120°)= i _sc

用 i _Lc减去 i _sc即可得到

=0－ I _msin( ωt ＋120°)=－ I _msin( ωt ＋120°)

由得到补偿电流 i _sac= I _msin ωt

由得到补偿电流 i _sbc=－ I _msin( ωt －120°)

由得到补偿电流 i _scc=－ I _msin( ωt ＋120°)

当 I _sac=450A×=300A， I _sbc=－450A×=－150A， I _scc=－450A×=－150A。其关系如图2及图6所示。

图 6 单相负载时补偿电流的向量图

3.4 采用瞬时无功理论的指令电流运算电路

瞬时无功理论是由日本学者赤木泰文于1983年提出来的，其中包括 p － q 运算法、 i _p－ i _q运算法和 d － q 运算法。这里只介绍一种 p － q 运算法，其电路如图7所示，图中

C ₃₂=； C _pq=

C ₂₃=

但这种运算电路检测法的电路较复杂，所用乘法器较多，调整困难，故未采用。

图 7 瞬时无功理论 p － q 运算检测电路 [p]

4 电路跟踪控制电路

电流跟踪控制电路采用的是三角波比较方式，图8是三角波比较方式的波形图，图9是三角波比较方式的原理框图。这种方式与SPWM方式是不同的。它不直接将指令信号与三角波进行比较，而是将与 i _sac的偏差Δ i _sac经放大器A放大后再与三角波进行比较。放大器A采用比例放大器或比例积分放大器。这种控制方式是基于将Δ i _sac控制到最小来进行设计的。其优点是输出电压中的谐波含量较小，只含有与三角波频率相同的谐波，滤波比较容易。其缺点是硬件比较复杂，跟踪误差稍大，响应速度稍慢。

图 8 三角波比较方式的波形示意图

图 9 三角波比较方式的原理框图

Delta逆变器的开关器件，可以选用1200V/600A的IGBT，也可以采用1200V/300A的IGBT2只并联，相应的驱动器，可以与IGBT配套购买。例如对于1200V/300A的IGBT，可以选用EXB851或EXB841型栅极驱动混合IC驱动器。

5 试验波形

图10给出了单相电阻负载时的源侧与负载侧的试验波形，可以看出源侧电流是三相对称的，说明功率调节器可以对不平衡负载进行补偿；图11给出了单相电感负载时的源侧与负载侧的试验波形，可以看出源侧电流是几乎为零的三相对称电流，说明功率调节器可以对无功电流和不平衡负载进行补偿；图12给出了三相非线性负载时的源侧和负载侧的试验波形，可以看出源侧电流基本上是正弦的三相对称电流，说明功率调节器可以对负载的谐波电流进行补偿。