一種不間斷電源的功率補償系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種不間斷電源供電及電能質(zhì)量控制的技術(shù)領(lǐng)域，具體的來說，是一 種不間斷電源的功率補償系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，不間斷電源及以它為核心的供電系統(tǒng)被設(shè)置在市電電網(wǎng)與負載設(shè)備之 間，改善對負載的供電質(zhì)量，并在市電故障時，保證負載設(shè)備的正常運行。而同時，隨著各種 電力電子設(shè)備的大范圍普及使用，給電網(wǎng)也帶來嚴重的諧波污染。尤其是以變頻器、不間斷 電源和通訊開關(guān)電源為代表的裝置發(fā)展迅速，它們都是電壓型諧波源。而各種復(fù)雜的、精密 的、對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷普及，人們對電能質(zhì)量及可靠性的要求越來越高。這使 得電能質(zhì)量問題對電網(wǎng)和配電系統(tǒng)造成的直接危害和可能對人類生活和生產(chǎn)造成的損失 也越來越大，因此，如何使用不間斷電源使得其能夠作為應(yīng)急電源并同時能夠解決電能質(zhì) 量問題成為了亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種不間斷電源的功率補償系統(tǒng)及控制方 法，其中不間斷電源的功率補償系統(tǒng)的組成包括以下幾個部分：
[0004] (1)交流電網(wǎng)：額定電壓為220V，頻率為50Hz，電壓在士 15%范圍內(nèi)波動，可能含 有諧波，也有可能是三相不對稱輸入。
[0005] (2)串聯(lián)變壓器Ts:為三相變壓器，或三個相互獨立的單相變壓器組合在一起，串 接在交流電網(wǎng)和負載之間。
[0006] (3)串聯(lián)變換器：該變換器對市電電壓的波動、電壓諧波和不對稱度、市電輸入電 流中的無功分量、諧波分量以及由不對稱負載引起的基波不對稱電流進行補償。它是通過 輸出濾波電感L 1，串聯(lián)變壓器Ts與電網(wǎng)串接，電路結(jié)構(gòu)為三相半橋電路，控制方式是采用高 頻率的PffM技術(shù)，并且可以雙向在四象限進行工作。
[0007] (4)并聯(lián)變換器：電路結(jié)構(gòu)為三相半橋電路，控制方式采用高頻率的PffM技術(shù)，并 且可以在雙向在四象限進行工作。保證負載上的三相電壓為三相對稱穩(wěn)定的正弦波電壓， 并向負載提供無功電流、諧波電流和基波不對稱電流，當市電斷電時想負載繼續(xù)供電。該變 換器經(jīng)輸出濾波電感L 2，濾波電容(：2與負載端并接。
[0008] (5)直流母線電容Q1和C ^:兩個電容串聯(lián)之后，在兩個變換器的直流公共端進 燈并接。
[0009] (6)直流母線電池組Vd。:由若干個容量相同的電池串聯(lián)連接組成，在兩個變流器 的直流公共端進行并接，當市電斷電時，作為備用電源，保證向負載的持續(xù)供電。
[0010] (7)主靜態(tài)開關(guān)、旁路靜態(tài)開關(guān)：其組成部分是兩個反并聯(lián)的晶閘管組，通過切換 來保證市電向負載的正常供電。
[0011] (8)負載：包括線性負載和非線性負載等。
[0012] (9)采樣控制單元：包括電壓、電流互感器及A/D轉(zhuǎn)換接口，其中A/D轉(zhuǎn)換接口將 一些電壓、電流等模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便控制單元對其分析:A/D轉(zhuǎn)換接口將5路 模擬輸入信號送入DSP，其中：
[0013] ADl :通過所選擇的電流互感器的次級引出串聯(lián)變換器的輸出電流，經(jīng)過采樣及調(diào) 理電路，與運用直流電流閉環(huán)控制運算產(chǎn)生的電流指令信號一起，對SPffM波發(fā)生器進行調(diào) 制，產(chǎn)生SPffM波信號，對串聯(lián)變換器進行控制。
[0014] AD2 :運用所選用的電流互感器，采樣主電路輸出電流，經(jīng)過采樣及調(diào)理電路，與 軟件產(chǎn)生的基準電壓信號及電池電壓變化量一起，經(jīng)過運算產(chǎn)生串聯(lián)變換器的電流指令信 號，送入SPffM波發(fā)生器，產(chǎn)生SPffM波信號，對串聯(lián)變換器進行控制。
[0015] AD3 :由電壓互感器采集到的并聯(lián)變換器輸出電壓，經(jīng)過采樣及調(diào)理電路，與運用 瞬時值比較法產(chǎn)生的電壓指令信號一起，對SPffM波發(fā)生器控制，產(chǎn)生SPffM波信號，控制并 聯(lián)變換器的工作。
[0016] AD4:由電壓互感器采集到的主電路輸出電壓，經(jīng)過采樣及調(diào)理電路，與主控芯片 內(nèi)部產(chǎn)生的基準正弦一起，經(jīng)過瞬時值檢測法運算，產(chǎn)生并聯(lián)變換器所需的電壓指令信號， 送入SPffM產(chǎn)生模塊，產(chǎn)生SPffM波，控制并聯(lián)變換器的工作。
[0017] AD5 :通過直流電壓采樣，與串聯(lián)變換器的輸出電流和主電路輸出電流配合，用以 產(chǎn)生串聯(lián)變換器工作所需SPffM波的指令信號。
[0018] 不間斷電源的功率補償控制方法為：當市電電源工作在正常范圍內(nèi)時，市電通過 主靜態(tài)開關(guān)和補償變壓器給負載供電。此時，串聯(lián)變換器相當于電流源，通過串聯(lián)到市電的 補償變壓器對市電諧波電流和市電波動電壓進行補償。補償電壓是一個與輸入市電同相或 反相的電壓。當市電低于額定值時，補償一個與其同相的電壓；當市電高于額定值時，就補 償一個與其反相的電壓，最終使輸出電壓穩(wěn)定在額定值。并聯(lián)變換器與負載并聯(lián)，調(diào)節(jié)負載 的中諧波電壓，提供無功功率以及部分有功功率。并聯(lián)變換器與負載并聯(lián)有利于在市電掉 電時，并聯(lián)變換器能夠無延時地轉(zhuǎn)換到全功率向負載供電。
[0019] 系統(tǒng)的市電側(cè)輸入功率為：
[0020]
[0021] 式中，Xw= CoLf
[0022] Ul為市電輸入電壓；
[0023] 1^為市電串聯(lián)電感電流；
[0024] Uabl為串聯(lián)變換器輸出電壓的基波分量；
[0025] XwS市電側(cè)串聯(lián)電抗值；
[0026] Lf為市電側(cè)串聯(lián)電感值；
[0027] ω為市電角頻率；
[0028] Θ為市電側(cè)電流相位滯后角；
[0029] δ為串聯(lián)變換器輸出電壓的基波分量Uabl相對市電電壓相位滯后角；
[0030] 當δ >〇時，Ρ>〇,市電向直流側(cè)傳輸電能，串聯(lián)變換器完成AC/DC間電能轉(zhuǎn)換，即工 作在整流狀態(tài)；當S〈〇,市電從直流側(cè)吸收電能，此時串聯(lián)變換器完成DC/AC間電能轉(zhuǎn)換， 即工作在逆變狀態(tài)；當S =0,市電與直流側(cè)間僅傳輸維持正常工作所需要的無功功率。
[0031] 由于并聯(lián)變換器的作用是控制負載電壓保持穩(wěn)定不變，所以在UPS輸入端的電壓 就會與輸出端的電壓不相等，出現(xiàn)電壓差。系統(tǒng)有功功率的差值就是通過這個電壓差表現(xiàn) 出來的，就需要依靠串聯(lián)變換器和并聯(lián)變換器在一起工作，并且串聯(lián)變換器來進行補償。具 體補償方式為：
[0032] 在市電電壓等于系統(tǒng)輸出電壓時，并且系統(tǒng)輸出處于滿載狀態(tài)下和蓄電池處于滿 充電狀態(tài)下時，僅僅由串聯(lián)變換器來提供正常的市電電流。假設(shè)系統(tǒng)負載為阻性負載的時 候，市電電流與負載電流相等。因為串聯(lián)變壓器兩端的電壓是零，所以串聯(lián)變換器的流入或 流出功率也是零。因為系統(tǒng)的輸出電壓等于市電電壓，所以并聯(lián)變換器處于不工作狀態(tài)，即 空載狀態(tài)。那么負載電流由市電直接進行提供，因為系統(tǒng)在工作過程中沒有經(jīng)過電能變換， 所以整個系統(tǒng)的功率損耗為零。
[0033] 在市電電壓低于系統(tǒng)輸出電壓，并且系統(tǒng)達到滿載的時候，此時蓄電池已經(jīng)處于 滿充電的狀態(tài)下，系統(tǒng)就要進行串聯(lián)變換。假設(shè)系統(tǒng)輸出電壓比市電電壓高A U，為了維持 輸入輸出功率的平衡，那么有AP的功率反向流過并聯(lián)變換器（并聯(lián)變換器吸收功率）、正 向流過串聯(lián)變換器（串聯(lián)變換器輸出功率），最終串聯(lián)變換器產(chǎn)生與市電電壓同相的電壓 (+△ U，從而對市電電壓與系統(tǒng)輸出電壓的差值進行了補償。
[0034] 在市電電壓高于系統(tǒng)輸出電壓時，并且系統(tǒng)輸出處于滿載狀態(tài)下和蓄電池處于滿 充電狀態(tài)下時，此時串聯(lián)變換器通過工作在反向/整流模式下產(chǎn)生與市電電壓反相的電壓 (_ A U)，并聯(lián)變換器通過工作在正向/逆變模式下向負載提供△ P的功率。因此有△ P的 功率反向流過串聯(lián)變換器，正向流過并聯(lián)變換器，以保證系統(tǒng)的輸出功率保持不變。
[0035] 蓄電池的充電電流的控制為：市電電源通過主變換器并進行整流后供給蓄電池， 但是串聯(lián)變換器控制蓄電池的充電電流。串聯(lián)變換器對蓄電池的電壓進行實時監(jiān)測，當蓄 電池電壓下降的時候，串聯(lián)變換器的蓄電池電壓反饋回路就通過控制輸入電流基準，從而 控制增大市電電流，從市電吸收功率。在負載給定的情況下，因為負載功率是不變的，多余 的功率就可以通過并聯(lián)變換器流入蓄電池，對蓄電池進行充電。
[0036] 消除市電中無功和諧波電流的方法為：將市電k中的無功與諧波電流i q和i，人 i沖分離出來，采用指令電流(6=?+?作為串聯(lián)變換器的調(diào)制波指令信號，進行控制，得 到與指令電流大小相同方向相反的補償電流i。，從而抵消市電電流中的無功和諧波分量， 使市電電流等于基波有功電流。即串聯(lián)變流器作為正弦電流源運行，向交流電網(wǎng)注入電壓 Au = Au1+Auh，其中Auh為諧波補償電壓，與電源諧波電壓大小相等，方向