（电力电子与电力传动专业论文）基于delta逆变技术的ups研究.pdf

s t u d yo nu p sb a s e do nd e l t a - c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y a b s t r a c t w i l ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c s ，an e wk i n do f u p st o p o l o g yb a s e d o i ld e l t a - c o n v e r s i o nt e c h n o l o g ya p p e a r s b e c a u s et h eu p s sh a v et h eg o o dv i r t u e s o ft h et r a d i t i o n a ld u a lc o n v e r s i o nu p s sa n dt h e i rs h o r t c o m i n g sa l ec o n q u e r e d , t h e y a r ep a i dh i g ha t t c n t i o n e dt or e c e n t l y i no r d e rt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g y , ad e e pr e s e a r c ho nt h ed e l t a - c o n v e r s i o nt e c h n o l o g yu p s si sp e r f o r m e d t h e o r e t i c a l l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea n a l y s i so ft h et h e o r yo fd e l t ac o n v e r s i o nu p si sf i r s t l y m a d e b a s e do nw h i c h , t h i sk i n do f d e l t ac o n v e r s i o nu p sa l ed i v i d e di n t ot w o p a r t s ： d e l t ai n v e r t e ra n dm a i ni n v e r t e rf u n c t i o n a l l ya n ds t r u c t u r a l l y a ne m p h a s i si sp u to n t h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fd e l t ai n v e r t e r , ac o m p a r i s o no fs e v e r a lk i n d so fc o n t r o l m e t h o di sm a d ee x p l o r e c t i c a l l y , ap r a c d c a lc o n t r o lm e t h o di sf i l t e r e do u to p t i m a l l y ， a n dar e s e a e ho nt h ed e c t e c t i o nt e c h n i q u eo f t h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e ri sd o n e a ni m p l e m e n t a t i o no ft h er e a l - t i m ed e t e c t i o no fh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n ti s g i v e nb a s e do nt h r e e - p h a s ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y b yd - qc o n v e r s i o n a n dc o m p s r i s o n , t h ei n s t r u c t i o ns i g r l a li so b t a i n e do fm o d u l a t i o n - w a v ev o l t a g ei n w h i c hv a r i a t i o no f h a r m o n i cw a v ea n df u n d a m e n t a lw a v ev o l t a g ei sr e f l e c t e d a ni m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n t r o lo ft h ec u r r e n tl o o po fd e l t ai n v e r t e ra n dt h e v o l t a g el o o po f t h em a i ni n v e r t e ri sp e r f o r m e db yu l t i l i z i n gm a t l a b s i m u l i n ka st h e s i m u l a t i o nt 0 0 1 k e yw o r d s ：d e l t ac o n v e r s i o nt e c h n o l o g y ；i n s t a n t a n e o u sf e e d b a c k c o n t r o l ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ；s e r i e s p a r a l l e l ；u p s 广西大学学位论文原刨性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明；所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：么余；争前 劲叮年f 月谚r 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学何论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公御论文的部分或全部内容。 请选择发布时| 日j ： 即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：徐涛每师签名 垆月才日 广西，“娜士掣滩 沦文| 盱d e l t a 道竞拄术的u p s 研究 引言 u p s 是u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m ( 不问断电源系统) 的英文缩写，是 指电网供电中断或超出规定限值时仍能继续向用电设备提供电能的设备。 这种不问断供电设备是伴随着计算机的出现而诞生的。 世界正处在信息时代，数字通讯、金融管理、办公自动化、各种实时控 制系统、计算机网络和信息高速公路，以及所有与信息相关的领域，都在 飞速发展。为了确保数据的安全、准确和稳定，在这些应用领域，都无一 例外地采用了u p s 。随着因特网的迅速发展，各类站点迅速地建立起来，对 u p s 的需求更是越来越大。 u p s 大致可分为两大类，即动态贮能式和静止变换式。前者是利用交 流发电机实现不问断供电，后者是利用功率电子技术来实现这一目的。在 这里主要讨论后者，即静止变换式u p s ，以下简称u p s 。 随着不问断供电设备( u p s ) 被大量使用。这些u p s 所产生的谐波对电 网造成的危害越来越严重，并引起了人们前所未有的关注。为了保证电网 和用电设备的安全经济运行，在许多国家和地区谐波限制标准已经制定或 正在制定中。我国于1 9 8 6 年制定了供用电网谐波国家标准。2 0 0 0 年起执 行更为严格的i e c l o o o 一3 2 标准【l l 。在这种背景下，人们开始对造成谐 波污染的整流装置进行了大量的研究，许多新的整流技术不断地被提出 来，以实现低谐波，高功率因数。 d e l t a 变换u p s 就是在九十年代中后期发展起来的新一代u p s 系统。 这种u p s 系统融合国际u p s 市场上独一无二的d e l t a 逆变技术的，保留 了传统双变换u p s 的优点，克服了传统的双变换u p s 的缺点，适用于高 可靠性、集中供电环境，满足了用户对u p s 电源提出的高性能、低寿命周 期总成本的要求。可以说是目前比较理想的u p s 系统【5 l 。 j r - 西大掌硕士学位论文基于d e l t a 递吏技术的u f s 研究 第1 章u p s 技术概述 1 1 使用u p s 的必要性 随着电力电子技术的发展，负载己经不在局限于纯阻性、感性或容性 等线性负载，产生了许多非线性负载如相控整流器等。使得交流市电不仅 会发生偶然断电事故，而且会产生许多其它不良现象，如电压过高、过低 及频率漂移等。这是因为市电系统上连接的各种各样的线性的和非线性的 负载，其中一些线性负载( 感性、容性负载等) 和非线性负载( 开关电源等) 在从电网中获得电能的同时还会反过来对电网本身造成影响，造成市电电 压波形畸变或频率漂移，恶化电网或局部电网的供电品质。严重时会对一 些脆弱负载如计算机等产生致命性的打击，造成此类负载不能正常工作。 当然，例如地震、雷击、输变电系统断路或短路等意外的事故也会造 成市电的供应中断。如果没有的后备电源，负载就会停止工作。 这些重要负载不能正常工作或停止工作，都会给企业或个人造成不便 或经济损失，甚至威胁到人的生命安全。 比如在医院里，如果因为停电而使电子医疗设备停止工作，对病人能 产生致命的影响。在计算机工作时停电或者是有一个比较大的电压波动， 就可能造成内存上的信息被冲掉及硬盘数据丢失的后果。经统计，在造成 数据丢失的各种因素中，电源故障以4 5 3 的机率居首位，其它几种主要 的因素分别是：暴风雨9 4 、火灾8 2 、硬软件故障8 2 、洪水6 7 、 地震5 5 。 综上所述，防止电源故障的产生，就显得相当重要了。而不间断电源 系统( u p s ) 刚好就是一种有效抑制电源故障( 断电或电力质量下降) 的设备。 1 2u p s 基础技术 不问断电源( u n i n t e r m p t e dp o w e rs u p p l y ，简称u p s ) 为重要设备的正常 安全工作提供了强有力的保障。从u p s 发展历史来说，其经历了两个阶段， 即动态贮能式u p s 和静态变换式u p s 。 动态贮能式u p s 由直流电动机、柴( 汽) 油机、飞轮和发电机组成。在 2 广西，叫焖士掌位论文 | i 于d e l t a 递毫拉术的u p s 研究 市电供电情况下，电动机带动飞轮和发电机给负载供电：当断电后，由于 飞轮的惯性作用，会继续带动发电机的转子旋转，从而使发电机能持续给 负载提供电源，起到缓冲、延时的作用，同时启动柴( 汽) 油机。当柴 汽) 油机转速与发电机转速相同时，柴( 汽) 油机离合器与发电机相连，完成从 市电到柴( 汽1 油机的转换。 动态贮能式u p s 是u p s 的比较早的形式，尽管其维护简单，也比较 稳定，但是系统庞大，操作不便，而且效率低，噪声大，电力质量不高。 静态变换式u p s 是一种由变换器、储能装置及开关等组成的电力电子 系统。下面所讨论的u p s 如不加特殊说明，都是指静态变换式u p s 。 当市电输入正常时，u p s 将市电电源作适当变换和调节，输出干净、 稳定的交流供给负载使用( 或处于后备状态，由市电直接给负载供电) ，同 时对储能装置如蓄电池或超导线圈等充电；当市电故障时( 过压、欠压或断 电等) ，u p s 系统将储能装置的能量经逆变器变换为负载所需交流电继续供 负载使用，使负载维持正常工作状态l z f | 4 1 。 1 3u p s 基本分类 目前市场上已经有不同类型的u p s ，按u p s 的工作方式可分为后备式 u p s 电源、在线互动式u p s 电源、双变换在线式u p s 电源及串并联在线 补偿式四大类。 1 3 1 后备式u p s 后备式u p s 又称离线式( o f fl i n e ) u p s ，新标准i e c 6 2 0 4 0 3 规定为被动 后备式( p a s s i v es t a n d b y ) u p s 。具有b a c k 或b a c ku p ，s t a n d b yb y 等字眼的 一般均为后备式u p s 。后备机的容量一般在2 k v a 以下。 蓄电池工 图1 - l 后备式u p s f i g 1 1 s t a n d b yu p s ，出 广西大掌硬士掌位髓叩乞基于d e l t a 逆竞技术的u p s 研究 后备式u p s 的工作原理：当市电供电正常时逆变器不工作，市电通过 串接有交流稳压电路的交流旁路通道再经转换开关直接向负载供电，充电 器同时给电池浮充电，这种工作状态下的u p s 电源实质上相当于一台性能 比较差的稳压器，它除了对市电电压的幅度波动有所改善外，对电压的频 率不稳、波形畸变以及从电网侵入的干扰等不良影响基本上没有什么改 善，不能在市电和负载之间实现有效的隔离。 当市电发生故障时，逆变器将蓄电池的直流电能逆变为恒频恒压的正 弦电压给负载供电。对于一些十分重要的负载，后备式u p s 并不是其首选 方案。这是因为后备式u p s 一般只具有电网掉屯之后的后备支持功能，丽 且在转入后各支持时产生切换间断，需要切换时问( 一般小于l o r e s ) 。但是 由于后备式u p s 电路结构简单，两且只需要一个变流器( 逆变器) ，成本较 低，技术成熟，因此仍然在许多领域得到广泛应用。 1 3 2 在线互动式u p s 在线互动式( o n l i n e i n t e r a c t i v e ) u p s 又被称为线路交叉式、三端口式。 其中有一个双向变换器( b i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e r ) ，既可以当逆变器使用，又 可作为充电器。所谓在线指的就是输入市电正常时逆变器处于热备份状态 并且作为充电器给电池充电。 t嚣 警电池f 图1 _ 2 在线互动式u p s f i g 1 - 2 o n l i n e i n t e r a c t i v eu p s 在线互动式u p s 的工作原理：当市电供电正常时，市电通过交流稳压 器稳压后给负载供电，此时变换器工作在整流器( 作充电器使用) 状态，给 电池浮充电。 在市电出现故障时，变换器工作在逆变器状态，逆变器将蓄电池的直 4 广西大掌习e 士掌位论文i i 于d e l t a 避变埘旧“由u p s 研究 流电能逆变后给负载供电与后备式u p s 相比，因为在线互动式u p s 的 交流器处于热备用，所以转换时间比后备式要小，一般小于4 m s 。 系统的主要缺点与后备式相似，正常运行时除对市电龟压的幅值波动 有些改善外，对市电电压的频率不稳、波形畸变以及从电网侵入的干扰等 不良影响基本上没有改善，不能在市电和负载之间实现有效的隔离。 另外其对电网适应范围窄，如果要提商精度和适应范围，就必须增加 变压器抽头数；u p s 的输入功率因数由负载决定，当带计算机等整流性负 载时，其输入功率因数也只有o 7 左右；当双向变换器作充电器使用时， 其充电电压和电流不可控，大大地降低了电池的使用寿命。 系统的主要优点在于正常运行时的效率高、过载能力强。因为正常运 行时不通过整流器对负载提供能量，所以对电网的谐波干扰很小。而且实 现的技术相对简单成熟，制造成本较低。所以在线互动式结构在现代u p s 中也得到了广泛的应用。 1 3 3 在线双变换t i p s 信息设备对电源的要求越来越高，后备式、互动式供电指标都赶不上 在线式。 出 图l - 3 在线双变换u p s f i g 1 - 3 o n - l i n ed o u b l ec o n v e r s i o nu p s 在线式是指不管电网电压是否正常，负载所使用的交流电压都要经过 逆变电路，逆变电路始终处于工作状态。双变换是指u p s 正常工作时，电 能经过了a c d c ，d c a c 两次变换提供给负载。 为了提高系统的可靠性，在线式双变换u p s 一般增加了自动旁路电 路。小功率只需采用继电器转换便能满足要求，而大功率一般要采用可控 硅( s c r ) 方式的静态开关，在过载或双变换电路部分故障时负载由旁路供 ，西大掣蝎曩士学位崔譬t l 于d e l t a 递室技术的u p s 研究 电，这是非正常工作状态，这种情况出现概率比电网不正常概率小得多。 功率较大的u p s 在此基础上还需要增加手动旁路维修开关) ，用于维修时 保证负载继续运行。 传统的整流逆变双变换式采用六脉冲相控整流器，网侧功率因数不 高，谐波含量较大，会造成电网污染严重，通过加入网侧有源无源滤波器 可以使这两项指标得到提高。通过采用高频整流技术可以不需要输入滤波 器也能使输入性能指标达到要求，但是高频整流技术难度高，目前的输出 容量太小，而且开关损耗较大，转换效率不高，因此只能应用于小功率场 合。 对于输出性能指标，双变换式u p s 的中间直流环节隔离缓冲了来自电 网的各种干扰，于是输出性能指标取决于逆变器的输出控制。不论市电是 否正常，负载均由逆变器供电，因此。在线式u p s 能够在任何时刻都能给 负载提供恒压恒频的干净的正弦电压，而且不存在转换时间。但是由于在 市电正常时，两个变流器也处于满功率工作状态，因此损耗很大，效率较 低。而且两个交流器的设计容量都要大于或等于负载容量。单位功率的制 造成本非常高。 1 4 国内外研究现状、发展趋势 d e l t a 变换u p s 系统是在双变换u p s 和线路交互u p s 系统的基础上， 由美国a p c 公司于1 9 9 8 年推出的u p s 系统。这种s i l c o n 系列u p s 系统 融合国际u p s 市场上独一无二的d e l t a 逆变技术，保留了传统双变换u p s 的优点，克服了传统的双变换u p s 的缺点，适用于高可靠性、集中供电环 境，满足了用户对u p s 电源提出的高性能、低寿命周期总成本的要求。可 以说是目前比较理想的u p s 系统【5 1 。 d e l t a 变换u p s 系统电路结构采用串并联的高频双向变换技术。虽然 传统在线式的技术已经非常成熟，但是由于它本身带有许多无法突破的问 题，使得发展前途受到限制。高频化概念的引入给u p s 的发展带来了许多 新的思路和空间，随着高频技术和器件的发展，3 k v a 及以下的高频率在 线式u p s 的技术和产品已经成熟，其功能和可靠性都高于传统u p s ，高频 率对于减小体积、降低成本，以及对非线性负载有更好的响应上起着重要 6 广西大掌习l 士掌位论文i - 3 - d e l t a 递麦技术的u p s 研究 的作用。 在一些技术先进的国家，用高频双向变换技术和串并联电路形式构成 的用户电力调节装置( c u s t o m p o w e r ) 和u p s 己经形成商用化产品。而在我 国，这些产品还处在起步研究阶段。 在电源学术界，特别是在电力、通讯、电信、邮电等应用领域，对这 项技术以及相应的产品还很不成熟。来自中国电源协会的专家认为，该技 术具有有功补偿( 交流稳压) 、无功和谐波补偿、储能调节等多项功能，是 用户电力综合调节装置( c u s t o m p o w e r ) 、不停电供电系统( u p s ) 和交流稳压 装置似v r ) 的最新电路技术和发展趋势。 随着新技术不断地被开发出来和在实践中的逐步应用，今后u p s 电源 将向着高频化、数字化、智能化、网络化和大容量单机冗余化方向发展1 6 】。 1 5 电力电子变换技术概述 电力电子变换技术是利用电力电子开关器件作为开关管，按照一定的 拓扑结构连接的电能控制、变换电路所完成的变换技术。电源可分为两类 f 1 1 ：一种是直流电；另一种是交流电。将两类电源的幅值或频率作适当变 化。就可以实现直流与直流、交流与交流或两者之间的变换。 电力电子变换类型可归纳为五种基本类型，相应的有五种电力电子变 换电路： l 、直流一直流电压变换电路或直流斩波器。将直流电压u i 变换为直 流电压u 2 。 2 、交流一交流电压变换电路或交流电压斩波器。将频率为f l 的交流 电压u l 变换为频率为f 2 的交流电压u 2 。 3 、交流一交流直接变频电路或直接变频器( 又被称为周波变换器) 。 将频率为f l 的交流电压u i 变换为频率为f 2 的交流电压u 2 。 4 、直流一交流逆变电路或逆变器。将直流电压u l 变换为交流电压 u 2 5 、交流一直流整流电路或整流器。将交流电压1 1 l 变换为直流电压 u 2 0 利用上述五类基本变换电路，可以组合成各类复杂的、功能强大的电 t - 西大学司k b 掣啦论文| 睁i ) e l t a 嗣：，：技术的u p s 研究 力变换器，比如交直交间接变换器等。除了可以进行电力变换外，若对 电力电子变换器采用适当的控制，还可以作为各静补偿器使用，比如有源 功率因数校正器等。 现在上述五类基本变换电路在国际国内的研究已经相对成熟，研究的 热点已经转移到基本电路的组合及控制策略方面。对于同样一个电路拓扑 结构，如果施加不同的控制，其既可以工作在整流状态，又可以工作在逆 变状态。同样对于一个电路组合，其既可以补偿电源电压谐波，又可以补 偿负载电流谐波 t h a i 。 1 6 本文主要研究内容 随着电力电子变换技术的发展，一种全新的u p s 拓扑被提出，即d e l t a 变换技术u p s l l l l 1 1 引。这种u p s 由两个交换器构成，它保留了传统双变换 u p s 的优点，克服了传统的双变换u p s 的缺点，可以说是目前比较理想的 u p s 系统。d e l t a 变换技术尚不为广大u p s 厂家普遍采用f 5 1 。 目前国内有一些人在从事d e l t a 技术的u p s 研究。但国内一直没有工 业产品问世。对此进行研究可促进国内在这方面的发展。 本文首先对d e l t a 变换u p s 系统的工作原理进行分析，以此为基础， 从功能和结构上将其分成两部分，即d e l t a 逆变器和主逆变器，并且重点 对d e l t a 逆变器进行了分析和设计。主要工作如下： 1 、分析d e l t a 逆变器和主逆变器的工作原理，探讨比较了多种控制方 法，优选出实用的控制方法。 2 、研究谐波和无功功率检测技术，以三相电路瞬时无功功率理论为 基础实现对谐波和无功电流的实时检测。 3 、通过d - q 变换与比较得到反映谐波和负载电压基波大小变化的调制 波电压指令信号。 4 、利用m a t l a b 开发工具在p c 机上进行调试。实现d e l t a 逆变器 电流控制环路的仿真，控制输入电流；控制蓄电池充电；补偿输入和输出 电压的差值；调节输入功率因数。实现主逆变器电压控制环路的仿真，控 制系统输出电压；在反向整流工作方式时，给蓄电池充电；市电故障对， 由蓄电池放电经主逆变器为负载供电。 8 - - 。日，o 炽士掌位论文| 厅d e l t a 逆麦拄术的u p s 研究 第2 章基于d e l t a 技术的u p s 的总体设计 2 1 基于d e l t a 技术的u p s 的总体设计 美国电力转换公司( a p c ) 已成功地将d e l t a 技术应用到u p s 中去，开发 并向市场推出性能优越的s i l c o nd p 3 0 0 e 系列在线式大功率u p s 。研制者 称第一个逆变器为“d e l t a 逆变器，整个电路包括d e l t a 逆变器，主逆变器， 高频滤波器，静态旁路开关，静态主电路开关和5 0 h z 信号发生器等部分。 b y p a s s 静态开关 图2 - 1 d e l t a 踅换u p s 的简化结构 f i g 2 1 s i m p l i f i e ds t r u c t u r eo f d e l t ac o n v e r s i o nu p s 在设计电路时需要注意以下几个问题。 1 、5 0 h z 标准信号与输入电压同步然后同时控制两个逆变器。 2 、主逆变器通过电感直接与负载并连，控制电路并反馈输出电压，相 当于一个稳压源，以便向负载提供纯净的正弦波电压( 输入电压的变化通过 d e l t a 逆变器得到补偿1 。 3 、输入电压和输出电流的任何变化都首先在u p s 输出端得到反映， 通过主逆变器反馈并调整后体现为电池电压的变化( 即与电池并联的电容 上电压的变化) 。 9 广西大掌硕士掣啦垤i 支墓于d e l t a 逆麦技术的u p s 研究 4 、d e l t a 逆变器的控制电路有两个反馈信号，一是电池电压，用来控 制电池电压的稳定和电池充电，同时也就接受了主逆变器对输入电压和输 出电流的调整的信号。 5 、在电池回路中串联的电感与并联的电容组成直流低通滤波器，在两 个逆变器工作过程中使得电流的变化不影响电池的直流电压浮充电状态。 6 、两个静态开关的工作状态不同，虽然它们都是由相互反向并联的可 控硅组成。 在币电正常时旁路静态开关是断开的，当输出过载或者逆变器发生故 障时，控制信号同时加到两支可控硅的控制极。 而主电路静态开关在市电正常时是导通的，市电掉电时进入断开状态， 使得主逆变器电流不会向电网反灌。两支可控硅的控制信号在导通时是按 输入电压的正负半周分别加上的，因为输入电压和电流没有相位差别，所 以在市电掉电时不存在电流反灌的问题。 2 2 基于d e l t a 技术的u p s 的主要工作原理 d e l t a 变换u p s 主要是由一个与输入市电串联的逆变器和一个与供电 负载并联的逆变器组成，这种双四象限p w m 逆变器的串、并联组合结构 在电力系统中的输电、配电和用电各个环节都可以得到应用。 d e l t a 是不同( d i f f e r e n c e ) 的意思，它来源于希腊语。一种意思是指它的 u p s 电路方案和以往的传统电路不同；另一种意思是指它对输入输出之间 的不同进行调整，含有增量的意思。为了对该电路的原理进行更好的说明， 首先讨论其基本构成环节，原理和特点。 l 、电流源及其特点 电流源的原理图如图2 2 所示。 i i 图2 - 2 电流源的原理图 f i g 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f c u r r e n t 9 0 a l c e 1 0 广西夫掣嘎士掣| 位谜支l t d e l t a 避l 技术的u 研宪 图中，e 电源电压；u - 负载端电压； r - 电源内阻；r 负载电阻； i 一负载电流； 其中i - e ，( f + r ) 由式i - e ，f r + r ) 可以看出，电流i 的大小，在电压e 给定了咀后就取决 于电源的内阻r 和负载内阻r 。从理论上讲，电流源的内阻r 对负载电阻r 而言是无穷大。因为为了要达到电流源输出电流i 在任何负载下都不变这 个目标，惟一的条件就是要求r 远大于r ，但r 的值是不确定的，它可以 为任何值，因此只有r 相对负载电阻r 趋于无穷大时才可以满足上述条件。 电流源的电流l 可以是直流，也可以是正弦交流。当它是5 0 h z 的正弦 波时，如果把这个电流源串联在某一电路中，就可以将其前后的干扰有效 地拦截在电路两边l ”】，因为它的高内阻具有隔离作用。 单从图2 1 上看不出d e l m 变压器绕组有什么特殊的地方，只是看到了 一些常规滤波器。实际上d e l t a 变压器绕组除了在设计上将其做成集中参 数的电感量l 外，确实在结构上并无更多的措旅。l 的高阻抗主要是靠加 在上面的高频振荡电流形成的。在d e l t a 变压器绕组工作的三种情况下， 高频振荡波一直存在，即使在输入电压和输出电压相等( 即为零补偿) 的情 况下高频振荡波也不消失。因此在集中参数l 上就永远有一个高阻电抗 x l 存在，其值为： x l = 2 口f l( 2 一t ) 式中：f l 为d e l t a 逆变器的脉宽调制频率 5 4 1 。 2 、电压源及其特点 电压源是指电路的输出电压是稳定的，对于图示2 2 来说，输出电压 表达式为 u = e - i r = e l - r ( r + r ) )( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可以看出，如果要保证输出电压u 恒定不变，只需使下式成立即 可 1-r(r+o=l(2-3) 而式( 2 3 ) 等于l 的条件是 r ( f + r ) = 0( 2 - 4 ) j 西大尊昀炙士增啦论二| i 于d e l t a 逆变技术的u p s 研究 即r = o ，也就是说在电源内阻r = o 的情况下，不论负载电流为任何值，都 不会在电源内部形成压降，从而保证了 u 2 e ( 2 - 5 ) 于是就达到了稳压的目的。 u p s 就是一个交流电压源。假如要保证其在包括非线性动态负载在内 的任何负载时，都能维持其输出电压稳定不变，就必须千方百计减小它的 内阻。只有u p s 的内阻小了，才可以保证它的输出电压在动态负载时维持 不变，也只有u p s 的内阻小了，才可以适应较低功率因素的负载1 5 3 l 。 从图示2 1 中可以看出，由市电电压u i 输入到输出电压u o 的整个传输 路径只有一些线圈，并无隔离变压器，好像直通一样。其实不是这样，实 际上不但不直通而且隔离性能还挺好。作为电流源主要特征的内阻抗相对 于负载而言是无穷大；电压源的内阻抗相对于负载而言是零。也就是说， d e l t a 逆变器的等效电路是与负载串联了一个非常大的阻抗，主逆变器又 相当于给负载并联了一个电容器，于是就构成了如图2 ，所示的l c 滤波 器， 器 电流源c 图2 - 3 d e l t a u p s 的隔离等效电路图 f i g 2 3e q u i v a l e n tc i r c u i to f d e l t au p ss e p a r a t i o n 而l c 滤波器本身就有很好的隔离干扰的性能。因为一个大的干扰夹 杂在u i 中输入时，首先被l 构成的高阻抗拦截，能量已被衰减掉大部分， 而后剩余部分又被c 形成的低阻抗旁路到地，使之传到负载的能量已微不 足道1 5 4 1 。 | ：于d e l t a 鱼：吏技术的u f ，s 研究 图2 - 4 d e l t a 变换u p s 的原理框图 f i g 2 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f d e t t a c o n v e r s i o nu p s d e l t a 变换u p s 的原理结构如图2 4 所示。如果控制这种u p s 使输出 电压幅值不变，则d e l t a 变压器的输入电压只是输入市电和u p s 输出的电 压差。 d e l t a 变换u p s 的主要工作原理：当市电供电正常时( 正常状态) ，市电 直接给负载供电，这时两个逆变器工作在热备用状态，如果有需要，主逆 变器作充电器使用，给电池浮充电。 当市电出现故障时，两个逆变器立即切换到工作状态。 如果市电电压过高( 过压状态) ，主逆变器作为恒频恒压逆变器工作， 将负载输入电压钳位在额定值，d e l t a 变压器承受市电电压与输出额定电压 的差值。此时d e l t a 逆变器作为整流器工作，给主逆变器提供能量，同时 给电池充电。 如果市电电压过低( 欠压状态) ，主逆变器作为恒频恒压整流器工作， 将负载输入电压钳位在额定值，同时给d e l t a 逆变器提供能量并给电池充 电，d e l t a 变压器承受市电电压与输出额定电压的差值。此时d e l t a 逆变器 作为逆变器工作，以补偿电压差。 如果市电电压很高或很低甚至彻底掉电时，蓄电池的直流电能经主逆 变器逆变后给负载供电，d e l t a 逆变器不工作。 d e l t a 变换u p s 能够像传统在线式u p s 一样向负载提供高质量的电能， 但是它的两个逆变器在大多数时问都没有工作在满功率状态，因此效率比 传统在线式u p s 显著提高；而且d e l t a 逆变器的额定容量只是u p s 系统额 定容量的l o 2 0 ，节约了成本；同时其交流输入功率因数接近l ( g 控制 广西大学硬士掌位诧i 文| i 于o e l t a 逆麦技术的u p s 研究 在o 9 9 以上) ，输入电流谐波含量极低，基本上不会对电网造成污染，而 且还可以隔离来自电网的电压谐波，是一种理想的绿色电源。 如上边所述，d e l t a 逆变器作为电流源( 或稳流源) 来说，电流是稳定的 而电压是可变的；主逆变器作为电压源( 或稳压源) 正好相反，电压是稳定 的而电流是可变的。二者协同工作，构成了最佳配合：负载电压由主逆变 器稳定，负载的主要电流( 或有功功率) 主要由d e l t a 逆变器调整和稳定，而 主逆变器则主要调整负载的快变化或无功功率。这样就构成双重在线调整 功能，从性能上来说比单在线调整方式优越。 2 3 主逆变器与d e l t a 逆变器的控制方案选择 2 3 1主逆变器的控制方案选择 为了将主逆变器控制成为一个恒频恒压的电压源，只需将其当成三相v s i 来控制，关键是控制三相v s i 输出电压为恒频恒压的正弦电压。对于三相v s i 有多种控制方法可以达到上述目的，如瞬时值反馈控制、电压电流双环控制及 重复控制等。 主逆变器采用电压控制环路，输出电压反馈信号与输出电压基准比较， 由其误差信号进行p w m 控制，保持输出电压的稳定。 因为是恒压控制，主逆变器的内阻较低，在d e l t a 逆变器控制下，对蓄 电池充电。并向负载提供所需要的谐波及无功电流。 从这二个逆变器功能可以看出，d e l t a 逆变器只向电网索取有功功率。 而负载所需要的无功及谐波电流由主逆变器来提供。即这种新一代u p s 不 管所带何种负载，输人功率因数均近似为1 ，输入电流谐波小于3 。 主逆变器的主要功能是： 1 、控制系统输出电压； 2 、在反向整流工作方式时，给蓄电池充电； 3 、市电故障时，由蓄电池经主逆变器放电为负载供电。 公共交流电网由于各种原因通常供电质量不太好( 电压波动大、电压波 形畸变大、频率稳定度不够等) ，所以现代u p s 的一个主要作用就是要将 经过逆变器调理过的高质量的正弦电压提供给负载。因此，u p s 逆变器的 输出电压波形控制技术又是长期以来的一个重要研究方向。 1 4 广西大茸明曩士掌位论文| i 于d e l t a 道竞技术的u p s 研究 早期小功率u p s 的逆变器比较多的采用方波阶梯波逆变原理，输出的 电压波形质量差，含有大量的谐波，给系统滤波器选用带来很大困难，也 不利于负载正常运行。为了达到输出稳定的电压的目的，通常采用平均值 电压反馈技术，系统不可能有快速的输出电压响应。 现代u p s 大都采用p w m 逆变器，p w m 方式主要采用正弦脉宽调制 和空间矢量调制两种，有利于降低输出电压谐波和提高输出电压调节的动 态性能和静态稳定度。但是由于u p s 的输出阻抗不为零，在非线性负载下 其输出电压波形畸变将加重，所以逆变器在非线性负载下输出电压的波形 校正问题成为u p s 开发上的一项关键技术。 总体上来说，u p s 输出电压控制所采取的方式有基于平均值电压反馈 控制和瞬时值电压反馈控制两种；从控制思想上有基于线性控制理论的系 统控制策略和基于非线性控制原理的系统控制策略；从实现的途径上有模 拟控制和数字控制以及数模混合控制等。 一、基于线性控制理论的系统控制策略 l 、基于线性控制原理的平均值电压反馈控制通过合理设计电压调节 器可以达到输出电压幅值的稳态无静差，但是对于输出电压的波形的畸变 却无能为力，而且系统的动态响应很慢，不利于输出高质量电压。 2 、基于线性控制原理的瞬时值电压反馈控制采用常用的p i 、p i d 等 调节器，在u p s 中得到广泛应用。但是，p 1 控制无法实现对正弦指令的 无静差跟踪，因此系统的稳态精度不容易满足要求。实际系统往往在p l 控制基础上增设均值反馈以保证稳态精度。 二、基于非线性控制原理的系统控制策略 基于非线性控制原理和数字控制手段的电压波形控制技术主要有滑模 变结构控制、无差拍控制、重复控制等，这些控制技术必须借助于运算能 力较强的单片机或数字信号处理器，是今后研究开发的方向。 l 、滑模变结构控制是利用不连续的开关控制策略来强迫系统的状态 变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模态”轨迹运动。从原理上讲， 滑模变结构控制的稳定性以及系统性能对参数变化和外部扰动不敏感，具 有较强的鲁棒性，这是它的主要优点。但对于实际的逆变电源系统，确定 一个理想的滑模切面是很困难的。 2 、无差拍( d e a d b e a t ) 控制是在控制对象离散数学模型的基础上，通过 广西大学司e e 掌位论文 墓于d e l t a 逆竞技术的u p s 研究 施加精确计算的控制量来使得被调量的偏差在一个采样周期时间内得到 纠正。 早期的无差拍波形控制是基于阻性负载假设，负载适应性差。现在采 用扰动观测器可以实时预测负载电流，显著增强了负载适应性，是无差拍 控制的一大改进。针对计算延时影响直流电压利用率的问题，可以通过双 极性p w m 调制方式加以定程度的改善，或者在算法上采取特殊的补偿 措旖，但最切实有效的办法还是采用状态观测器将控制作用提前一拍进 行。 无差拍控制最显著的优势是其非同寻常的快速性，这在u p s 逆变器控 制中意义重大，但其最大的缺点则是对精确数学模型的依赖。另外，控制 器为了达成在一个采样周期内消除误差的效果，往往采取非常剧烈的控制 动作，当理想模型与实际对象有差异时，这样做不仅达不到无差拍效果， 反而会引起输出电压的振荡，不利于逆变器的安全稳定运行。 3 、重复控制是在重复信号发生器作用下，控制器实际上进行着一种 逐周期的积分控制，通过对波形误差的逐周期补偿，稳态时可以实现无静 差控制效果。 重复控制的基本概念来源于控制理论中的内模原理，内模原理指出： 系统稳定状态下无静差跟踪输入信号的前提是闭环系统稳定且包含输入 信号保持器，比如包含一阶积分环节的控制系统可以实现对阶跃指令的无 静差跟踪，积分环节l s 正是一个阶跃信号保持器，这是它能实现对阶跃 指令无静差跟踪的根本原因。 在设计一个重复控制器的过程中，必须要有一个周期信号保持器用来 消除周期参考信号或者扰动引起的周期跟踪误差。这个周期信号既可以用 模拟方式产生，也可以用数字方式产生。然而在实际系统中，用模拟方法 产生任意波形是非常困难的，相反，通过软件控制方法可以很容易得到一 个周期信号。 1 6 1 - - 西大茸啊曩士掌位匏，：i i 于d e l t a 道竞舅睐的u p s 磷究 图2 - 5 一种重复控制系统框图 f i g 2 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a p e 砒c o n t r o ls y s t e m 图2 - 5 是一种重复控制系统。其中，p ( z ) 表示具有瞬时跟踪闭环反馈控 制的逆变器系统，s ( z ) 和q ( z ) 是重复控制器的补偿环节，r ( k ) 是参考信号， y ( k ) 是系统输出电压，e ( k ) 是跟踪误差，r c ( k ) 是重复控制器补偿后的参考指 令2 2 1 。扰动输入d ( k ) 到跟踪误差e ( k ) 传递函数可表示为1 0 】： 酢) 2 鬻5 丽1 ( 2 6 ) 式中：n 表示一个基波周期的采样次数，对应s 域中的频率响应为 h o w ) = h ( z ) t z = e 一( 2 - 7 ) 重复控制器消除了频率为基波周期整数倍干扰产生的跟踪误差，从而 得到了非常好的跟踪效果。 2 3 2d e l t a 逆变器的控制方案选择 为了将d e l t a 逆变器控制成为一个相位和幅值均可调的电流源，只需将其 当成三相v s c 来控制，关键是控制三相v s c 输入电感电流，使其为与输入基 波同相的正弦电流l “。 d e l t a 逆变器采用电流控制环路，输入电流反馈信号与输入电流基准比 较，进行p w m 控制，维持输入电流恒定。 恒流控制的d e l t a 逆变器具有较高的内阻。它控制输人电流，控制主 逆变器对蓄电池充电，补偿输入电压，保证主逆变器输出电压恒定不变， 1 7 广西大掌司【士掌位论j t| i 于d e l t a 逆l 技术的u p s 研究 控制调整输人功率因数，使输人电流谐波小于3 。 由于d e l t a 逆变器的高内阻性，使这种l i p s 能对来自电网的干扰对负 载的影响起隔离作用，同时负载产生的各种干扰也不会对电网产生影响， 即良好的双向隔离性。其技术的关健是在输入正弦波电压源上叠加其输出 的1 5 k h z 的s p w m 波形，在完成补偿输入电压的同时，达到输入功率因 数近似为l 。 d e l t a 逆变器的主要功能是： l 、控制输入电流； 2 、控制蓄电池充电； 3 、补偿输入和输出电压的差值； 4 、调节输入功率因数。 根据在控制环中是否采用电流闭环，可以把三相逆变器的电流控制策 略分为间接电流控制和直接电流控制两大类4 9 1 1 5 0 1 1 5 1 】【5 - q 。 一、间接电