（电力电子与电力传动专业论文）双变流器串并联补偿式ups.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t h r e e p h a s es e r i e s p a r a l l e lc o m p e n s a t e d l i n e i n t e r a c t i v eu p s s y s t e mi ss t u d i e di nt h i s t h e s i s t h et h r e e p h a s es e r i e s p a r a l l e lc o m p e n s a t e dl i n e i n t e r a c t i v eu p ss y s t e mi sc o m p o s e d o fas e r i e st h r e e p h a s ec o n v e r t e ra n dap a r a l l e lt h r e e p h a s ec o n v e r t e r a n a l y s i s s i m u l a t i o n s a n de x p e r i m e n t sa r ec e n t e r e da r o u n dh o wt oc o n t r o lt h es e r i e s t h r e e p h a s ec o n v e r t e ra sa s i n u s o i d a lc u r r e n ts o u r c ea n dt oc o n t r o lt h ep a r a l l e lt h r e e p h a s ec o n v e r t e ra sas i n u s o i d a l v o l t a g es o a r c e m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h es e r i e st h r e e p h a s ec o n v e r t e ra n dt h ep a r a l l e lt h r e e p h a s e c o n v e r t e ri nt h r e ep h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t e t w o p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t ea n dt w o p h a s e r o t a t i n gc o o r d i n a t e a r ee s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s w i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p to f v o l t a g es p a c e v e c t o ra n dc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n s a n de a s yt oi e t t h r e e p h a s es y s t e m t r a n s f o r mb e t w e e nt h ed i f i e r e n tc 0 0 r d i n a t e s i nt h i s t h e s i s f o rt h e s e r i e s t h r e e p h a s ec o n v e r t e r d i r e c tc u r r e n t c o n t r o ls c h e m ea r e s e l e c t e d w h i l ef o rt h ep a r a l l e lt h r e e p h a s ec o n v e r t e r b a s e do nt h em u l t i p l e l o o po fv o l t a g e a n dc u r r e n tc o n t r o ls c h e m e w ei n t r o d u c et h er e p e t i t i v ec o n t r o ls c h e m e i ne x p e r i m e n t s w e c o m p a r e t h ec o m b i n e dc o n t r o ls c h e m eo f m u l t i p l e l o o po fv o l t a g ea n dr e p e t i t i v ec o n t r o lw i t h m u l t i p l eo fv o l t a g ea n dc u r r e n tc e n t r e ls c h e m e t h ec o m b i n e dc o n t r o ls c h e m ep r o v e dt ob e h i g h l ye f f e c t i v ea t t h ep a r a l l e lt h r e ec o n v e r t e r so u t p u tn om a t t e rw h a tk i n d eo fl o a d sa r e c o n n e c t e d t h e c o m p e n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n d p o w e r f l o wo f t h r e e p h a s es e r i e s p a r a l l e l c o m p e n s a t e dl i n e i n t e r a c t i v eu p ss y s t e mi sa n a l y z e di nt h i st h e s i s a f t e rt h ew h o l es y s t e m s t a r t i tc a r lw o r k a su p q c w i t h o u ts t o r a g eb a k e r y a2 0 k v a t h r e e p h a s es e r i e s p a r a l l e lc o m p e n s a t e dl i n e i n t e r a c t i v eu p ss y s t e mb a s e do n d s pc o n t r o l l e ri s d e s i g n e di nt h i st h e s i s d s pc h i pt m s 3 2 0 f 2 4 0 h a sv e r yr i c hc o n t r o l l e r p e r i p h e r a l s a n dh e n c et oc r e a t ea ni d e a ls o l u t i o nf o rt h i sk i n do fu p s s y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e nw h e nu t i l i t yv o l t a g eo v e r15 i nt h en o r m a lv a l u e a n du n d e r1 5 g e n e r a la n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u r si sg i v e ni nt h i st h e s i st o o k e y w o r d s t h r e e p h a s eu p s s e r i e s p a r a l l e l c o m p e n s a t e d m u l t i p l e l o o po f v o l t a g ea n d c u r r e n tc o n t r o l r e p e t i t i v ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果 尽我所知 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出 贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 瑚弋 日期 加7 年中月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 保密口 在年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密囝 请在以上方框内打 学位论文作者签名 烈飞 日期 2 洲r 年午月2 f 日 指导教师签名 膨嘭 日瓤 皆 月可日 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 一 1 1 研究现状 1 1 1 电能质量问题的提出f 1 1 3 1 电能质量 p o w e rq u a l i t y 的概念 一个理想的交流电力供电系统应以恒定的频率 5 0 h z 和正弦波形 按规定的电压 水平 标称电压 对用户供电 在三相交流电力系统中 各相的电压应处于幅值相等 相位互差1 2 0 的对称状态 然而由于系统各元件 发电机 变压器 线路等 参数的非 理想特性 负载不对称 非线性且随机变化 加之调控手段的不精确 不完善以及运行 操作 外来干扰和各种故障原因 都可能影响到供电系统的供电品质 也就产生了电能 质量问题 i e e e 技术协调委员会给电能质量下的定义为 合格电能质量的概念是指给 敏感设备提供的电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工作 2 电能质量问题的定义 i e e e 第2 2 标准统筹委员会对主要的电能质量问题定义如下 电压跌落 s a g 电压或电流有效值降至额定值的1 0 9 0 持续时间为0 5 个周 期至1 分钟 电压中断 i n t e r r u p t i o n s 在一相或多相线路中完全失去电压 低于额定疽的1 0 一段时间 持续时间0 1 5 个周期至3s 为瞬时中断 持续时间3s 至6s 为暂时中断 持续时间大于6 0s 为持续中断 电压上升 s w e l l s 电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 以上 典型值为额定值 的1 1 0 1 8 0 持续时间为o 5 个周期至1 分钟 电压瞬变 t r a n s i e n t s 指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化 电压瞬变可以 是任意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波 过电压 o v e r v o l t a g e 电压为额定值的1 1 0 1 2 0 持续时间大于1 分钟 欠电压 u n d e r v o l t a g e 电压为额定值的8 0 9 0 持续时间大于1 分钟 谐波 h a r m o n i c s 频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流 由电力系统中 的装置和负载的非线性特性引起的畸变波形可分解为基波和谐波之和 问谐波 i n t e r h a r m o n i c s 电压和电流的频率不是基波频率的整数倍 问谐波主要出 静止变频器 周波变频器 感应电机和电弧设备产生 电力载波信号也认为是一种 间谐波 电压缺口 n o t c h e s 持续时间小于o 5 个周期的周期性的电压扰动 电压缺口主要 是电力电子装置由一相换至另一相时参与换相的电路瞬时短路造成的 与电压缺口 有关的频率分量很高 采用谐波分析仪测量可能是很困难的 华中科技大学硕士学位论文 电压波动或闪变 f l u c t u a t i o n s 电压波动是指电压幅值在一定范围内有规律地或随 机地变化 其电压幅值的变化通常为额定值的9 0 1 1 0 这种电压波动通常称为 电压闪变 闪变一词是从电压波动引起电灯的闪动得来的 在输电和配电系统中电 压闪变主要是由电弧炉引起的 1 1 2 发展电能质量控制技术的意义 1 无功及谐波的危害 电网无功的负作用主要体现在降低了发电 输电设备的利用率 增加了线路损耗 无功还使线路和变压器的电压降增大 如果是冲击性无功负载 还会使电网电压产生剧 烈波动 严重影响供电质量 至于谐波 它对公用电网的影响更为严重 尽管人们很早就注意到谐波问题 但直 到电力电子设备大泛围普及使用时 它的危害才充分显示出来 概括来讲 谐波的危害 主要有以下几个方面 谐波增加了公用电网的附加输电损耗 降低了发电 输电设备的利用率 在电缆输电的情况下 谐波以正比于其电压幅值的形式增加了介质的电场强度 缩 短了电缆的使用寿命 还增加了事故机率和修理费用 谐波会影响甚至严重影响用电设备的正常工作 比如谐波对电机产生附加转矩 导 致不希望的机械震动 噪声 还会引入附加铜损 铁损 以及过电压 导致局部过 热 绝缘老化 缩短设备使用寿命 瞬时的谐波高压还可能损坏其它一些对过电压 敏感的电子设备 谐波还引起某些继电器 接触器的误动作 谐波使得常规电气仪表测量不准确 谐波对周围的环境产生电磁干扰 影响通信 电话等设备的正常工作 谐波容易使电网产生局部的并联或串联谐振 而谐振导致的谐波放大效应又进一步 恶化和加剧了所有前述问题 可见无功和谐波是对公用电网和其它电气设备的影响十分严重 如何抑制和消除谐 波已成为一个世界范围内令人关注的课题 2 发展电能质量控制技术的原因 随着现代科学技术的发展 一方面 危害电能质量的因素不断增加 例如 以电力 电子装置为代表的非线性负荷的使用 各种大型用电设备的启停等 另一方面 各种复 杂的 精密的 对电能质量敏感的用电设备不断普及 如高性能办公设备 精密实验仪 器 计算机 通讯及数据处理系统 精密生产过程的自动控制设备等 人们对电能质量 及可靠性的要求越来越高 上述问题的矛盾愈来愈突出 这使得电能质量问题对电网和 配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大 电能质量的 好坏直接关系到国民经济的总体效益 一个计算中心失去电源2 s 就可能破坏几十小时 的数据处理结果或上百万元的经济损失 在大型机器制造厂 0 1 s 的电压突降就可能造 华中科技大学硕士学位论文 成异常的生产状况和质量破坏 当今自动化设备控制的连续精加工生产线 它们对配电 系统中的干扰异常敏感 几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱 其损失 是难以估量的 现代化的商贸中心 银行 医院也是如此 无人值守变电站中计算机系 统突然出现的死机现象 大多属于电能质量问题 在我国 虽然总体经济和技术水平还 比较落后 但在部分经济发达地区电能质量问题的影响已比较突出 而且由于各种原因 供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上 我国的情况尤其严重 如何提高和保 证电能质量 已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之 有关电能质量控制 的研究具有巨大的经济和社会效益 它对于减少用电设备的故障 从而保证生产和生活 的正常进行 对于减小电网内部因电能质量问题造成的损耗 从而提高电能的使用效率 对于供电企业树立强烈的竞争意识 从而有力地促进电力市场的孕育与形成 对于开辟 和带动电力电子产业的发展 从而推动整个电力产业的革新与进步都具有极其重要的意 义 1 1 3 单一的电能质量调节器 补偿器 及其不足 1 改善电能质量问题的基本措施 概括地说可分为无源补偿和有源补偿两种措施 无源补偿是利用晶闸管投切电容器和晶闸管相控电抗器相结合提供的适当无功电流 补偿电网和负载的无功功率 利用电感 电容构成的各次谐波滤波器或陷波器 吸收电 网基频以外的谐波电流 无源滤波器的研究已趋成熟 在实际系统中已得到广泛应用 电力电子技术的发展 一方面产生了谐波问题和无功问题 例如晶闸管相控整流和 交一交直接变频引起 另一方孟 由于电力电子器件对电能控制的方便性 决速性和 灵活性 它本身又提供了解决谐波 无功问题的办法 即利用电力电子开关电路构成的 有源无功 谐波补偿装置 从电路结构上区分 包括并联型和串联型两种 主要包括 有源电力滤波器 a p f 电池贮能系统 b e s s 配电用静态同步补偿 器 d s t a t c o m 配电用串联电容器 d s c 动态电压恢复器 d v r 功率因数校正电容器 p f c c 超导 磁能贮存系统 s m e s 静态电子分接开关 s e t c 固态转移开关 s s t s 固态断路器 s s c b 晶闸管相控电抗器 t c r 晶闸管投切电容器 t s c 静止无功补偿器 s v c 高性髓不间断电源 u p s 等 这些电力电子补偿控制器有些已相当成熟 有些还处于研 究 试用阶段 从功能上讲串联型电能质量调节器用于吸收电压谐波 抑制电压闪变对网络的干扰 平衡和调节负载或线路节点的基波电压 减小负序电压以及阻尼振荡 以改善电力系统 运行特性和用户端的电压质量 而并联型电能质量调节器用于吸收非线性负载产生的电 流谐波 补偿无功功率以及平衡三相失衡电流 2 单一的电能质量调节器 补偿器 的不足 无源滤波器存在明显缺陷 电容器对无功的补偿是固定的 对负载变化的适应性差 即使采用电容器分级投切的方法也只能有级地调整无功 而且电容器投切时的暂态过程 华中科技大学硕士学位论文 往往产生局部过压和过流 而对各次谐波 需要有针对性地设计较多不同的滤波器 无 源滤波器 尤其是低次谐波滤波器的体积 重量都相当可观 损耗也不小 其次 无源 滤波器的动态响应慢 对一些快速变化过程效果不佳 第三 无源滤波器容易与谐波作 用产生谐振反而放大谐波 所以 单纯弛使用无源补偿方案 其经济指标和技术指标都 比较差 而采用单一的并联型或串联型有源电能质量调节器虽然可以改善电力系统的某些 运行特性和供电质量 但无论是串联型还是并联型 从功能上说都是不全面的 对电能 质量的改善存在着不可避免的不足 面对当今用户对电能质量的全面高要求 迫切期望 一种统一的电能质量调节器的出现 1 1 4 统一的 通用 电能质量调节器 4 j 9 i 统一的 通用 电能质量调节器的概念 统一电能质量调节器由两个具有公共直流母线的a c 舒d c 双向高频开关四象限 p w m 变流器组成 可以快速补偿控制供电电压的突升或突降 波动和闪变 谐波电压 各相电压的不平衡 故障时的短时电压中断以及负载谐波电流 无功电流等各种电能质 量问题 是一种具有综合调节功能的电能质量控制器 2 统一的 通用 电能质量调节器的开关电路结构 统一的 通用 电能质量调节器的开关电路结构是两个串并联组合的双四象限p w m 变流器 其中一个变流器和电网并联 可以带变压器也可以不带 另一个通过串联变 压器将其输出串联地插入供电电源和负载之间 两个四象限变流器的直流侧弗接在一个 公共的直流母线上 直流母线上可以有直流能源 如蓄电池或超导磁储能线圈等 也可 能没有直流能源而仅并接有电容器 这种双变流器串并联结构的电力电子系统是现在已 经提出的各类通用电能质量补偿器 控制器 调节器 包括u p f c l 9 1 u n i f i e d p o w e r f l o w c o n t r o l l e r u p q d 刈 u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r 以及新型的s e r i e s p a r a l l e l c o m p e n s a t e d u p s 卜 17 u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y 等的通用电路结构 这种结构的 电力电子系统有着广泛的应用领域和市场需求 对这种结构的电力电子系统进行深入 全面的研究有重大的学术价值和技术经济意义 1 2 研究依据 t 双四象限p w m 变流器作为统一 通用 电能质量调节器的电路基础 适用于u p f c u p q c 以及新型的s e r i e s p a r a l l e lc o m p e n s a t e du p s 等多种新型电能质量补偿器 控制器 调节器 具有普遍的研究意义 2 国内有关双四象限p w m 变流器协调控制技术的研究尚属空白 如何有效地协调控 制串联型p w m 变流器和并联型p w m 交流器以及其公共直流环节都尚需要深入细致的 研究 3 双四象限p w m 变流器协调控制技术研究将带来电力电子领域控制思想由面向单个 独立的变流器的精确控制向多个 组合的变流器的智能控制的发展 在电工技术领域 华中科技大学硕士学位论文 该项技术能普遍用于具有串联型和并联型四象限p w m 变流器结构的电力电子系统的 控制 具有重大的技术研究价值和广泛的应用前景 4 u p f c 是柔性交流输电系统f a c t s f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 中的最重要 研究对象 然而 至今u p f c 的理论研究还很不充分 其实际装置至今在国外也仅限于 几个小功率的实验性装置 有源电力滤波器a p f 的理论研究特别是并联型a p f 的理论 研究较深入 投入实际应用的也不少 但是串联型a p f 则研究得不深入 投入实际应 用的也很少 u p q c u c p c 研究的文献不少 但是真正可以实现全面电能质量调节的 控制技术也还不成熟 5 新型双变流器串并联补偿式u p s 具有双四象限变流器结构 在交流电源电压三相不 平衡 甚至中断 有较大的低次谐波 5 7 次 电压 且负载为非线性有较大的低次 谐波电流 负载又需要较大的无功功率情况下 通过双变流器的协调控制能同时实现 交流电源电流正弦化 且输入功率因数为l 负载端电压为正弦波且恒为额定值 即双 变流器串并联补偿式u p s 既补偿了电源电压的不平衡 非额定值 中断 谐波电压 使负载电压恒定为额定值正弦波 又补偿了负载的谐波电流和无功电流 是一种理想的 通用电能质量调节器 其研究结果可以推广应用于其他类型的双变流器结构电力电子变 换系统 1 3 本文主要研究内容 随着电力电子变换技术的发展 最近 一种全新的u p s 拓扑被提出 即串并联补偿 型u p s 这种u p s 由两个变换器构成 但是 其电路结构及工作原理与双变换是u p s 有很大不同 性能上也有许多突出的优点 其拓扑如图1 1 串并联补偿型u p s y 市电k 串联变流器t并联变流器 图1 1串并联补偿型u p s 的拓扑结构 串并联补偿型u p s 主要由一个与输入市电串联的变流器和一个与供电负载并联的 变流器组成 这种双四象限p w m 变流器的串 并联组合结构在电力系统中的输电 配 电和用电各个环节均可得到应用 1 双四象限变流器联合运行时通用数学模型和协调控制技术研究 2 基于协调控制器技术的双变流器串并联补偿式u p s 数学模型及仿真模型的建立 3 串联变流器的控制策略以及并联变流器的两种控制策略的比较研究 4 双变流器串并联补偿式u p s 各种工况下的仿真研究以及针对非线性负载并联变流器 华中科技大学硕士学位论文 5 2 0 k v a 双交流器串并联补偿式u p s 实验装置的设计 组装及系统各工况下运行特性的 实验研究 同时进一步完善了双四象限变流器的控制策略和串并联补偿u p s 的系统性能 6 华中科技大学硕士学位论文 第二章串一并联补偿式u p s 基础技术概述 2 1 引言 不停电电源u p s u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y 是能实现不间断供电的电力电子装 置 早期的u p s 采用旋转式的直流电动机一交流发电机系统 因重量 体积 噪声 效率等因素的影响 现在逐渐演变成用电力电子器件制作的静止式u p s 静止式u p s 能实现不问断供电 同时可严格控制逆变器工作频率 使供电频率稳定 又因供电电压 的闭环控制调节 可避免出现任何一种电压瞬变 浪涌 下跌等 因而大大提高了供 电系统的可靠性与质量 一些部门 如过程控制系统 数据处理系统 航空站 能源中 心 医用控制系统 交通控制系统 大型商场等 由于电源故障要付出很大的代价或带 来危险 为了解决供电质量 上世纪6 0 年代以来静止式l i p s 得到了迅速发展 2 2 u p s 系统分类 在上世纪7 0 年代 经常使用在线式 o n 1 i n e u p s 的称呼 它的基本结构如图2 1 所示 主要包括整流器 充电器 逆变器 电池和静态旁路开关 其中整流器 充电 器 对交流输入电源电压进行整流 给电池进行充电 并由逆变器给负载提供恒频恒压 的高质量电力 静态开关的作用是当u p s 故障检修时把负载切换到交流电网供电 国际标准化组织注意到 线 l i n e 通常指交流电网 从负载的角度出发 在线式 u p s 应该由交流电网直接给负载供电 但是在图2 1 中 逆变器与电网在线串联 无论 交流电网情况如何 负载都由逆变器提供电力 而不是由交流电网直接给负载供电 只 有当u p s 故障检修时才切换到电网旁路供电 在线式u p s 的容量一般大于1 0 k v a 工 作模式切换时间比较短 由此可见 在线式l i p s 实际上是指逆变器在线 而不是指由 交流电网直接给负载供电 t 蓄电池 圈2 1 在线式u p s 的基本结构 为适应各种不同类型的负载 i 勰燃i t 图2 2 离线式u p s 的基本结构 获得最佳的经济效益 出现了离线式 o f f l i n e u p s 华中科技大学硕士学位论文 如图2 2 所示 其中 逆变器不再与交流电网在线串联 而是以备用 s t a n d b y 的形式与 之并联 另外 逆变器并不连续工作 而只在电网供电质量较差或故障时才开始运行 般而言 离线式u p s 没有设计静态旁路开关 工作模式切换时间比较长 容量一般 小于2 k v a 同样 从负载的角度出发 离线式u p s 应该指不直接由交流电网供电 但 是图2 2 的实际情况是由交流电网直接给负载供电 逆变器与交流电网并联 只有当电 网供电质量较差或故障时才由逆变器给负载供电 由此可见 离线式u p s 实际上是指 逆变器离线 由交流电网直接给负载供电 而不是指由逆变器直接给负载供电 随着各种新技术在u p s 领域中的应用 情况变得更加复杂 出现了逆变器可逆运 行的在线互动式 l i n e i n t e r a c t i v e u p s 以上三种类型的u p s 结构 产品的命名比较模 糊 容易混淆 这纵容了一些高度可疑的商业行为 有时还涉及彻底的商业欺骗 完全 与消费者和生产商的兴趣背道而驰 为此 国际电工委员会i e c 成立了一个工作组来拟 定对不同种类的u p s 定义及其性能测试方法的标准草案 于t 9 9 9 年2 月发布了 i e c 6 2 0 4 0 3 欧洲标准化委员会c e n e l e e 采纳了i e c 标准作为e n v 5 0 0 0 9 1 3 4 8 1 在i e c 6 2 0 4 0 3 和e n v 5 0 0 0 9 1 3 中定义了3 种类型的u p s 结构 4 7 1 即无源备用式 p a s s i v e s t a n d b y 电网互动式 l i n e i n t e r a c t i v e 和双变换式 d o u b l e c o n v e r s i o n u p s 这些命名是指u p s 相对于电网 即u p s 所接的配电系统 的运行情况 无源备用式u p s 的基本工作原理如图2 3 所示 逆变器作为电网的后备与交流电网 并联连接 标准对这种u p s 定义了两种工作模式 正常模式 o r m a lm o d e 和储能模式 s t o r e d e n e r g y m o d e 正常模式下 由交流电网通过u p s 开关 滤波器 调节器 给负 载供电 其中滤波器 调节器 不仅能消除某些干扰 而且还能提供电压调整 标准中 并没有提到这个滤波器 而只是简单地说是u p s 开关 但标准中确实规定了可以通过 附加铁氧体变压器 自动抽头改变型变压器等器件来调节功率 此时逆变器就不再是无 源备用的了 而在储能模式下 当交流输入电压超过了容差 或者供电失败时 由电池 逆变器在不大于1 0 r e s 的转换时间内 通过u p s 开关给负载供电 这种u p s 在储能模 式下始终由电池提供能量 直到交流电网正常时才切回到正常模式 无源备用式u p s 的优点是设计简单 造价低 体积小 它的缺点是负载和配电系 统之间缺乏真正的电气隔离 不能调节输出电压和输出频率 它们与交流电网有关 一一1i 谣黼 焉器 v 蓄电池i 谪苇磊 圈2 3 无源备用式u p s 的基本结构 以及切换时间长 因为缺少真正的静 态开关 对于诸如单台计算机等某些 应用场合 其切换时间尚可接受 但 对诸如大型计算中心和程控交换机等 复杂的敏感性负载而言 这种性能水 平就不能满足要求 无源备用式u p s 是一种在抗干扰保护水乎和造价之间 进行折衷的妥协方案 它实际上就是 华中科技大学硕士学位论文 图2 4 电网互动式u p s 的结构 过去的离线式u p s 尽管标准并不建议用离线式这 个名词 因为无源备用式能更加精确地刻画这种 u p s 的工作原理 这种u p s 的固有缺点限制了它只 能在小于2 k v a 的容量范围内使用 另外 它也不 能用作变频器 电网互动式u p s 如图2 4 所示 其中逆变器并 联连接 作为电网供电的后备 并且逆变器通过其 可逆运行与电网互相作用 它同时还给电池充电 这种u p s 定义了三种工作模式 正常 储能和旁路 b y p a s s 在正常模式下 交流电网电压经逆变器 调整后给负载供电 逆变器还同时给电池充电 逆变器的输出频率与交流电网频率有关 而在储能模式下 当交流输入电压质量很差 或者电网供电中断时 由电池 逆变器给 负载供电 同时静态开关断开 防止逆变器给交流电网馈电 这种u p s 在储能模式下 始终由电池提供能量 直到交流电网正常时才切回到正常模式 在这种u p s 内部可以 设计 个维修旁路开关 当u p s 故障时 允许把负载切换到由旁路电网供电 此时u p s 工作在旁路模式 在相同的功率等级下 电网互动式u p s 的造价比双变换式u p s 的低 这是其优点 但是 电网互动式u p s 缺乏负载和配电系统之间的有效电气隔离 对电压尖冲和过压 的保护差 非线f 生负载时u p s 效率低 不能调节输出频率 另外 由于逆变器不是与 电网串联连接 u p s 输出电压调整能力有限 与逆变器的可逆运行范围有关 电网互动 蓄电池 国2 5 般变换式u p s 的基本结构 式u p s 的内在缺点使它很难适用于中等功 率和大功率敏感性负载 电网互动式岜称 为在线互动式 一般来说 其应用局限在 小功率场合 图2 5 给出了双变换式u p s 的基本结 构 逆变器在交流电网和负载之间串联连 接 交流电网经过整流器 逆变器后给负 载供电 标准中同样定义了这种u p s 的三 种工作模式 正常 储能和旁路 在正常 模式下 交流电网通过交流一直流一交流 两级变换后再给负载供电 这也是双变换 名称的由来 在储能模式下 当交流输入 电压质量很差 或者供电故障时 由电池 逆变器给负载供电 这种u p s 在储能模式 下始终由电池提供能量 直到交流电网正常时才切回到正常模式 双变换式u p s 通常 华中科技大学硕士学位论文 配备静态开关 当u p s 内部故障 过载或者进行电池维护时 允许切换到旁路交流电 网绘负载供电 旁路的存在必须保证输入 输出的电压 频率相等 如果输入 输出电 压不相等 必须在旁路中安装适配变压器 u p s 和旁路交流电网始终保持同步以保证负 载切换时不捧电 双变换式u p s 有诸多好处 例如 无论是由交流电网还是由电池供电 逆变器都 能给负载提供持续的保护 负载和配电系统之间能有效地隔离 消除了配电电压波动 如 电压尖冲和过压 对负载的影响fu p s 输入电压范围宽 能精密地控制u p s 输出电压 和频率 适当配置后 可以作为变频器工作 稳态 暂态性能优越 在三种工作模式之 间的切换时间最短 有手动旁路开关 维护方便等等 但是 双变换式u p s 的致命缺 陷是其相对高昂的造价和比较低的效率 与其它类型的u p s 相比 它的效率一般要低 几个百分点 双变换式u p s 实质上就是以前的在线式u p s 但是标准中并不推荐使用 在线式这个名词 因为双变换式的名称能更精确地刻画这种u p s 的工作原理 迄今为 止 在大于1 0 k v a 的应用场合 大都采用了双变换式u p s 2 3 三相串 并联补偿型u p s f 旧h 1 8 f 一般而言 理想的u p s 应该具备以下基本特性 首先 u p s 在正常和储能工作模 式下 即使是非线性负载 u p s 输出电压都应该可控 正弦 t h d 值小 其次 u p s 在正常工作模式下 无论负载线性与否 功率因数多大 无论交流电网侧是否存在电压 谐波 l i p s 输入电流都应该正弦 总谐波畸变率小 并且保持单位功率因数 最后 u p s 在各种工作模式之间的切换时间应该尽可能短 保证对负载供电的连续性 按照以上三条标准来衡量前述三种类型的u p s 可以看到 经典的无源备用式u p s 在正常模式下输出电压不可控 输入电流与负载的性质有关 并不能保证功率因数为l 模式切换时间最长 而经典的电网互动式u p s 在正常模式下输出电压的调节范围有限 输入电流同样与负载的性质有关 也不能保证单位功率因数 模式切换时间较短 经典 的双变换式u p s 在正常模式下虽然能保证输出电压的波形质量 模式切换时间最少 但是前级整流器通常采用6 脉冲 1 2 脉冲等相控整流器 输入电流畸变严重 不仅严重 影响在公共稻合点上其它设备的正常工作 而且还会使交流电网电压畸变 甚至危害到 自身的正常运行 另外 双变换式u p s 造价最贵 因为正常工作时蔚级整流器既要通 过逆变器给负载供电 又要给电池充电 整流器的容量在系统中最高 而在储能模式下 容量最高的整流器并不工作 也就是说双变换式u p s 中容量最高的部分仅仅参与给电 池充电和调节输入电流 性价比不高 尤其不能忍受的是双变换式u p s 的效率问题 由于u p s 输出的所有功率都经过了两级变换 即使每个变换器的效率都是9 5 整个 u p s 系统的效率也只有9 0 比无源备用式和电网互动式u p s 的效率都要低 基于以上种种原因 尽管有三种成熟的u p s 系统方案可用 但还是有越来越多的 华中科技大学硕士学位论文 中只是增加了一个输入静态开关 图2 7 中还给出了交流电网的等效内部电感厶 串联 并联交流器交流侧的滤波电 感 电容 l c l 2 c 2 线性负载上 胄 以及阻感性不控整流桥等非线性负载 作 为一种初步的实验架构 在实验中并没有设计输入静态开关 旁路静态开关以及旁路维 修开关 无法研究这种l i p s 系统在各种模式下的切换时间 但在交流电网的公共耦合 点处有意识地挂接了不控整流桥非线性负载 来模拟交流电网存在电压谐波的情况 另 外 由于电池数量不够 中间直流电压不高 无法在额定电网电压3 8 0 2 2 0 v r m 下完成 实验 图中的交流电网实际上是通过了一个自耦调压器再接到三相串 并联补偿型u p s 无疑这又会增加交流电网侧的内部阻抗 尽管如此 利用以上实验样机还是能够对这种 u p s 系统的工作原理 基本特性以及控制策略进行比较详细的研究 所得的仿真和实验 结果完全真实 可信 图2 7 三相三相制双变流器串并联补偿式u p s 电路 2 4 三相串一并联补偿型u p s 的补偿功能 2 4 1 串 并联补偿变流器的基波电压和无功电流补偿 在图2 7 所示串并联补偿型u p s 中 l i p s 的输入输出刻画如下 i 市电电压 中除基波电压阢 外 还含有谐波电压 以 阢一u h 且基波电 压高于或低于负载额定电压巩 即u u l 2 负载为非线性负载 负载电流屯中除基波电流 包括有功电流 和无功电流 2 华中科技大学硕士学位论文 外 还含有谐波电流也 即妒妒 采用串并联补偿型u p s 补偿后的市电输入电流和负载电压应实现 1 市电输入电流厶为与钛j 同相的正弦电流 电源供电功率因数为1 2 负载电压觇为基波正弦电压 且与负载额定电压值相等 与 同相 所以串联变流器需要补偿部分基波电压和全部谐波电压 并蹉变流器需要补偿部分 基波电流和全部谐波电流 假设串联变压器及线路等效电抗为噩 则串并联补偿型u p s 系统市电基波电压补偿及负载基波电流补偿示意图分别如图3 3 8 和图3 3 9 j 好i l u i u 图2 9 过压时 市电基波电压及负载基波电流补偿示意图 当市电电压高于负载电压 过压 时 串联交流器从电网吸收有功功率 并联变流器 输出有功功率以维持功率平衡 并联变流器依然补偿负载所需的无功功率 串联变流器 输出电压的基波 u 为左正右负 使市电基波电压降压压后输出 使负载端在过压时也 能得到额定基波电压 串联变流器输出电压的谐波电压与市电谐波电压大小相等 方向 相反 完全补偿电压谐波 使有市电输入电压谐波情况下 负载端电压也不含谐波 各 物理量关系满足下式 毪产 瓷如 a u c o s s 1 2 u l 一吼 2 2 毒 半 皖叫小t l q l q 当市电正常时 理想情况下 串跃变流器不动作 但并联变流器依然工作 以补偿 负载无功电流及谐波电流 一般变压器漏抗压降仅3 5 串联变压器 变流器 的额定电压和额定功率仅为 1 5 负载额定值 串联变压器折算至电网负载额定电压的等值电抗压降标幺值小于 o 0 0 7 5 因此在图2 8 和图2 9 中 可以近似认为6 等于o o 欠压 或1 8 0 0 过压 也就是 说厶 仉 觇 u 同相或反相 其矢量在一条直线上 2 4 2 串并联补偿型u p s 的功率流向分析 串并联补偿型u p s 能够补偿市电电压和负载电流 在系统成功启动后 如果市电电 压在额定值士1 5 内波动 并不掉电 则可以撤掉直流侧蓄电池 因为依靠系统自身调 节 在稳态 系统能保持输入输出功率平衡 图2 1 0 为系统在市电正常 欠压和过压 等情况下有功功率流向图 图2 1 0 a 为u u o u a c 一 c o n s l 即市电理想 蓄电池不需充电时的功率流向图 4 华中科技大学硕士学位论文 此对串联变流器和并联变流器都既不输出 也不吸收功率 但是并联变流器还是在瞬时 补偿负载无功电流和谐波电流 瞬时输出功率并不为零 串并联变流器输入 或输出 净 有功功率为零 达到功率平衡 图2 1 0 b 为u u o 么 c o n s t 即市电电压过低 蓄电池不需充电时的功率流 向图 此时串联交流器向交流市电注入有功功率 并联变流器通过吸收一部分市电有功 电流而从交流市电吸收部分有功功率 供串联变流器使用 并联变流器还耍进行负载无 功电流和谐波电流的瞬时补偿 串并联变流器输入 或输出 净有功功率为零 达到功率 平衡 图2 1 0 c 为 户u o 么 c o r l s t 即市电电压过高 蓄电池不需充电时的功率流 向图 此时串联变流器向交流市电吸收有功功率 供并联变流器使用 并联变流器通过 注入一部分有功电流而向交流市电发送部分有功功率 并联交流器还要进行负载无功电 流和谐波电流的瞬时补偿 串并联变流器输入 或输出 净有功功率为零 达到功率平衡 图2 1 0 d 为l k u o u d c c o n s t 即市电理想 蓄电池需要充电时的功率流向图 此时串联变流器检测到直流电压过低 发出指令 增大市电输入电流 由串联变流器给 蓄电池充电 它叠加在其它三种情况之中 因为蓄电池不可能为理想蓄电池 需要对其 浮充电 补偿蓄电池自放电产生的能力损失 串联变流器 t 并联变流器 a 串鞋变流嚣 t 并联斐潍器 f b 串联变流嚣t并联变流器串联变流嚣t井联变流器 c d 图2 1 0 双变流器能量流动示意图 在蓄电池不需要充电的时候 不管市电电压大小如何 市电输入功率总是等于负载 吸收的功率 在蓄电池需要充电的时候 市电输入功率等于负载吸收的功率与蓄电池充 电功率之和 i 团 r 一 越业 垩草萋蓖 华中科技大学硕士学位论文 3 1 双变流器串并联补偿式u p s 电路结构 三相双变流器串并联补偿式u p s 电路基础是双变流器串并联结构 主要包括串联变 流器 并联变流器 串联变压器 并联变压器 也可以无 及相应的输入输出开关等部 件 其电路形式因变压器的不同及中线处理方式的区别而有异 变压器可以是单独的三 个单相变压器也可以是同一铁心的三相变压器 可以是y 接法也可以是y y 接法 系统可以是三线制 也可以是带中线的四线制 下面给出了两种典型的电路结构 1 三相三线制双变流器串并联补偿式u p s 电路 图3 1 三相三相制双变流器串并联补偿式u p s 电路 上图中 串联变流器i 通过 个y y 接法的三相变压器串联接入电网 并联变流器 i i 则经过a y 接法的并联变压器并接在负载端 两变流器通过中间直流电容c 共直流母 线 电池组 并接在赢流电容两端 本项目研究基于此三相三相制的电路结构 3 2 双变流器串并联补偿式u p s 数学模型 1 串联变流器 根据图3 1 电路 单独考虑串联变流器及电网部分 如图3 2 所示 童流母线电容 等效为两个电容c 的串联 电池组考虑了其内阻如 串联变压器为y y 接法 各变量 如图3 2 所示 定义串联变流器电压开关函数如下 华中科技大学硕士学位论文 s 1圭塞量孽 篡董要 嘣j 鲥 b c 三个桥臂 l 一1 下管导通 上管关断 一 1 由图3 2 得 0 5 u 出s 灿 3 1 1 日 0 5 u 出s 蛐8 3 2 1 c o 5 出最啦 3 3 t 图3 0 串联变流器电路 忽珞电网线路电感及串联变压器漏感 串联变压器原方 m 侧 电压为 沪熹娟 等 z 1 b i g l b h n 瓮x u a c i l c 3 4 3 5 3 6 由于滤波电容c 很小 其分流电流也很小 可以忽略不计 对串联变流器可以得到 以下描述方程 式中考虑了电感上 的电阻值r 厶警帆1 f l q 3 7 华中科技大学硕士学位论文 z c a2 3 8 3 9 考虑三相三线制 有i l i f l c 0 得 m m 一 d a n f u b n 2 c n 3 i o 由