用户电能质量综合补偿器与在线UPS工作原理
用户电能质量综合补偿器与在线ups工作原理
摘要：叙述了用户电力质量综合补偿器（custompower）与在线ups的基本工作原理与方法。
关键词：用户电力质量综合补偿器；逆变器；不间断电源
1 引言
由于市电和负载的复杂性，例如电网容量不足，输变电和各种配电设备的性能和质量问题，各用电设备配置的不合理，或相互之间的影响，电力电子变流器的广泛应用与各类非线性负载的增加，自然界的雷击、地电及人为因素的影响等，使市电电压不稳定，并含有谐波，电能质量不断恶化。这将会使一些对电能质量敏感的重要负载性能降低，寿命缩短，甚至造成很大的经济损失。据有关部门统计，在有代表性的场合，计算机遭受来自市电的干扰值在数十伏的每天有上百次。计算机故障的50％～70％是由电源故障造成的。因此，对电能质量的综合补偿和采用补偿式在线ups就显得越来越重要了。
用户电能质量综合补偿器和补偿式在线ups的电路是相同的，在直流电路中并入蓄电池就是ups，不并入蓄电池就是综合补偿器，其原理框图如图1所示。它是由两个互为电源的双向全桥逆变器构成的一种串并联电路结构。通过变压器tr次级串入电路的逆变器ⅰ，是市电的稳压滤波器，其主要作用是对市电输入电压进行稳压和滤波；通过电感l并入电路的逆变器ⅱ，是电流无功补偿滤波器，其主要作用是补偿负载需要的无功电流，并滤除非线性负载产生的谐波电流。当作为补偿式在线ups应用时，逆变器ⅰ输出有功功率，逆变器ⅱ输出无功功率。
图1 电能质量综合补偿与补偿式在线ups电路框图
2 市电稳压滤波器
对市电输入电压进行稳压和滤波的稳压滤波器电路如图2所示。它是由高频全桥spwm式双向逆变器构成的。逆变器的输出电压uab通过变比为k的输出变压器tr变成补偿电压uac在tr次级输出，tr的次级串联在主电路中，以对市电电压的大小变化和谐波进行补偿，保持输出电压ual为稳定的正弦波电压。uar为与市电同步的给定正弦基准电压，完全补偿后ual=uar。lfcf为低通滤波器，以滤掉市电ua中和补偿电压uac中的高次谐波。由tr次级短路阻抗、lf及市电电源内阻组成的线路阻抗为z，电压降低为zia，ia为市电输入电流。由图2主电路可知，当实现完全补偿时：
ual=ua－zia－uac=uar（1）
uac=ua－zia－uar（2）
图2 市电稳压滤波器原理电路
令=ua－zia－uar为全桥spwm逆变器的调制电压，控制电路框图如图3（a）所示，图3（b）为波形图。当用=ua－zia－uar作为调制波时，可以使补偿电压uac=ua－zia－uar实现完全补偿。假定逆变器直流电源电压为udc，载波三角波的频率为fc，电压幅值为uc，市电频率为fa，则
调制比：m=（3）
(a) 控制电路框图
(b) spwm波形图
图3 控制电路原理框图与波形图
载波比：n=fc/fa（4）
式（3）中ua、ia、uar为ua、ia、uar的有效值。
当市电电压含有谐波时，即
ua=ua1sinωt＋uansinnωt（5）
而且ua1=ua1sinωt≠uar=uarsinωt
式中下注脚“1”表示基波，“n”表示谐波次数。
此时，调制比m的值为
m==＋=m1＋mn（6）
m1=；mn=（7）
按照文献[1]的方法，推导出补偿电压uac的双重傅里叶级数表示式为uac=kuab=k(ua－ub)，经推导并考虑到滤波器lfcf的作用，可得
uac=km1udc·sinωt＋kmnudc·sinnωt（8）
由于图1中逆变器ⅱ的无功补偿和滤波作用的存在，ia=ia·sinωt，将式（5）、式（8）及ia的值代入式（1）得
ual=ua－zia－uac
ual=ua1·sinωt＋uan·sinnωt－zia·sinωt－km1udc·sinωt－kmnudc·sinnωt(9)
令变比k=uc/udc，将k值及式（7）中的m1和mn的值代入式（9），当ua1>uar时m1=正值。
ual=ua1·sinωt＋uan·sinnωt－zia·sinωt·－(ua1－zia－uar)·
sinωt－uan·sinnωt=uar·sinωt(10)
当ua1uar是负补偿ua－uac；当uauar部分是负补偿，ua
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