用户电能质量综合补偿器与在线UPS工作原理(1)

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

(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

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ua1

2.1 补偿的物理说明

从物理上看，由于控制电路采用的是=ua-Zia-uar作为调制波进行的补偿，当市电电压ua为正弦波时，ua>uar是负补偿ua-uac;当uauar部分是负补偿，ua

图4 对市电电压补偿的物理示意图