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用户电能质量综合补偿器与在线UPS工作原理

发布时间:2020-07-21 18:12:33 阅读: 来源:钢套钢保温管厂家

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。

本文引用地址: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时,M1=负值,也可以得到式(10)结果。所以式(10)说明:当用瞬时值=ua-Zia-uar作调制波时,可以使SPWM全桥逆变器通过变压器Tr的输出电压uac,完全补偿市电电压的大小变化和谐波。保持加在负载上的电压uaL=uar为稳定的正弦波电压。

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是正补偿ua+uac。当市电电压含有谐波时,ua>uar部分是负补偿,uauar部分是正补偿,补偿示意图如图4所示。补偿谐波的关键是采用高频SPWM全桥逆变器和瞬时值检测。逆变器的载波比N=fc/fa越大,补偿效果越好。

图4 对市电电压补偿的物理示意图

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