電力系統(tǒng)中三相UPS的設(shè)計(jì)

1引言

在電力系統(tǒng)中，為了保證對供電可靠性要求較高的重要設(shè)備能正常工作，發(fā)電廠、變電站均應(yīng)安裝UPS。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對容量要求也越來越大，大容量的UPS都是三相的[1],因此對三相UPS的需求也逐漸增多。

發(fā)電廠、變電站都有直流操作電源系統(tǒng)，為了充分利用直流操作系統(tǒng)中蓄電池所存儲(chǔ)的能量，用于電力系統(tǒng)的UPS應(yīng)該保證能夠在直流220V/110V輸入情況下輸出所需交流電能，這就要求用于電力系統(tǒng)的UPS有很寬的電壓輸入范圍，一般為100V～300V。

在電力系統(tǒng)中，通常要求交、直流供電系統(tǒng)能保證良好的隔離，因此要求UPS系統(tǒng)帶輸出隔離變壓器。因?yàn)橹绷髂妇€的220V輸入電壓經(jīng)SPWM逆變器后不能得到220V的交流輸出，所以采用輸出隔離工頻變壓器進(jìn)行升壓后再輸出。

此外，電力系統(tǒng)發(fā)電廠、變電站內(nèi)向外發(fā)送電磁干擾的噪聲源較多。由于電動(dòng)機(jī)、繼電器、輸配電線等都可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，所以要求用于電力系統(tǒng)的UPS具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與一般的UPS不同的是，用于電力系統(tǒng)的UPS內(nèi)不再含有電池，從直流母線輸入220V/110V電壓。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入接直流母線和三相四線380V市電，輸出為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的三相380V正弦交流。用于電力系統(tǒng)的三相UPS主電路包括：整流器、起動(dòng)電路、三相逆變器、三相隔離變壓器、靜態(tài)開關(guān)和濾波器等。

整流器將三相交流市電轉(zhuǎn)換為直流電壓，起動(dòng)電路對直流上電過程進(jìn)行限流，防止起動(dòng)過程的大電流沖擊損壞器件；三相逆變器把直流輸入變換為穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的三相正弦交流輸出；三相逆變器的輸出經(jīng)三相隔離變壓器升壓，并通過LC低通濾波器進(jìn)行平滑濾波，濾除高頻諧波，然后經(jīng)靜態(tài)開關(guān)接到輸出。三相隔離變壓器有兩個(gè)作用：一是升壓，將三相逆變器輸出的相電壓由110V變換為220V。二是隔離，將逆變器與負(fù)載隔離，這可以對負(fù)載變化起到緩沖作用，也使負(fù)載上無直流電流分量；靜態(tài)開關(guān)用以實(shí)現(xiàn)市電旁路輸出和逆變器輸出之間的切換；輸入輸出端的EMI濾波器用于抑制電磁干擾信號，具雙向隔離作用。

2.1三相SPWM逆變器

圖1主電路結(jié)構(gòu)圖

圖2經(jīng)典的三相逆變器主電路

圖3適應(yīng)三相不平衡負(fù)載的三相逆變器

圖4靜態(tài)開關(guān)的連接 

三相PWM逆變器是要把直流輸入變換為三相正弦交流輸出，許多實(shí)際裝置中通常采用經(jīng)典的三相逆變器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這是由三個(gè)基本橋臂組成的三相橋式逆變器，其控制方式一般采用雙極性方式，A、B、C相通常公用一個(gè)三角載波，三相調(diào)制信號依次相差120°，各相功率開關(guān)的控制規(guī)律相同。

對于三相輸出的逆變器，三相負(fù)載的平衡是一個(gè)必須考慮的重要問題，目前性能較好的大中型UPS都要求具備三相100％不平衡的功能[2]。為了適應(yīng)三相負(fù)載不平衡的需要，三相逆變器最好采用三個(gè)單相橋分別變換，然后再把輸出按120°的相位差組合起來的方式，如圖3所示，每相各有一個(gè)單相橋式逆變器（圖3中的逆變器1～3），每個(gè)單相橋式逆變器需用四個(gè)開關(guān)管。因此總共需要12個(gè)開關(guān)器件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。帶來的好處是：三個(gè)單相逆變器獨(dú)立工作，其輸出互不影響，實(shí)際上三個(gè)單相逆變器并聯(lián)，只是相位不同。這樣可以允許三相負(fù)載100％不平衡，三相嚴(yán)重不平衡也不會(huì)對任一逆變器輸入產(chǎn)生影響。

本設(shè)計(jì)中選用圖3所示電路，三相各有一套獨(dú)立的SPWM波形產(chǎn)生電路，三相共用同一個(gè)來自市電的時(shí)鐘基準(zhǔn)信號AC50Hz，各相波形產(chǎn)生電路的EPROM中存放的正弦波數(shù)據(jù)相位上互差120°，從而保證得到三相同步正弦波控制信號。

圖3中各相逆變器結(jié)構(gòu)相同，為全橋逆變電路。采用高頻SPWM技術(shù)，功率開關(guān)管選用IGBT,開關(guān)頻率為30kHz。通過正弦波控制信號與三角波比較的方法，得到基波為50Hz的SPWM波，再經(jīng)濾波器濾除高頻，可輸出低失真的50Hz正弦波。

2.2靜態(tài)開關(guān)切換電路

靜態(tài)開關(guān)的作用是：當(dāng)市電正常時(shí)，將市電直接送到輸出端給負(fù)載供電；當(dāng)電網(wǎng)電壓異常時(shí)，轉(zhuǎn)由逆變器向負(fù)載供電。靜態(tài)開關(guān)是保證不間斷供電的關(guān)鍵，要求它工作可靠，不會(huì)在切換過程中造成逆變器和市電之間出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。目前常用交流固態(tài)繼電器(SSR)作為靜態(tài)開關(guān)進(jìn)行切換。它具有切換速度快、便于控制、可直接與計(jì)算機(jī)接口的優(yōu)點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)用三相UPS，選用固態(tài)繼電器通過邏輯控制實(shí)現(xiàn)切換，可滿足UPS快速、可靠切換的要求。

市電旁路通過固態(tài)繼電器與負(fù)載相連,逆變器輸出通過固態(tài)繼電器與交流接觸器的并聯(lián)接到負(fù)載。市電中線、逆變器中線和負(fù)載中線直接連接在一起。

如圖4所示,控制邏輯如下：

（1）市電切換到逆變器首先關(guān)斷市電旁路的固態(tài)繼電器，待該固態(tài)繼電器電流過零可靠關(guān)斷后，再開通逆變器支路的固態(tài)繼電器，并同時(shí)發(fā)出合交流接觸器的指令,因?yàn)楣虘B(tài)繼電器比交流接觸器的動(dòng)作速度快,所以固態(tài)繼電器接通一段時(shí)間后,交流接觸器閉合，將固態(tài)繼電器短接。這樣可提高開關(guān)器件的工作可靠性，并減少損耗。

（2）逆變器切換到市電

①若逆變器故障，首先將逆變器停機(jī)，然后關(guān)斷逆變器支路的固態(tài)繼電器和交流接觸器，同時(shí)將市電旁路的固態(tài)繼電器接通。故障消除后，視具體情況自動(dòng)開啟逆變器。

圖5交流濾波電路

圖6逆變器控制電路框圖

②若逆變器正常，首先斷開逆變器支路的交流接觸器，交流接觸器可靠斷開后，再關(guān)斷逆變器支路的固態(tài)繼電器，待該固態(tài)繼電器電流過零可靠關(guān)斷后，再開啟市電旁路的固態(tài)繼電器。 

2.3交流濾波電路[3][4]

高頻SPWM逆變器的輸出是等幅不等寬的一系列矩形波脈沖，其脈寬按正弦規(guī)律變化。開關(guān)器件的轉(zhuǎn)換頻率等于三角波載波的頻率。為了濾除高頻分量，得到低失真的正弦波輸出，可采用圖5所示的低通濾波電路。電路中起主要濾波作用的是變壓器原邊所接的電感L1、L2和變壓器副邊的電容C，一般常用的交流濾波電路中沒有與電容C串聯(lián)的電阻R，在這種情況下，電感、電容的參數(shù)是由濾波器的諧振頻率ωn決定的，ωn=

其中變壓器的變比n=1/2，通常取ωn≤0.1×2π×f1（f1是逆變器的開關(guān)頻率），這樣可以算出LC的乘積。L、C值的選擇不僅要滿足濾波要求，還要考慮到整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及系統(tǒng)閉環(huán)零極點(diǎn)配置。試驗(yàn)觀察到，電容C串聯(lián)了合適的電阻R后，可以使濾波效果更好。

2.4EMI濾波器

在各類電源的設(shè)計(jì)中，干擾是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，UPS也不例外。隨著功率電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，UPS已逐漸成為電力與電子、強(qiáng)電與弱電系統(tǒng)融為一體的設(shè)備，因此電磁干擾的問題也越來越復(fù)雜。電網(wǎng)中的諧波可能會(huì)對逆變器的工作或切換過程帶來干擾，高頻PWM變換器產(chǎn)生的射頻干擾也會(huì)對用電設(shè)備和電網(wǎng)帶來干擾。

EMI濾波器的主要作用是減小沿交流電網(wǎng)的電源線傳導(dǎo)的電磁干擾，抑制電網(wǎng)紋波對UPS的影響。濾波器大都采用LC濾波電路，為了使得濾除電磁干擾的效果更好，可采用兩級LC濾波器。實(shí)際中，常采用三相EMI濾波器模塊。目前EMI濾波器普遍采用模塊化結(jié)構(gòu)，安裝、更換方便，成為一種可更換的標(biāo)準(zhǔn)化電子部件。

輸出濾波器對UPS內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行衰減，防止對輸出端其他設(shè)備可能造成的危害。通常采用三相交流EMI濾波器作為輸出端的濾波器。另外，為了減小直流電源與逆變器之間的電磁干擾，一般在直流電源輸入端也接入直流EMI濾波器。

3控制電路

用于電力系統(tǒng)的三相UPS核心是三相逆變器，其控制電路主要是對三相逆變器工作狀態(tài)的控制，主要包括模擬控制電路和數(shù)字監(jiān)控電路兩部分。模擬控制電路的作用是產(chǎn)生SPWM波、對電壓電流引入反饋調(diào)節(jié)以保證輸出電壓穩(wěn)定且波形失真小、減小輸出電壓中的直流分量、實(shí)現(xiàn)鎖相同步等。數(shù)字監(jiān)控電路檢測整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)、處理各種故障、控制靜態(tài)開關(guān)的切換等。

3.1正弦波控制信號和三角波載波的產(chǎn)生

SPWM逆變器的作用是把直流電變?yōu)榈确坏葘挼木匦尾ǎ浠?0Hz正弦波。通常采用基準(zhǔn)正弦波與三角波比較的方法產(chǎn)生PWM控制信號。本設(shè)計(jì)中，為了產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、失真度小、幅度可調(diào)的正弦波控制信號，把正弦波數(shù)據(jù)存放在EPROM中，通過D/A轉(zhuǎn)換即可得到正弦波控制信號。三角波發(fā)生器采用單片函數(shù)發(fā)生器集成芯片ICL8038，該芯片只要外接少量元器件就能產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、輸出波形失真小的三角波。

3.2對三相SPWM逆變器的控制

如圖6所示，通過電壓、電流霍爾元件對輸出電壓、電流取樣，形成反饋信號，反饋電壓與給定電壓相減形成偏差電壓，送到正弦波發(fā)生器輸出端所接D/A轉(zhuǎn)換器0832的VREF端，這相當(dāng)于偏差電壓與正弦波控制信號相乘，相乘的結(jié)果與瞬時(shí)值電壓反饋、抗偏磁反饋信號相減后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器再與三角波比較得到PWM波，這個(gè)PWM波再經(jīng)死區(qū)形成電路，就產(chǎn)生了兩路互補(bǔ)、留有一定死區(qū)的PWM控制信號。

圖7數(shù)字監(jiān)控電路框圖

為了使得切換過程中不出現(xiàn)環(huán)流或負(fù)載斷電，采用同步鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)UPS和電網(wǎng)電壓的同頻同相。本設(shè)計(jì)中選用單片集成數(shù)字鎖相環(huán)芯片CD4046實(shí)現(xiàn)同步鎖相。

3.3數(shù)字監(jiān)控電路[4]

監(jiān)控電路是以89C52單片機(jī)為核心的數(shù)字系統(tǒng)，主要由單片機(jī)、鍵盤、輸入輸出接口、看門狗電路、通信接口等組成，電路框圖如圖7所示。

設(shè)置三個(gè)按鍵：起動(dòng)/復(fù)位鍵（RESET）、停機(jī)鍵（STOP）和方式鍵（MOD）。各個(gè)按鍵的狀態(tài)被檢測后送入單片機(jī)，根據(jù)實(shí)際要求決定對逆變器及系統(tǒng)的控制。輸入接口電路還對整個(gè)系統(tǒng)的工作狀況和故障進(jìn)行監(jiān)測并輸入單片機(jī)，由單片機(jī)輸出相應(yīng)的控制及報(bào)警信號。

看門狗電路采用MAX813，對單片機(jī)進(jìn)行上電復(fù)位和定時(shí)復(fù)位，以防止軟件運(yùn)行失控。用單片機(jī)的一個(gè)I/O口（P1.0）對定時(shí)器進(jìn)行清零，當(dāng)程序在執(zhí)行過程中跳飛或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，程序不能在定時(shí)溢出前對其進(jìn)行清零，就會(huì)使MAX813定時(shí)溢出而產(chǎn)生復(fù)位信號，使單片機(jī)重新起動(dòng)。

通信接口選用MAX1483芯片，將串行口信號由TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，形成半雙工的RS485通信接口。

在切換過程中，由主電路中的霍爾元件實(shí)時(shí)檢測輸出電流的過零點(diǎn)，給一組固態(tài)繼電器發(fā)關(guān)斷信號后，當(dāng)輸出電流出現(xiàn)過零時(shí)，才能給另一組固態(tài)繼電器發(fā)開通信號。這樣可減少切換時(shí)間，保證可靠切換。

4結(jié)語

本文分析了電力系統(tǒng)對三相UPS的要求，提出了電力系統(tǒng)用三相UPS的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用高頻SPWM技術(shù)，開關(guān)器件選用IGBT，主電路中采用工頻變壓器隔離，由三個(gè)獨(dú)立的單相逆變器組成三相逆變器，電壓瞬時(shí)值和電壓有效值雙閉環(huán)控制，采用霍爾元件檢測主電路電壓、電流，單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)及故障，固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)切換。該系統(tǒng)輸出波形質(zhì)量好，可以適應(yīng)100％不平衡負(fù)載，工作可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，完全可以滿足發(fā)電廠、變電站等電力部門的需要。