一种不间断电源的功率补偿系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种不间断电源供电及电能质量控制的技术领域，具体的来说，是一 种不间断电源的功率补偿系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，不间断电源及以它为核心的供电系统被设置在市电电网与负载设备之 间，改善对负载的供电质量，并在市电故障时，保证负载设备的正常运行。而同时，随着各种 电力电子设备的大范围普及使用，给电网也带来严重的谐波污染。尤其是以变频器、不间断 电源和通讯开关电源为代表的装置发展迅速，它们都是电压型谐波源。而各种复杂的、精密 的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。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，因此，如何使用不间断电源使得其能够作为应急电源并同时能够解决电能质 量问题成为了亟待解决的问题。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的不足，本发明提出一种不间断电源的功率补偿系统及控制方 法，其中不间断电源的功率补偿系统的组成包括以下几个部分：
[0004] (1)交流电网：额定电压为220V，频率为50Hz，电压在士 15%范围内波动，可能含 有谐波，也有可能是三相不对称输入。
[0005] (2)串联变压器Ts:为三相变压器，或三个相互独立的单相变压器组合在一起，串 接在交流电网和负载之间。
[0006] (3)串联变换器：该变换器对市电电压的波动、电压谐波和不对称度、市电输入电 流中的无功分量、谐波分量以及由不对称负载引起的基波不对称电流进行补偿。它是通过 输出滤波电感L 1，串联变压器Ts与电网串接，电路结构为三相半桥电路，控制方式是采用高 频率的PffM技术，并且可以双向在四象限进行工作。
[0007] (4)并联变换器：电路结构为三相半桥电路，控制方式采用高频率的PffM技术，并 且可以在双向在四象限进行工作。保证负载上的三相电压为三相对称稳定的正弦波电压， 并向负载提供无功电流、谐波电流和基波不对称电流，当市电断电时想负载继续供电。该变 换器经输出滤波电感L 2，滤波电容(：2与负载端并接。
[0008] (5)直流母线电容Q1和C ^:两个电容串联之后，在两个变换器的直流公共端进 灯并接。
[0009] (6)直流母线电池组Vd。:由若干个容量相同的电池串联连接组成，在两个变流器 的直流公共端进行并接，当市电断电时，作为备用电源，保证向负载的持续供电。
[0010] (7)主静态开关、旁路静态开关：其组成部分是两个反并联的晶闸管组，通过切换 来保证市电向负载的正常供电。
[0011] (8)负载：包括线性负载和非线性负载等。
[0012] (9)采样控制单元：包括电压、电流互感器及A/D转换接口，其中A/D转换接口将 一些电压、电流等模拟信号转换为数字信号，以便控制单元对其分析:A/D转换接口将5路 模拟输入信号送入DSP，其中：
[0013] ADl :通过所选择的电流互感器的次级引出串联变换器的输出电流，经过采样及调 理电路，与运用直流电流闭环控制运算产生的电流指令信号一起，对SPffM波发生器进行调 制，产生SPffM波信号，对串联变换器进行控制。
[0014] AD2 :运用所选用的电流互感器，采样主电路输出电流，经过采样及调理电路，与 软件产生的基准电压信号及电池电压变化量一起，经过运算产生串联变换器的电流指令信 号，送入SPffM波发生器，产生SPffM波信号，对串联变换器进行控制。
[0015] AD3 :由电压互感器采集到的并联变换器输出电压，经过采样及调理电路，与运用 瞬时值比较法产生的电压指令信号一起，对SPffM波发生器控制，产生SPffM波信号，控制并 联变换器的工作。
[0016] AD4:由电压互感器采集到的主电路输出电压，经过采样及调理电路，与主控芯片 内部产生的基准正弦一起，经过瞬时值检测法运算，产生并联变换器所需的电压指令信号， 送入SPffM产生模块，产生SPffM波，控制并联变换器的工作。
[0017] AD5 :通过直流电压采样，与串联变换器的输出电流和主电路输出电流配合，用以 产生串联变换器工作所需SPffM波的指令信号。
[0018] 不间断电源的功率补偿控制方法为：当市电电源工作在正常范围内时，市电通过 主静态开关和补偿变压器给负载供电。此时，串联变换器相当于电流源，通过串联到市电的 补偿变压器对市电谐波电流和市电波动电压进行补偿。补偿电压是一个与输入市电同相或 反相的电压。当市电低于额定值时，补偿一个与其同相的电压；当市电高于额定值时，就补 偿一个与其反相的电压，最终使输出电压稳定在额定值。并联变换器与负载并联，调节负载 的中谐波电压，提供无功功率以及部分有功功率。并联变换器与负载并联有利于在市电掉 电时，并联变换器能够无延时地转换到全功率向负载供电。
[0019] 系统的市电侧输入功率为：
[0020]
[0021] 式中，Xw= CoLf
[0022] Ul为市电输入电压；
[0023] 1^为市电串联电感电流；
[0024] Uabl为串联变换器输出电压的基波分量；
[0025] XwS市电侧串联电抗值；
[0026] Lf为市电侧串联电感值；
[0027] ω为市电角频率；
[0028] Θ为市电侧电流相位滞后角；
[0029] δ为串联变换器输出电压的基波分量Uabl相对市电电压相位滞后角；
[0030] 当δ >〇时，Ρ>〇,市电向直流侧传输电能，串联变换器完成AC/DC间电能转换，即工 作在整流状态；当S〈〇,市电从直流侧吸收电能，此时串联变换器完成DC/AC间电能转换， 即工作在逆变状态；当S =0,市电与直流侧间仅传输维持正常工作所需要的无功功率。
[0031] 由于并联变换器的作用是控制负载电压保持稳定不变，所以在UPS输入端的电压 就会与输出端的电压不相等，出现电压差。系统有功功率的差值就是通过这个电压差表现 出来的，就需要依靠串联变换器和并联变换器在一起工作，并且串联变换器来进行补偿。具 体补偿方式为：
[0032] 在市电电压等于系统输出电压时，并且系统输出处于满载状态下和蓄电池处于满 充电状态下时，仅仅由串联变换器来提供正常的市电电流。假设系统负载为阻性负载的时 候，市电电流与负载电流相等。因为串联变压器两端的电压是零，所以串联变换器的流入或 流出功率也是零。因为系统的输出电压等于市电电压，所以并联变换器处于不工作状态，即 空载状态。那么负载电流由市电直接进行提供，因为系统在工作过程中没有经过电能变换， 所以整个系统的功率损耗为零。
[0033] 在市电电压低于系统输出电压，并且系统达到满载的时候，此时蓄电池已经处于 满充电的状态下，系统就要进行串联变换。假设系统输出电压比市电电压高A U，为了维持 输入输出功率的平衡，那么有AP的功率反向流过并联变换器（并联变换器吸收功率）、正 向流过串联变换器（串联变换器输出功率），最终串联变换器产生与市电电压同相的电压 (+△ U，从而对市电电压与系统输出电压的差值进行了补偿。
[0034] 在市电电压高于系统输出电压时，并且系统输出处于满载状态下和蓄电池处于满 充电状态下时，此时串联变换器通过工作在反向/整流模式下产生与市电电压反相的电压 (_ A U)，并联变换器通过工作在正向/逆变模式下向负载提供△ P的功率。因此有△ P的 功率反向流过串联变换器，正向流过并联变换器，以保证系统的输出功率保持不变。
[0035] 蓄电池的充电电流的控制为：市电电源通过主变换器并进行整流后供给蓄电池， 但是串联变换器控制蓄电池的充电电流。串联变换器对蓄电池的电压进行实时监测，当蓄 电池电压下降的时候，串联变换器的蓄电池电压反馈回路就通过控制输入电流基准，从而 控制增大市电电流，从市电吸收功率。在负载给定的情况下，因为负载功率是不变的，多余 的功率就可以通过并联变换器流入蓄电池，对蓄电池进行充电。
[0036] 消除市电中无功和谐波电流的方法为：将市电k中的无功与谐波电流i q和i，人 i冲分离出来，采用指令电流(6=?+?作为串联变换器的调制波指令信号，进行控制，得 到与指令电流大小相同方向相反的补偿电流i。，从而抵消市电电流中的无功和谐波分量， 使市电电流等于基波有功电流。即串联变流器作为正弦电流源运行，向交流电网注入电压 Au = Au1+Auh，其中Auh为谐波补偿电压，与电源谐波电压大小相等，方向