廣義軟開關串并聯補償在線UPS

摘要：介紹了采用廣義軟開關的串并聯補償在線UPS的工作原理與控制方式，這是一種新型在線軟開關UPS。

關鍵詞：串并聯補償；在線UPS；廣義軟開關

Series? parallel Compensation On-line UPS with Generalized Soft Switching

LIU Feng-jun?

Abstract:The operating principle and control method of series-parallel compensation on? line UPS with generalized soft switching are described. This is a novel on-line UPS of soft switching.?

Keywords:Series-parallel compensation; On-line UPS; Generalized soft switching?

中圖分類號：TN86? 文獻標識碼：A? 文章編號：0219－2713(2003)04－0170－07

1? 引言

??? 串并聯補償在線UPS的電路型式、工作原理與控制方式，我已作過了全面的介紹^[1]，但采用的都是硬開關，因此效率低，電磁干擾大，而采用傳統的軟開關（直流諧振環或極諧振軟開關）又會使電路太復雜。折中這兩種開關狀態，采用廣義軟開關，既不增加電路的復雜性，又可以使其基本工作在軟開關狀態。

??? PWM逆變器的廣義軟開關定義和原理我也曾作了較詳細的介紹^[2]，所謂廣義軟開關串并聯補償在線UPS，實際上就是使逆變器Ⅰ和Ⅱ采用無損緩沖電路的在線UPS。

2? 主電路的串并聯結構和各部分的功能

??? 單相串并聯補償在線UPS的電路如圖1所示。它是由2個高頻雙向SPWM單相全橋逆變器，以串并聯結構電路型式與晶閘管靜態開關和蓄電池等一起組合而成的，各部分的功能為

圖1 單 相 串 并 聯 補 償 在 線UPS電 路

??? 逆變器Ⅰ? 主要作用是控制市電，只輸入有功電流，使輸入功率因數等于1；對市電輸入電壓的波動進行補償；控制輸入功率與輸出功率的平衡。其設計功率為標稱功率的20％。

??? 逆變器Ⅱ? 主要作用是控制輸出電壓為穩定純凈的正弦電壓；向負載提供無功與諧波電流；當市電掉電時，向負載提供全部標稱功率，設計功率與標稱功率相同。

??? 晶閘管靜態開關其中旁路開關的作用是當市電正常時關斷，當逆變器Ⅰ和Ⅱ故障時開通旁路供電；主靜態開關的作用是，當市電正常時導通，當市電掉電時自動關斷，以防止逆變器Ⅱ的功率向市電倒灌。

??? 蓄電池當市電停電時，由蓄電池通過逆變器Ⅱ向負載供電；當市電電壓波動時，通過逆變器Ⅰ和Ⅱ維持輸入與輸出功率的平衡。

3? 逆變器Ⅰ的工作與控制方式

??? 逆變器Ⅰ是用IGBT作開關的高頻雙向SPWM全橋逆變器。它通過輸出變壓器T_r的次級，在UPS輸入端與負載串聯，主要用于市電電壓±15％變化的增量補償，和消除市電輸入電流中的無功與諧波分量，故也稱作增量（Delta）逆變器，其作用相當于一個可變電流源。

??? 當負載中含有電感和非線性負載時，市電輸入電流i將滯后于市電電壓，并產生畸變。此時市電輸入電流i的傅里葉級數表示式為

i=I₁sin(ωt＋φ₁)＋I_nsin(nωt＋φ_n)=I₁cosφ₁sinωt＋I₁sinφ₁cosωt＋I_nsin(nωt＋φ_n)

式中：n為諧波次數；

?????????? φ₁為基波電流滯后于電壓的相位角；

????????? φ_n為n次諧波電流滯后于電壓的相位角；

??? 注腳1代表基波。令

??? i_p=I₁cosφ₁sinωt=I_psinωt為基波有功電流

??? i_q=I₁sinφ₁cosωt=I_qcosωt為基波無功電流i_h=I_nsin(nωt＋φ_n)為諧波電流

??? i=i_p＋i_q＋i_h要消除市電輸入電流i中的無功與諧波電流i_q＋i_h，就必須將i_q＋i_h從i中分離出來，而后用i_q＋i_h作為調制波對逆變器Ⅰ進行SPWM調制，在變壓器T_r次級得到電壓u_c，用u_c產生的電流來抵消i中的電流i_q＋i_h，使輸入電流i=i_p。

??? 電流i_q＋i_h的檢出電路如圖1所示。其中“基準正弦電壓”是與市電同步的標準正弦電壓。市電輸入電流i通過低通濾波器濾除i_h，將剩余的電流i_p＋i_q與基準正弦電壓u_r=U_msinωt通過乘法器相乘得到F。

??? F=(i_p＋i_q)×u_r=(I₁cosφ₁sinωt＋I₁sinφ₁cosωt)×U_msinωt=cosφ₁－cosφ₁cos(2ωt)

?????? ＋sinφ₁sin(2ωt)

??? F經過含有積分器的有源低通濾波器，濾除二次諧波交流分量后，剩下直流成分g=I₁U_mcosφ₁，式中K為有源濾波器放大倍數。將g和u_r再經乘法器相乘后得

? i_p=g×u_r=I₁U_mcosφ₁×U_msinωt=I₁U_m²cosφ₁sinωt

??? 令U_m²=1，則得

????? i_p=I₁cosφ₁sinωt

??? 從市電輸入電流i中減去i_p即可得到無功與諧波電流i_q＋i_h，即i－i_p=i_q＋i_h=i_c^＊

4? 逆變器Ⅱ的工作與控制方式

??? 逆變器Ⅱ也是用IGBT作開關的高頻雙向SPWM全橋逆變器。它通過交流濾波器L_F2C_F2，在UPS輸出端與負載并聯，主要用于使負載上電壓成為穩定純凈的正弦電壓，當市電掉電時向負載提供100％的功率。故逆變器Ⅱ也稱作主逆變器，其作用相當于一個固定的電壓源。

??? 當市電電壓中含有諧波時，其方程式為

? u=u₁＋u_h=U_1msinωt＋U_nmsinnωt

式中：u₁=U_1msinωt為基波電壓；

????? u_h=U_nmsinnωt為諧波電壓。

??? 基準正弦電壓u_r=U_msinωt，是一個與市電同步的標準正弦波電壓，電壓精度優于0.02％，失真度小于0.5％，容量約為10W。故可視為是恒定不變的標準正弦波電壓。

??? 由圖1中逆變器Ⅱ的控制電路可知，采用的是瞬時波形比較法。即用負載電壓u_L減去基準正弦電壓

u_r，然后再被基準正弦電壓u_r相減求出SPWM調制波的方程式

??????? u_r－(u－u_r)=2u_r－u=2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt

??? 令調制波方程式為

???????? u_c^＊=K′〔u_r－(u－u_r)〕=2K′U_msinωt－K′U_1msinωt－K′U_nmsinnωt

式中：K′為檢測變壓器降壓變比。

??? 假定載波三角波的頻率為f_c，幅值為U_c，則載波比N=，調制比的值為

M==－=M₁＋M₂

式中：M₁=；M₂=－

??? 假定直流電源電壓為Ud，根據文獻[3]可以得到逆變器Ⅱ的輸出電壓uab的傅里葉級數式為????

??????? u_ab=M₁U_dsinωt＋·cosm πsin〔(mN＋n)ωt〕+

????????? M₂U_dsinnωt+·cosm′πsin〔(m′N′＋n′)nωt〕

??? 用濾波器L_F2，C_F2濾除u_ab中的高次諧波后得到基波與原市電中諧波電壓為

???? u_ab1=M₁U_dsinωt＋M₂U_dsinnωt

將M₁=K′；M₂=－代入上式得

?????? u_ab1=K′U_dsinωt＋－K′U_dsinnωt

令K′=代入上式則得

??????? u_ab1=2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt

??? 由于市電電壓u與逆變器Ⅱ的輸出電壓u_ab1通過它們各自的濾波電感L_F1和L_F2，在電路的A點并聯后向負載供電如圖1所示，故根據電工學中節點電壓法可知

??? u_L=

????? u_L=/

??? 如果取L_F1=L_F2，則負載電壓u_L為

???????? u_L==

??? 將u=U_1msinωt＋U_nmsinnωt與

????? u_ab1=2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt

代入上式得

??? u_L=(2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt＋U_1msinωt＋U_nmsinnωt)=U_msinωt=u_r

??? 此式說明，按著圖1中逆變器Ⅱ的控制方法，即使市電電壓中含有諧波，也可以使負載電壓u_L，成為等于基準電壓u_r的不變的穩定純凈正弦波電壓。

5? 對市電電壓波動的補償

??? 由于負載電壓u_L在逆變器Ⅱ的控制下保持u_L=u_r穩定不變，因而UPS的輸入與輸出端之間就會出現電壓差，這個電壓差反映的是有功功率之差，需要靠逆變器Ⅰ和Ⅱ的聯合工作，并通過逆變器Ⅰ進行補償。逆變器Ⅰ有兩個反饋信號，一個是市電輸入電流，另一個是蓄電池電壓U_d的變化ΔU_d。由于ΔU_d是直流，故將其加到了控制電路的g上，g代表的是與市電電壓同相位的市電輸入有功電流。

??? 市電電壓波動的補償過程，與逆變器Ⅰ和Ⅱ的工作狀態如圖1所示。

??? 當市電電壓u大于負載電壓u_L時，由于u的升高使A點電壓上升，逆變器Ⅱ的控制電路為保持u_L=u_r不變，使輸出電壓u_ab1下降，迫使逆變器Ⅱ工作在整流狀態，給蓄電池充電，使u_d上升到U_dr＋ΔU_d>U_dr，＋ΔU_d使逆變器Ⅰ在T_r次級產生一個負補償電壓－u_c，方向與電流相反，以減少市電電壓的升高，使u－u_c=u_L=u_r。變壓器T_r次級阻抗Z產生的壓降為zi與u方向相反，－u_c也與u方向相反，故u加到T_r次級的壓降為Δu=zi＋u_c>u_c，使逆變器Ⅰ處于整流狀態。對于逆變器Ⅱ，由于補償后u_L=u_r(1＋1％)>u_r=u_ab1，故逆變器Ⅱ也處于整流狀態，使蓄電池電壓上升。當u_d上升到某一值，使u_ab1大于u_L時，逆變器Ⅱ由整流變換到逆變狀態。此時，逆變器Ⅰ吸收功率，逆變器Ⅱ輸出功率，當吸收功率等于輸出功率時達到平衡，使蓄電池多存儲了一些能量，U_d比補償前稍高一些，以維持負補償電壓－u_c的存在。

??? 當市電電壓小于負載電壓u_L時，A點電壓下降，逆變器Ⅱ的控制電路為保持u_L=u_r不變而使u_ab1上升，使u_L<u_ab1，迫使逆變器Ⅱ處于逆變狀態，電池電壓下降，當降到U_dr－ΔU_d時，－ΔU_d使逆變器Ⅰ在T_r次級產生一個正補償電壓＋u_c，使u＋u_c=u_L=u_r。市電加到T_r次級上的電壓Δu=u_c－iz<u_c，使逆變器Ⅰ工作在逆變狀態。對于逆變器Ⅱ，補償后u_L=u_r(1－1％)<u_r=u_ab1，逆變器Ⅱ處于逆變狀態，使蓄電池電壓下降，當降到使u_ab1低于u_L時逆變器Ⅱ由逆變轉換到整流狀態。逆變器Ⅰ輸出功率，逆變器Ⅱ吸收功率，當輸出與輸入功率相等時達到功率平衡。蓄電池多輸出了一些能量，故電池電壓比補償前低一些，以維持正補償電壓＋u_c的存在。

6? 負載無功與諧波電流的供給

??? 由圖1可知，逆變器Ⅱ在A點與市電并聯后共同向負載供電。由于市電輸入電流只是有功電流，根據基爾霍夫節點電流為零的定律，在節點A負載所需的電流i_L=i_p＋i_q＋i_h，因而逆變器Ⅱ的輸出電流為i_L－i=i_p＋i_q＋i_h－i_p=i_q＋i_h。

7? 在線UPS所采用的廣義軟開關

??? 上面以單相串并聯補償在線USP為例，介紹了它的組成，各部分功能，原理與控制方式。下面介紹在線UPS中逆變器Ⅰ和Ⅱ的廣義軟開關電路。

??? 串并聯補償在線UPS中的逆變器Ⅰ和Ⅱ，實際普遍采用的電路是單相半橋、單相全橋、三相半橋和三相全橋電路。下面選用具有代表性的單相半橋、單相全橋或三相半橋電路為例進行介紹。

7.1? 單相半橋逆變器的廣義軟開關電路

??? 單相半橋逆變器的廣義軟開關電路如圖2所示，其中圖2(a)為電路圖，圖2(b)為開關波形圖。在圖2(a)中，S₁、S₂為主逆變開關，S₁的無損關斷緩沖電路由二極管D_s1、D_s2、D_s3、緩沖電容C_s1、C_s2(C_s1=C_s2)和諧振電感L_s1組成。L_F為濾波電感，Z_為負載（阻性或感性），C_d1=C_d2為直流分壓電容，U_d為直流電源電壓，u_s為S₁兩端的電壓，i_s為流過S₁的電流。

(a)? 電 路 圖

（b)? 開 關S₁的 開 關 波 形

圖2? 單 相 半 橋 逆 變 器 的 無 損 緩 沖 電 路

??? 電路的原始狀態為：S₁、S₂關斷，C_s1、C_s2上電壓uc_s1=u_cs2=0。當開關S₁開通后，C_d1上電壓U_d/2通過S₁、L_F向負載供電，直流電源U_d通過開關S₁、諧振電感L_s1、二極管D_s2，沿著虛線所示路徑，對緩沖電容C_s1、C_s2充電。其等效電路如圖3(a)所示，其中u_cs1=u_cs2為緩沖電容C_s1、C_s2上的電壓，u_L為L_s1上電壓，R_L為L_s1中的電阻，i_L為流過L_s1的電流。在選定的電壓和電流方向下，根據基爾霍夫定律（考慮C_s1=C_s2）可得

????? u_L＋u_RL＋u_cs1＋u_cs2=u_L＋u_RL＋2u_cs1=U_d

由于i_L==

?????????? u_RL=i_LR_L=R_L

?????????? u_L=L_s1=L_s1

則

?????????? L_s1＋R_L＋2u_cs1=U_d

??? 由于R_L<2，所以電路是諧振的。

??? 對上式求解可得

?????? 2u_cs1=U_d－U_de^－δt((δ/ω)sinωt＋cosω t)

式中：δ=；ω=；ω₀=。

??? 當ω t=π時，sinωt=0；cosωt=－1

??? 則2u_cs1=U_d＋U_de^－δt

??? 當R_L=0時，2u_cs1=2U_d，u_cs1=U_d。

??? 充電過程中，u_cs1和i_L的波形如圖3(c)所示。當ω t=π時，u_cs1=U_d，i_L=0。

??? 當S₁關斷時，由于C_s1、C_s2上電壓u_cs1=u_cs2=U_d，開關S₁上電壓u_s=U_d－u_cs1=0，所以S₁是零電壓關斷。S₁關斷后，C_s1、C_s2上電壓u_cs1=u_cs2=U_d通過濾波電感L_F、負載Z_L和直流分壓電容C_dz，沿著圖2(a)中點劃線所示的路徑放電，其等效電路如圖3(b)所示。由基爾霍夫定律得

??????? －u_cs1＋u_L＋u_R－U_d/2=0

??? 設R為負載電阻，L_FZ為濾波與負載電感，由于i_z=－2C_s1；u_R=Ri_z=－2RC_s1

????? u_L=L_FZ=－2L_FZC_s1

??? 代入上式得

???? 2L_FZC_s1＋2RC_s1＋u_cs1－U_d/2=0

??? 對于多數情況R<2，所以電路是諧振的。

??? 求解上式可得u_cs1－U_d/2=e^－δ′t(sinωt＋cosω t)

式中：δ′=；ω=；ω₀=。

??? 當ω t=π時，sinωt=0；cosωt=－1

??? 則u_cs1－U_d/2=－e^－δ′t

??? 當R=0時，u_cs1－U_d/2=－U_d/2，u_cs1=0

??? 放電過程中u_cs1和i_z的波形如圖3(c)所示。

(a)? 充 電 過 程????????????????????????????????????????????????? (b) 放 電 過 程

(c)? 波 形 圖

圖 3? C_s1、C_s2充 電 與 放 電 過 程 等 效 電 路 與 波 形

??? 當ω t=π時，u_cs1=0，i_z=0

??? 當R=2時，u_cs1=(1＋δ′t)e^－δ′t

???? 由于δ′=很大，C_s1較小，故u_cs1按非諧振規律很快下降到零。

??? 當R>2，L_FZ≈0時，τ=2RC_s1，當t=τ時，u_cs1=0.368U_d/2，當t=2τ時，u_cs1=0.135U_d/2，當t=3τ時，u_cs1=0.050U_d/2，由于C_s1很小，所以u_cs1下降速度很快。

7.2? 單相半橋逆變器廣義軟開關的工作過程

??? 單相半橋逆變器無損關斷緩沖電路的工作過程如圖2(a)、(b)所示。在t<0時，S₁飽和導通，u_cs1=u_cs2已充電到U_d。當S₁關斷時，通過S₁的電流i_s逐漸下降，S₁兩端的電壓u_s=U_d－u_cs1。C_s1、D_s3、C_s2、D_s1支路通過直流電源與S₁并聯，相當于在S₁上并聯了一個已充電到u_cs1=u_cs2=U_d的緩沖電容C_s=C_s1＋C_s2，此時D_s2反偏置，L_s1中電流i_L=0，C_s1和C_s2通過L_F、z_L和C_d2放電，u_cs1=u_cs2逐漸下降到零，S₁上的電壓u_s=U_d－u_cs1逐漸上升到U_d。假定逆變器按單極性工作，在S₁再一次開通之前由于L_F與z_L中電感的作用，與S₂并聯的二極管D₂續流，i_D2=i_ZL。當S₁開通時，i_s逐漸上升，負載電流I_ZL=i_s＋i_DZ，S₁上電壓受D₂導通的牽制，仍保持U_d不變。當i_s上升到i_s=I_ZL時，i_D2=0，D₂反偏置，S₁進入飽和導通狀態，S₁上電壓u_s迅速下降到零，相當于一個躍變電壓U_d突然加到C_s1、L_s1、D_s2、C_s2支路上，D_s2導通，C_s1、C_s2充電。半個諧振周期后，C_s1、C_s2上電壓u_cs1=u_cs2=U_d，i_L=0，D_s2反偏置。

??? 從以上說明可知，S₁工作在零電壓關斷狀態，C_s1、C_s2上存儲的能量，通過放電轉送到負載或反饋回電源，故是無損關斷緩沖電路。

??? 電路中的L_F，既是輸出濾波電感，也是主開關S₁、S₂的開通緩沖電感，它可以使S₁、S₂零電流開通，存儲在L_F中的能量同樣也轉送到了負載或反饋回電源，故是一種無損開通緩沖電路。

7.3? 單相全橋與三相半橋逆變器的廣義軟開關

??? 上述開關無損緩沖電路，也可以應用于單相全橋與三相半橋逆變器，如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，它們都是由單相半橋逆變器組成的，圖中C_d1和C_d2為共同直流分壓電容，故工作原理與緩沖電容的充放電方式與半橋逆變器相同。這里必須指出的是，對于圖4所示單相全橋逆變器，當采用圖6(a)所示單極性SPWM脈沖控制時，直流分壓電容C_d1和C_d2可以不用。例如主開關S₁和S₄在輸出正半周，按圖6(a)所示單極SPWM脈沖波形工作時，緩沖電容的充、放電路徑如圖4中點劃線和虛線所示。逆變器的SPWM控制電路如圖6(b)、(c)所示，其中圖6(b)用于單相全橋逆變器，圖6(c)用于三相半橋逆變器。

圖 4? 單 相 全 橋 廣 義 軟 開 關 電 路

圖 5? 三 相 半 橋 廣 義 軟 開 關 電 路

(a)? 波 形 圖

(b)? 單 相 全 橋 控 制 電 路

(c)? 三 相 半 橋 控 制 電 路

圖 6? SPWM單 極 性 脈 沖 波 形 與 控 制 電 路

8? 廣義軟開關串并聯補償在線UPS應用舉例

??? 采用廣義軟開關的串并聯補償在線UPS電路如圖1、圖7、圖8所示。其中圖1為采用單相全橋逆變器的在線UPS，圖7為采用三相全橋逆變器的在線UPS，圖8為采用三相半橋逆變器的在線UPS。圖中的無損緩沖電路與圖4和圖5相同，在UPS電路中沒有畫出。

圖7?? 采 用 三 相 全 橋 逆 變 器 的 廣 義 軟 開 關 在 線UPS

圖8?? 采用三 相 半 橋 逆 變 器 的 廣 義 軟 開 關 在 線UPS

9? 結語

??? 上面介紹的廣義軟開關，是一種無源、無損緩沖電路式的軟化開關。它可以達到與傳統ZVT或ZCT

軟開關幾乎相同的指標，但比傳統軟開關具有電路簡單，成本低廉，可靠性高的優點。先進的串并聯補償在線UPS采用廣義軟開關后，可以使效率進一步提高，電磁干擾大大降低，也使市場競爭力進一步得到增強。

參考文獻

[1]? 劉鳳君.串并聯補償在線UPS的型式,原理與控制方式[J].UPS應用,2002（8）.

[2]? 劉鳳君.PWM逆變器的廣義軟開關的研究試驗報告[R].2001,10.

[3]? 劉鳳君.正弦波逆變器[M].北京:科學出版社,2002.