关于具有有源滤波功能的UPS电源设计.doc
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1、关于具有有源滤波功能的UPS电源设计0 引言随着“互联网+”和“大数据”时代的到来,信息系统数据存储和信息设备的稳定性和可靠性变得更加重要。然而,由于电网电压的突然跌落或者中断,引起的相关设备不稳定运行或者断电关机可能会导致严重的经济损失,甚至安全事故。UPS电源的作用是在电网电压跌落或者中断时保证用电设备的持续运行。目前,UPS作为后备电源,在医院、银行以及数据管理等领域得到非常广泛的应用,在电网电压中断时发挥着不可替代的作用。另一方面,大量非线性电力电子装置的存在给电网引入了谐波电流,使电能质量严重恶化,进而影响设备控制系统的正常运行。有源电力滤波器(APF)是一种可以实时动态补偿谐波的装
2、置,通过信号主动抵消技术,对谐波有很好的滤除效果。通过对UPS和APF研究发现了以下三个情况:(1)UPS的直接负载通常为设备的电源系统,而大多数电源系统中均含有自然整流等非线性电力电子装置,所以可以认为在UPS使用的场合存在谐波问题。(2)离线式UPS在电网正常时,完成对蓄电池充电后处于旁路状态,这样导致UPS存在利用率低的问题。(3)离线式UPS和并联型APF都与电网并联,核心均为三相桥式逆变器,两者具有结构上的统一性。基于以上论述,本文设计一种具有APF功能的UPS电源,在基本不增加硬件成本的情况下,通过资源整合,实现单机多功能,使离线式UPS具有了有源滤波功能,既可改善电网的电能质量,
3、又可提高设备的利用率。1 系统整体结构具有有源滤波功能的UPS电源结构图如图1所示。设备有两种工作模式,实时检测电网电压,当电网电压正常时,开关K1、K2、K3闭合,工作于APF模式,其直流侧电压由电网电压整流后提供。采集电网电流,提取谐波电流,作为逆变器电流闭环的参考信号,输出补偿电流,抵消谐波电流;与此同时,K4闭合,控制双向DC-DC电路,使其工作在BUCK状态,给蓄电池充电,充电完成后K4断开。当电网电压发生跌落或者中断时,控制双向DC-DC电路,使其工作在BOOST状态,并立刻闭合K4,断开K1和K3,蓄电池升压后给逆变桥直流母线供电,此时设备工作于UPS模式,输出三相交流电压,向负
4、载提供功率,保证负载持续运行。要说明的是,K4需使用响应速度更快的MOSFET开关管,以便在电网电压跌落时蓄电池迅速地被投入到系统中,为逆变直流母线提供电压。2 关键技术设计2.1 并网技术在APF模式下,系统与电网并联,需保证补偿电流与电网电压同频同相以进行并网。因此,电网电压锁相是并网的关键,采用基于双二阶广义积分器的软件锁相环(DSOGI-PLL)实现电网电压的锁相,其系统控制结构框图如图2所示。其中,T为Clark变换矩阵;Tdq为Park变换矩阵;ua、ub、uc为输入的三相电网电压;wff为频率参考信号,在工频下其取值通常为100;+、为输出的电网电压相位角度信号。DSOGI-PL
5、L可以很好地抑制谐波对系统输出的影响,并且对频率变化具有良好的自适应性,即使在三相不平衡时也能快速准确地获得电网电压正序分量的频率和相位信息。其实现的核心是构建基于双二阶广义积分器(SOGI)的自适应滤波器,实现框图如图3所示。SOGI-QSG系统的传递函数为:2.2 谐波检测非线性负载给电网引入了电流谐波,在APF模式下,系统要实时补偿谐波电流,所以需要检测负载侧的电流,提取出谐波信号,作为逆变器输出的电流指令信号。基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测方法因其检测结果的实时准确性被广泛使用,其检测结果不受电压波形畸变的影响,所以本文采用ip-iq法进行谐波电流的检测,其控制原理框图如图4
6、所示。其中,分别为Clark和Park变换矩阵的逆阵;wt为电网电压的同步角度信号,即由DSOGI-PLL获得的角度+、。检测谐波电流时,由于采用的LPF不同,会有不同的延时,但延时不会超过一个周期,所以其具有良好的实时性。三相电流经过Clark变换和Park变换到两相正交旋转坐标系后,其基波对应直流分量,通过LPF滤除交流分量得到直流分量,再经过逆变换得到三相电流的基波,与三相电网电流作差便得到谐波电流,谐波电流取反作为逆变器电流控制的指令信号。2.3 电压跌落检测实时检测电网电压,当发生跌落的时候,实现从APF模式到UPS模式的切换。快速地检测到电网电压的跌落,有利于减少模式切换的时间,这
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