基于Delta逆变技术的UPS应用
编者按:本文主要阐述了基于Delta逆变技术的UPS的工作原理,重点分析其所采用的Delta变换器的工作过程,搭建了整个系统的测试环境,根据搭建平台进行了相关实验。实验的结果基本验证了Delta变换型UPS对市电电压、电流的调节和补偿功能。
随着电力电子技术的发展,出现一种全新的UPS(不间断电源)拓扑——Delta 变换型UPS。这种UPS 由两个变换器构成,既保留了传统在线式UPS 的全部在线功能和高质量输出电压,又使得很多关键性能指标得到改善,它不仅消除了对电网的污染,更重要的是输出能力高、可靠性强,可以说是目前比较理想的UPS 系统[1]。
基于Delta 逆变技术的典型产品是APC 公司的Silcon 系列UPS,Delta 逆变技术保持了传统双变换在线式UPS 的全部高性能输出指标的同时,对电网适应能力和输出能力两个方面有了重大改进和突破,真正实现了零转换时间和高输入功率因数,大大降低了对电网的污染程度[2]。电路结构采用串并联的高频双向变换技术[3]。虽然传统在线式的技术已经非常成熟,但由于本身带有许多无法突破的问题,发展受限[4]。高频化概念的引入,给UPS 的发展带来了许多新的思路和空间,随着高频技术和器件的发展,3 kVA(千伏安)及以下的高频率在线式UPS 的技术和产品己经成熟,其功能和可靠性均高于传统UPS,高频率对于减小体积、降低成本,以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用[5]。
虽然Delta 变换式UPS 具有输入频率不可变,抑制浪涌的性能比较差等缺点,但是和双变换式UPS 相比,还是体现了自身的一些特色:Delta 变换器相当于一个DVR(串联型动态电压调节器),不但可以补偿市电和负载的电压差值,还可以对市电电压的谐波、闪变、三相不对称等进行补偿,甚至还能对功率因数进行校正。APC 公司Silcon 系列UPS 采用Delta 变换器,具有料耗省,效率高等优点,其在性价比上极具优势。
1 UPS工作原理
在分析该UPS 的工作原理之前,必须先了解一种带串联电压补偿器的在线互动式UPS,其主电路结构如图1所示。
图1 带串联电压补偿器的在线互动式UPS
变压器T1 从变压器T2 上取电压,经过隔离后补偿Vin,通过触点S 的移动来调节补偿电压的大小和正负,从而稳定Vout。该UPS 主要对Vin 的过压和欠压进行补偿,由于电流处于不可控状态,所以此UPS 没有谐波的抑制能力,没有很好的过载保护功能,当然也无法对功率因数进行校正,加上Vout 的调整是依靠机械触点来完成的,所以输出电压的精度也很差。为了解决以上问题,采用电流可控的Delta 变换器,成功地克服了上述缺点,并利用了这种在线式UPS 效率高,成本低的优点,其主电路结构如图2 所示。
图2 UPS的主电路结构组成图
为了方便控制,不需要把Vout 和Vin 的差值作为主要的控制对象,而是用主逆变器直接产生输出电压Vout,Delta 变换器被动补偿Vout 和Vin 的差值,控制输入电流,起抑制谐波和校正功率因数的作用。为对付不对称的负载,采用三相独立控制的策略。
1.1 UPS的系统组成
从主电路可知,UPS 由主路和旁路两个静态开关、共用直流母线的Delta 逆变器和主逆变器、串联的Delta变压器组成。主路上的静态开关STS1 控制开机时的电容充电、输入掉电时的保护、主路和旁路的切换,以及转电池的工作过程。两个逆变器的作用如下所述。
主逆变器的作用:
①在Vin 频率和电压允许波动的范围内,提供相位和频率与Vin 相同的输出电压Vout;
②作为一个电压源,具有很小的内阻抗,在Delta变换器的作用下,可以被动地补偿谐波电流;
③在Vin < Vout 和Vin = Vout 情况下提供给电池充电的电流;
④在过载情况下提供部分负载电流,实现联合供电模式;
⑤在电池工作模式下,提供输出电压和电流。
Delta 逆变器的作用:
①控制输入电流,实现电池充电、输出负载电流和主逆变器补偿电流之间的平衡;
②控制输入功率因数为1;
③作为一个电流源,具有很大的阻抗,主逆变器稳压的作用下,可以被动地补偿谐波电压和输入波动造成的电压差;
④输入过压时,通过Delta 变换器给电池充电,如果电池是满的,则多余的能量通过主逆变器供给负载;
⑤输入欠压时,加大逆变器的输出电流,让主逆变器从回路中吸收多余的能量供给电池,并传递给delta变换器。
1.2 实现输入电压补偿、功率因数校正和谐波抑制的Delta变换器
我们先看一下一般变压器的工作过程,如图3 所示。
图3 变压器工作图
如果变压器二次侧Load1 为纯电阻负载,则Vin 和I1、I2 同相位,Vin 的输出功率因数为1,能量从Vin 向Load1 传递;如果变压器二次侧为Power,一次侧为电阻负载Load2,则I2 和I1 一样同相位,能量从Power向Load2 传递,Power 的输出功率因数仍然为1。
上述变压器的两种工况对应于Delta 变换器工作时的Vin>Vout 和Vin<Vout 两种情况,不同的地方是图3 中的Load1 和Power 都是Delta 逆变器,而图3 中的Vin 则是图2 中的Vin - Vout。Delta 逆变器的任务是产生与图3 中Vin 同相位的电流I2,由于Vin 和Vout 也同相位,所以I1 和Vin - Vout、Vin 都是同相位的,从而实现功率因数校正的目的。图4 是DP310E 在一个工况下的工作波形。a 图中CH1 为Delta 变压器一次侧流经的电流I1,CH2 为Delta 变压器二次侧流经的电流I2,CH3 为输出电压Vout,CH4 为Delta 变压器一次侧两端的电压;b 图中CH1 为主逆变器输出电流,CH2 为UPS 输出电流Iout,CH3 为输出电压,CH4 为CH1 -CH2 的波形(即输入电流波形)。由于测试的时候,I1和I2 是按同名端的输入来测的,所以相位是相反的。图b 说明主逆变器为一个很好的并联型有源滤波器,提供无功和谐波电流,这个电流和Iout 组成波形为正弦,相位和Vin 一致的Iin,完成功率因数校正的功能。
(a)
(b)
图4 Vin=190 V,48 Hz,带70%对称整流滤波负载下的工作波形图
很明显,I2 和I1 的比例就是变压器的变比,由于Delta 变压器在主电路中只承担最大15% 的额定电压(取Vout),所以选二次侧为升压的设计,这样可以取较小的I2,选择电流较小的功率模块节约成本。UPS 的Delta 变压器变比为1:5,逆变器的功率模块是MG15Q6ES42(15 A/1200 V)。从Vout 为交流220 V可以推算出Delta 变压器的参数: 一次侧额定电压33 V,二次侧额定电压165 V,容量为500 VA,铁心材料为硅钢片。
谐波的抑制:对一个变压器而言,要使其输入消耗的电流最小,只有一种办法:空载。所以在Vin 存在谐波含量的时候,Delta 逆变器仍然只输出基波电流,由于谐波电压没有谐波电流的消耗,Delta 变压器一次侧的谐波电压相当于遇到空载励磁阻抗,谐波电流很小。
1.3 工作过程(能量流分析)
开机过程由以下几步完成。
①静态开关STS1 的软启动:逐渐增大其导通角,主路通过Delta 变压器T 的一次侧和主逆变器的输出滤波电感L,以及主逆变器中的续流二极管对电容器C 进行充电,直到STS1 完全开通,电容器电压升至±311 V,这个过程Delta 逆变器和主逆变器均未工作。
②主逆变器的高频整流继续给电容器充电:这个过程是为了满足64 节蓄电池所需的±360 V的电压要求。
③电容器电压升到±360 V 时,系统通知电池开关合闸,开始进入一分钟的等待,这时主逆变器继续整流充电,充电结束时的直流母线电压与Vin 有关,最大不超过设定的438 V。
④一分钟的等待结束后,系统显示system off,提示机器可以启动,这时STS1 关断,如果不按下启动按钮,则电容器上的电荷会通过并联的电阻逐渐消耗,最终出现Low DC Shutdown。(为什么要这么做)
⑤启动:按下启动按钮,电池开始建立Vout(在Vout 建立之前,STS1 和Delta 逆变器仍然是关断的)。Vout 建立起来后,STS1 和Delta 逆变器开启,结束开机。
在无电池情况下,下列工况会造成开机失败。
① Vin < 200 V。这是因为在Vin < Vout 条件下开机时,Delta 变换器需要从二次侧向一次侧传输能量,这个能量只能由电容器提供,而这时电容器已经给主逆变器提供能量,造成电容器电压严重下降,出现Low DC Warning 和Low DC Shutdown 关机。
②加了负载。在STS1 和delta 逆变器开启之前,电容器的能量无法稳定住Vout,致使直流母线严重下降,出现Low DC Warning 和Low DC Shutdown 关机。
从前面的分析可知Delta 变压器具有能量在两侧双向流动的功能,I2 永远与Vin 同相位,如图5 所示。Delta 变换器的运行分四种工况。
图5 delta变换器工作框图
Vin > Vout:能量从Delta 变压器一次侧向二次侧传输,Delta 逆变器相当于一个纯电阻负载,这个负载消耗的能量是给电池充电或者给主逆变器输出,能量流如图6 所示。
图6 Vin > Vout时,DP310E的能量流(电池不充电)
Vin < Vout:能量从Delta 变压器二次侧向一次侧传输,Delta 逆变器相当于一个发电机,提供最大15%的补偿能量,由于Iin、Vin 与Vout 严格同相位,所以此发电机相当于带一个电阻负载,Delta 逆变器的输出电流也必然是正弦基波,能量流如图7 所示。
图7 Vin < Vout时,UPS的能量流(电池不充电)
从图6 和图7 可以看出,Delta 变换器是用15%的能量控制100%的能量流动。
Vin = Vout :Delta 变压器两侧电压为零,电流是基波,有效值由负载电流和电池充电电流决定,Delta 变压器两侧呈现很低的漏阻抗,能量流如图8 所示。
图8 Vin=Vout时,UPS的能量流(电池充电)
Vin中存在谐波的情况:I2 中无谐波电流通过,具体的细节还未测试。
图9 ~图11 列出Vout = 220 V,f = 54 Hz,60% 对称阻性负载,Vin 从大到小变化时,Delta 变换器的电流电压波形。
图9 Vin=237 V波形图
图10 Vin=190 V波形图
其中CH1、CH2 为Delta 变压器一次侧电流Iin、二次侧电流I2 波形,CH4 为Delta 变压器一次侧电压Vin - Vout。
图11 Vin=220 V时,Iin、I2、Vin-Vout波形图
从图11 可以看出,Iin、I2 随Vin 的增大而减小,因Iin还控制着输出电流和电池充电的平衡,所以Delta逆变器的输出电流I2 的受控量为:Vin - Vout、Iout 和电池电压Vdc。
2 结论
在UPS 工作中,Delta 逆变器都必须提供与Iin 相对应的基波电流I2,否则在主逆变器的作用下,Delta变压器表现不了所需要的电流源性质,而使能量流发生变化。如果通过I2 控制的Iin 有效值小于Iout 有效值,必使得主逆变器输出电流加大,这种工况适合于Vin > Vout,或者过载时电池和Vin 联合供电的方式;如果I2 控制的Iin 有效值大于Vout 有效值,则必有Vin < Vout,或者Vin = Vout 时电池充电。由于Delta 变压器一次侧的额定电压是33 V,所以在Vin 出现短路的情况下,STS1 必须尽快关断,才能稳定Vout。
参考文献:
[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2] 刘凤君.Delta 逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京:机械工业出版社,2003.
[3] 刘胜利,严仰光.现代高频开关电源实用技术[M].北京:电子工业出版社,2001.
[4] 李勋,戴珂,杨荫福等.双变流器串-并联补偿式UPS控制策略研究[J].中国电机工程学报,2003,23(10):104-108.
[5] 刘凤君,Delta逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京:机械工业出版社,2003:37-40.
(本文来源于必威娱乐平台 杂志2022年2月期)
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