| 出版日期：2000-07-24 总期号：941 本年期号：53 |
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高频双向变换串并联补偿技术在交流供电设备中的应用与发展
性能更优越的在线式ups （摘要） 张广明 高频双向逆变技术及将此技术用串并联补偿方法应用到电力调节装置、交流稳压设备、以及ups电路结构中去，可使这些装置从根本上摆脱传统结构架式的固有局限性和束缚，使这些设备的多项性能指标得到改善和突破。 在各种电路结构形式的交流稳压设备中，大都用电压补偿原理来扩大输出功率，增强设备的可靠性和对各种负载的输出能力，特别是线性电压补偿原理应用得最广，技术发展也快，例如大功率接触补偿式交流稳压器、大功率无触点智能补偿式稳压器、无触点感应补偿型稳压器、开关式补偿稳压器等。不过在以往的这些电路和设备中，补偿电路多在基波（50hz）频率下工作，补偿功能也仅限于对有功功率的补偿，所以设备体积偏大且重，补偿功能单一。随着新型高性能半导体器件（诸如igbt管）和控制专用电路的出现和应用，以及新的高频双向逆变电路技术的研制成功和实用化，使得电压补偿技术更趋于完美，功能多样化，新的电路结构和系统配置已经在电力综合调节装置、大型ups、以及交流稳压设备中得到应用，在改进这些设备的功能方面，效果是相当显著的。本文着重对高频双向逆变电路原理以及它对电压补偿原理的发展和应用等情况，做些简要的论述。 一、高频双向变换器工作原理及其在主电路中电压补偿功能的实现过程 基波电压补偿原理的性能、特点及其局限性 在各种交流稳压电源设备中，大多采用了电压补偿技术，它的作用和技术特点有以下几个方面： ① 扩大输出功率：如果市电电压的变化范围是±20%，那么补偿电压的幅度通常设置在±25%，这就意味着如果补偿调整环节的功率容量是10kva，那么经过电压补偿电路处理后，整个稳压器可输出40kva的负载功率。 ② 增强稳压器对负载的适应能力：由于补偿调整环节不在主回路，这就加强了整个稳压器对非线性负载和冲击负载的适应能力。 ③ 提高整机效率：由于补偿调整环节只负担输出功率的一部分（例如25%），所以补偿调整环节的损耗小，整机效率明显地提高。效率高不仅可节省电能，更重要的是功率器件寿命长，整机可靠性高。 但是，由于这种补偿环节工作在基波（50hz）情况下，体积大而重，补偿功能也仅限于有功功率（升压或降压），对输入电网电压和负载电流中的谐波和无功成分是无能为力的。 二、高频双向逆变器的工作原理和功能 高频双向逆变技术及将此技术用串并联的方式构成的电路形式和装置，具有有功补偿（电压补偿）、无功和谐波补偿、储能和不停电供电（ups）等多种功能，下面讲的是这种逆变器的工作原理和它对电压补偿实现的过程。 如图一所示，整个电路的补偿环节由一个高频逆变器完成，逆变器以spwm方式工作，其输出变压器的副边直接串连在交流稳压器的主电路中，高频脉冲波表示在图二（b）中，以此波形对输入电压切割，形成以输入电压为载波的包罗线波形，如图二（d）所示，然后经高频电感电容取平均值，形成平滑的50hz输出电压v0的正弦波。 逆变器在高频状态下工作，而稳压器主回路是50hz，50hz的负载电流i0在每半周中对高频逆变器的变压器以同方向磁化，因此在高频逆变器两个开关管（k1和k2）交替通导的过程中，就形成正向激磁和反向续流两种状态。下面用四种状态来说明整个工作过程，如图一所示。 第一状态： 
图一 高频双向逆变器电路原理图 如图一（a）所示，外电路电压vi处于正半周，负载电流i0方向是由vi流向负载z，此时开关k1导通，逆变器电流i1由直流电源e经变压器原边流向开关k1，变压器处在正向激磁状态，副边电压△v与输入电压vi同极性，也与i0方向相同，副边升压，逆变器输出功率、i1与i0以及e与△v都符合变压器匝比关系。 第二状态: 如图一（b）所示，外电路电压vi仍处在正半周，负载电流i0方向是由vi流向负载z，此时令开关k1和k2都处在关闭状态，变压器副边由负载电流i0激磁，在原边感应的电压是强迫二极管d2通，变压器原边电压被嵌位在e+vd，原边电流i1通过二极管d2向直流电源e反充电，变压器副边电压△v极性与输入电压极性vi相反，同时也与电流i0方向相反，副边降压，逆变器从稳压器主电路吸收功率，电流i1、i0以及电压e+vd、△v都符合匝比关系。 第三状态和第四状态： 此时输入电压处于负半周，负载电流是由负载流向输入端，逆变器是k2和d1交替，过程与第一、二状态相等。 
图二 补偿电压△v形成过程示意图 逆变器工作在高频状态（例如20khz），在交流电（50hz）的每半周（10ms）中，都经历多次输出功率和吸收功率的过程，于是就形成如图二（b）所示的△v的波形，逆变器以spwm方式工作，经电感电容取平均值后，形成如图二（c）所示正弦波△v。随着逆变器通导比的变化，△v可大可小，可正可负，从而可实现对输入电压vi的可正可负地连续补偿，保证输出电压的稳定。 当输入电压处在最大值时，逆变器吸收功率达到最大值，输入电压处在最低值时，逆变器输出功率达到最大值，如果输入电压vi的最大变化范围是±20%，表现出极高的工作效率。 三、 多功能用户电力综合调节装置（custom power） 高频双向变换电压补偿技术典型应用实例之一是已经商品化的电力综合调节装置，如图三所示。该系统由两个逆变器组成，逆变器（Ⅰ）串联在电网主电路中，逆变器（Ⅱ）则与供电负载并联，两个逆变器都是由图一原理构成的可双向变换的高频逆变器， 它们的作用是： 逆变器（Ⅰ）主要对电网电压的变化和电压谐波进行补偿，输入电压高时，吸收功率形成负电压补偿，输入电压低时输出功率形成正补偿；逆变器（Ⅰ）的第二个作用是它本身工作在电流源状态，把负载电流中的原功和谐波或成分隔掉，使输入功率因数趋近于一个理想的有源谐波器。逆变器（Ⅱ）的作用是多方面的。第一，配合逆变器（Ⅰ）对电网有功功率进行补偿，当逆变器（Ⅰ）输出功率进行正补偿时，逆变器（Ⅱ）从电网吸收电流并逆向变换给逆变器（Ⅰ）；当逆变器（Ⅰ）吸收功率做负补偿时，逆变器（Ⅱ）将逆变器（Ⅰ）吸收的功率以电流形式正向变换转送给负载。第二，控制中间支撑环节电容（或电池、超导储能）的电压，如果是电池，由逆变器（Ⅱ）给出浮充电压，保持此点电压的稳定（图一中的电压e）。第三，对负载端的无功电流和谐波电流进行补偿，保证负载端的电流谐波成分不传送到输入端。 图三所示系统实际上构成一个多功能电力调节系统，把此系统装配到电网上，就是一个多功能用户电力综合调节装置，调节的电网功率可达几个乃至几十个mva。把此系统配置在用户终端，在配置了蓄电池的情况下，就是一个性能优越的ups。 
图三 用户电力综合调节装置的基本结构及配置 用户电力综合调节装置（custom power）在国际上已经商用化（主要是美国、日本等）,在我国电力部门尚未应用此项技术，但研究工作已经开始，清华大学等院校和其它科研部门已经着手此项技术的研究。 四、 性能更优越的在线式ups 美国电力转换公司（apc）已成功地将此技术应用到ups中去，开发并向市场推出了性能优越的silcon dp300e系列在线式大功率ups。与原有传统的双变换在线式ups相比，silcon dp300e系列使传统双变换ups的多项指标得到改善和突破，主要特点如下： ①silcon dp300e是纯在线式ups： 
图四 同所有的交流补偿型交流稳压器和用户电力综合调节装置一样，silcon dp300e ups的逆变和控制电路随时在监视并参与对输出电压的调整，具有完备的在线调整功能，特别是当电网电压故障（过高、过低、失压等）时，由电网供电向电池供电的切换时间为零，这是典型的在线式ups功能，如图四所示。 
图五 ②silcon dp300e ups保留了传统双变换在线式ups的所有高性能指标，诸如输出电压稳定精度、负载动态响应、输出波形失真度、三相电压不平衡度、三相负载不平衡能力、频率跟踪能力和频率稳定度、抗干扰能力等指标，都可与传统双变换在线式ups相媲美。 ③silcon dp300e ups解决了传统双变换在线式ups对电网的污染公害。 传统双变换在线式ups的第一个逆变器是相控整流电路，由于可控硅在换相过程中存在短路现象，不管ups的负载是否有功率因数和谐波失真，ups输入电流谐波成分都高达30%，输入功率因数只有0.8，以100kva的ups而言，如果输入功率因数为0.8，在满负荷情况下，就有60kvar（千乏）的无功功率在电网和ups输入电路中流动，输入电压波形也就受到严重污染，如图五所示。它的危害是非常明显的，能对使用同一电网的其它设备形成干扰，影响正常运行，增大电力容量配置，增加电能损耗，增加其它配电设备成本。尽管可用十二相整流的方法提高输入功率因数，但这又会带来增加ups成本、降低效率、增大体积和重量、以及可能发生的低频振荡问题。 
图六 silcon dp300e 系列ups的输入端设有全功率整流电路，逆变器（Ⅰ）处在高频逆变状态，本身不产生功率因数失真，负载电流的无功功率和谐波成分又被逆变器（Ⅱ）补偿吸收掉，所以不管负载电流中有无谐波失真，ups的输入电流都呈现为正弦波，且与输入电压同相，输入功率因数高达0.99，谐波成分小于3%，如所示。 ④ 效率高，可靠性高 同传统双变换ups相比，在市电处在正常范围时，silcon dp300e ups的两个逆变器最大只承担负载功率的20%（假定输入电压变化范围是±15%），所以整机效率大大提高，可达96%以上，而传统双变换ups两个逆变器要承担100%的负载功率，在输入不加功率因数补偿环节的情况下，整机效率也仅能达到92%。效率高不仅仅是节省能源，更重要的是逆变器功率器件发热量小，损坏率低，寿命长，因此整机可靠性必然高。 ⑤ 输出能力强 传统双变换ups的两个逆变器总是承担着100%的负载功率，它没有更多的功率余量应付负载的突然变化，例如特殊的冲击性负载，或者负载的事故性变化。因此这种ups对负载提出了种种限制，诸如过载量、负载电流峰值系数、负载电流浪涌系数（例如启动负载时，由于冲击电流大只能先转旁路）、负载功率因数等，限制就意味着能力的不足。而silcon dp300e的两个逆变器最大只承担20%的负载功率，逆变器功率余量大，所以输出能力显然比传统双变换强很多，过载能力可达200% /分钟（传统双变换为150% /分钟），负载电流峰值系数5:1(传统双变换为3:1)，对负载电流浪涌系数没有严格限制，可直接启动负载（传统双变换要转旁路），在线性负载情况下，输出的kw值等于标定的kva值（传统双变换kw=0.7kva）等。可以说，silcon dp300e ups的输出能力更接近真实的电网能力。 |
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