電力系統用三相UPS的設計?

1引言

在電力系統中，為了保證對供電可靠性要求較高的重要設備能正常工作，發電廠、變電站均應安裝UPS。隨著電力電子技術的發展，對容量要求也越來越大，大容量的UPS都是三相的[1],因此對三相UPS的需求也逐漸增多。

發電廠、變電站都有直流操作電源系統，為了充分利用直流操作系統中蓄電池所存儲的能量，用于電力系統的UPS應該保證能夠在直流220V/110V輸入情況下輸出所需交流電能，這就要求用于電力系統的UPS有很寬的電壓輸入范圍，一般為100V～300V。

在電力系統中，通常要求交、直流供電系統能保證良好的隔離，因此要求UPS系統帶輸出隔離變壓器。因為直流母線的220V輸入電壓經SPWM逆變器后不能得到220V的交流輸出，所以采用輸出隔離工頻變壓器進行升壓后再輸出。

此外，電力系統發電廠、變電站內向外發送電磁干擾的噪聲源較多。由于電動機、繼電器、輸配電線等都可能會產生電磁干擾，所以要求用于電力系統的UPS具有很強的抗干擾能力。

2系統結構

與一般的UPS不同的是，用于電力系統的UPS內不再含有電池，從直流母線輸入220V/110V電壓。系統結構如圖1所示。輸入接直流母線和三相四線380V市電，輸出為穩壓穩頻的三相380V正弦交流。用于電力系統的三相UPS主電路包括：整流器、起動電路、三相逆變器、三相隔離變壓器、靜態開關和濾波器等。

整流器將三相交流市電轉換為直流電壓，起動電路對直流上電過程進行限流，防止起動過程的大電流沖擊損壞器件；三相逆變器把直流輸入變換為穩壓、穩頻的三相正弦交流輸出；三相逆變器的輸出經三相隔離變壓器升壓，并通過LC低通濾波器進行平滑濾波，濾除高頻諧波，然后經靜態開關接到輸出。三相隔離變壓器有兩個作用：一是升壓，將三相逆變器輸出的相電壓由110V變換為220V。二是隔離，將逆變器與負載隔離，這可以對負載變化起到緩沖作用，也使負載上無直流電流分量；靜態開關用以實現市電旁路輸出和逆變器輸出之間的切換；輸入輸出端的EMI濾波器用于抑制電磁干擾信號，具雙向隔離作用。

2.1三相SPWM逆變器

圖1主電路結構圖

圖2經典的三相逆變器主電路

圖3適應三相不平衡負載的三相逆變器

圖4靜態開關的連接

三相PWM逆變器是要把直流輸入變換為三相正弦交流輸出，許多實際裝置中通常采用經典的三相逆變器結構，如圖2所示。這是由三個基本橋臂組成的三相橋式逆變器，其控制方式一般采用雙極性方式，A、B、C相通常公用一個三角載波，三相調制信號依次相差120°，各相功率開關的控制規律相同。

對于三相輸出的逆變器，三相負載的平衡是一個必須考慮的重要問題，目前性能較好的大中型UPS都要求具備三相100％不平衡的功能[2]。為了適應三相負載不平衡的需要，三相逆變器最好采用三個單相橋分別變換，然后再把輸出按120°的相位差組合起來的方式，如圖3所示，每相各有一個單相橋式逆變器（圖3中的逆變器1～3），每個單相橋式逆變器需用四個開關管。因此總共需要12個開關器件，結構較復雜。帶來的好處是：三個單相逆變器獨立工作，其輸出互不影響，實際上三個單相逆變器并聯，只是相位不同。這樣可以允許三相負載100％不平衡，三相嚴重不平衡也不會對任一逆變器輸入產生影響。

本設計中選用圖3所示電路，三相各有一套獨立的SPWM波形產生電路，三相共用同一個來自市電的時鐘基準信號AC50Hz，各相波形產生電路的EPROM中存放的正弦波數據相位上互差120°，從而保證得到三相同步正弦波控制信號。

圖3中各相逆變器結構相同，為全橋逆變電路。采用高頻SPWM技術，功率開關管選用IGBT,開關頻率為30kHz。通過正弦波控制信號與三角波比較的方法，得到基波為50Hz的SPWM波，再經濾波器濾除高頻，可輸出低失真的50Hz正弦波。

2.2靜態開關切換電路

靜態開關的作用是：當市電正常時，將市電直接送到輸出端給負載供電；當電網電壓異常時，轉由逆變器向負載供電。靜態開關是保證不間斷供電的關鍵，要求它工作可靠，不會在切換過程中造成逆變器和市電之間出現短路的現象。目前常用交流固態繼電器(SSR)作為靜態開關進行切換。它具有切換速度快、便于控制、可直接與計算機接口的優點。本文所設計的電力系統用三相UPS，選用固態繼電器通過邏輯控制實現切換，可滿足UPS快速、可靠切換的要求。

市電旁路通過固態繼電器與負載相連,逆變器輸出通過固態繼電器與交流接觸器的并聯接到負載。市電中線、逆變器中線和負載中線直接連接在一起。

如圖4所示,控制邏輯如下：

（1）市電切換到逆變器首先關斷市電旁路的固態繼電器，待該固態繼電器電流過零可靠關斷后，再開通逆變器支路的固態繼電器，并同時發出合交流接觸器的指令,因為固態繼電器比交流接觸器的動作速度快,所以固態繼電器接通一段時間后,交流接觸器閉合，將固態繼電器短接。這樣可提高開關器件的工作可靠性，并減少損耗。

（2）逆變器切換到市電

①若逆變器故障，首先將逆變器停機，然后關斷逆變器支路的固態繼電器和交流接觸器，同時將市電旁路的固態繼電器接通。故障消除后，視具體情況自動開啟逆變器。

圖5交流濾波電路

圖6逆變器控制電路框圖

②若逆變器正常，首先斷開逆變器支路的交流接觸器，交流接觸器可靠斷開后，再關斷逆變器支路的固態繼電器，待該固態繼電器電流過零可靠關斷后，再開啟市電旁路的固態繼電器。

2.3交流濾波電路[3][4]

高頻SPWM逆變器的輸出是等幅不等寬的一系列矩形波脈沖，其脈寬按正弦規律變化。開關器件的轉換頻率等于三角波載波的頻率。為了濾除高頻分量，得到低失真的正弦波輸出，可采用圖5所示的低通濾波電路。電路中起主要濾波作用的是變壓器原邊所接的電感L1、L2和變壓器副邊的電容C，一般常用的交流濾波電路中沒有與電容C串聯的電阻R，在這種情況下，電感、電容的參數是由濾波器的諧振頻率ωn決定的，ωn=

其中變壓器的變比n=1/2，通常取ωn≤0.1×2π×f1（f1是逆變器的開關頻率），這樣可以算出LC的乘積。L、C值的選擇不僅要滿足濾波要求，還要考慮到整個閉環系統的頻率響應及系統閉環零極點配置。試驗觀察到，電容C串聯了合適的電阻R后，可以使濾波效果更好。

2.4EMI濾波器

在各類電源的設計中，干擾是經常出現的問題，UPS也不例外。隨著功率電子技術和自動化技術的發展，UPS已逐漸成為電力與電子、強電與弱電系統融為一體的設備，因此電磁干擾的問題也越來越復雜。電網中的諧波可能會對逆變器的工作或切換過程帶來干擾，高頻PWM變換器產生的射頻干擾也會對用電設備和電網帶來干擾。

EMI濾波器的主要作用是減小沿交流電網的電源線傳導的電磁干擾，抑制電網紋波對UPS的影響。濾波器大都采用LC濾波電路，為了使得濾除電磁干擾的效果更好，可采用兩級LC濾波器。實際中，常采用三相EMI濾波器模塊。目前EMI濾波器普遍采用模塊化結構，安裝、更換方便，成為一種可更換的標準化電子部件。

輸出濾波器對UPS內部產生的電磁干擾進行衰減，防止對輸出端其他設備可能造成的危害。通常采用三相交流EMI濾波器作為輸出端的濾波器。另外，為了減小直流電源與逆變器之間的電磁干擾，一般在直流電源輸入端也接入直流EMI濾波器。

3控制電路

用于電力系統的三相UPS核心是三相逆變器，其控制電路主要是對三相逆變器工作狀態的控制，主要包括模擬控制電路和數字監控電路兩部分。模擬控制電路的作用是產生SPWM波、對電壓電流引入反饋調節以保證輸出電壓穩定且波形失真小、減小輸出電壓中的直流分量、實現鎖相同步等。數字監控電路檢測整個系統的狀態、采集數據、處理各種故障、控制靜態開關的切換等。

3.1正弦波控制信號和三角波載波的產生

SPWM逆變器的作用是把直流電變為等幅不等寬的矩形波，其基波為50Hz正弦波。通常采用基準正弦波與三角波比較的方法產生PWM控制信號。本設計中，為了產生頻率穩定、失真度小、幅度可調的正弦波控制信號，把正弦波數據存放在EPROM中，通過D/A轉換即可得到正弦波控制信號。三角波發生器采用單片函數發生器集成芯片ICL8038，該芯片只要外接少量元器件就能產生頻率穩定、輸出波形失真小的三角波。

3.2對三相SPWM逆變器的控制

如圖6所示，通過電壓、電流霍爾元件對輸出電壓、電流取樣，形成反饋信號，反饋電壓與給定電壓相減形成偏差電壓，送到正弦波發生器輸出端所接D/A轉換器0832的VREF端，這相當于偏差電壓與正弦波控制信號相乘，相乘的結果與瞬時值電壓反饋、抗偏磁反饋信號相減后經過PI調節器再與三角波比較得到PWM波，這個PWM波再經死區形成電路，就產生了兩路互補、留有一定死區的PWM控制信號。

圖7數字監控電路框圖

為了使得切換過程中不出現環流或負載斷電，采用同步鎖相技術實現UPS和電網電壓的同頻同相。本設計中選用單片集成數字鎖相環芯片CD4046實現同步鎖相。

3.3數字監控電路[4]

監控電路是以89C52單片機為核心的數字系統，主要由單片機、鍵盤、輸入輸出接口、看門狗電路、通信接口等組成，電路框圖如圖7所示。

設置三個按鍵：起動/復位鍵（RESET）、停機鍵（STOP）和方式鍵（MOD）。各個按鍵的狀態被檢測后送入單片機，根據實際要求決定對逆變器及系統的控制。輸入接口電路還對整個系統的工作狀況和故障進行監測并輸入單片機，由單片機輸出相應的控制及報警信號。

看門狗電路采用MAX813，對單片機進行上電復位和定時復位，以防止軟件運行失控。用單片機的一個I/O口（P1.0）對定時器進行清零，當程序在執行過程中跳飛或進入死循環時，程序不能在定時溢出前對其進行清零，就會使MAX813定時溢出而產生復位信號，使單片機重新起動。

通信接口選用MAX1483芯片，將串行口信號由TTL電平轉換為RS485電平，形成半雙工的RS485通信接口。

在切換過程中，由主電路中的霍爾元件實時檢測輸出電流的過零點，給一組固態繼電器發關斷信號后，當輸出電流出現過零時，才能給另一組固態繼電器發開通信號。這樣可減少切換時間，保證可靠切換。

4結語

本文分析了電力系統對三相UPS的要求，提出了電力系統用三相UPS的設計方案。系統采用高頻SPWM技術，開關器件選用IGBT，主電路中采用工頻變壓器隔離，由三個獨立的單相逆變器組成三相逆變器，電壓瞬時值和電壓有效值雙閉環控制，采用霍爾元件檢測主電路電壓、電流，單片機監控系統的工作狀態及故障，固態繼電器實現切換。該系統輸出波形質量好，可以適應100％不平衡負載，工作可靠性高，抗干擾能力強，完全可以滿足發電廠、變電站等電力部門的需要。