380/220V,100kVA UPS备用发电机组的功率调节

2011-05-21 23:02:13来源: 互联网

摘要:叙述了UPS备用发电机功率调节器的工作原理与控制方式。

关键词:不间断电源;功率调节器;补偿

 

1  引言

    UPS备用(应急)发电机组是低压供电系统,一般都采用三相四线制输出。由它供电的负载常常是不对称负载,其中包括三相不对称电阻负载,三相不对称电感负载,三相不对称非线性负载,或包括电阻、电感、非线性负载在内的三相不对称混合负载。

    所谓功率调节器,就是当UPS备用(应急)发电机组在向不对称负载供电时,即使是向最严重的单相负载供电,功率调节器也能使发电机组的输出电流,成为三相对称的纯正弦有功电流,即便是单相负载的功率达到机组额定功率时也是如此。由于功率调节器能够把三相不对称负载(包括电阻性、电感性、非线性、以及它们的混合不对称负载)的功率,变换成只让机组提供三相对称的有功功率,使机组永远工作在三相对称有功功率状态,故称作功率调节器。

    由于功率调节器的上述作用,它必须具备如下的功能:

    1)能够对负载的无功电流进行动态补偿,使机组的输出功率因数接近于1;

    2)能够对负载的谐波电流进行动态补偿,使机组的输出电流接近于正弦波;

    3)能够对三相不对称电流进行动态补偿,使机组的输出电流为三相对称电流。

    由上述三个功能可知,UPS备用(应急)发电机组功率调节器,实际上就是一个可以对三相不平衡电流进行补偿的电力有源滤波器。在三相负载基本对称时,它可以对负载的无功电流与谐波电流进行补偿;在三相负载不对称时,即使在最严重的单相负载时,也能保证使发电机组输出三相对称的有功功率电流,其单相负载的功率可以达到机组的标称额定功率。这些性能表明,功率调节器提高了机组的供电质量,并能把三相不对称负载变换成机组的三相对称有功负载,从而提高了机组向不对称负载的供电能力,使单相负载时的功率可达到机组的标称额定功率。

2  功率调节器的组成与工作原理

    UPS备用(应急)发电机组的功率调节器原理电路如图1所示。其中功率调节器的电路,就是一个可以补偿三相不平衡电流的并联电力有源滤波器。它由三部分组成,即可以双向四象限工作的三相电压型Delta PWM逆变器、PWM脉冲形成驱动器、由指令电流运算电路及电流跟踪控制电路组成的控制器。

图1  备 用 ( 应 急 ) 发 电 机 与 功 率 调 节 器 的 电 路 结 构

    图1中,usausbusc表示交流电源,负载为不对称的电阻、电感、整流电路或由它们组成的不对称负载,是无功电流、谐波电流和不对称电流源。控制器中的指令电流运算电路的作用是,检测出负载电流iLa

    iLbiLc中的无功分量、谐波分量和不平衡电流分量,并由这些分量作为指令电流,由电流跟踪控制电路根据指令电流产生出PWM触发脉冲,此触发脉冲经驱动器放大后去驱动Delta逆变器。由Delta逆变器产生出补偿电流,以对负载的无功电流、谐波电流和不平衡电流进行补偿,使机组的输出电流成为三相对称的有功电流。

    可以补偿不平衡电流的电力有源滤波器,采用的是并联式有源滤波器。当需要补偿负载产生的无功电流、谐波电流和不平衡电流时,应首先检测出负载电流iLaiLbiLc中的无功电流分量iLaqiLbqiLcq,谐波电流分量iLahiLbhiLch和不平衡分量iLaoiLboiLco,将这些分量反极性后相加作为补偿电流isacisbciscc的指令信号,由Delta逆变器产生的补偿电流与负载电流中的各分量电流,例如iLaqiLbqiLcq等大小相等,方向相反而互相抵消,使机组输出电流isaisbisc成为只含基波有功功率电流的三相对称正弦电流,对于A相:

isa=iLaisac

iLa=iLapiLaqiLahiLao

isac=-(iLaqiLahiLao)

isa=iLaisac=iLap=iLaf

上式中:iLaf表示负载电流的基波有功分量。

    当机组向最严重的单相(例如A相)不对称负载供电,单相负载的功率等于机组的额定功率时,负载电流,机组输出电流和功率调节器补偿电流的数值,如图2所示。

图2  单 相 负 载 时 的 负 载 电 流 、 补 偿 电 流 与 机 组 输 出 电 流 的 数 值 示 意 图

    这里必须指出的是,功率调节器对机组电流的补偿是动态补偿,对补偿对象的变化具有极快的响应速度,可以作到连续调节;对无功功率进行补偿时不需要储能元件,对谐波电流进行补偿时所需储能元件的容量也不大,但对不平衡电流进行补偿时却需要较大容量的储能元件;即使补偿对象电流过大,功率调节器也不会发生过载,并能正常发挥补偿作用;功率调节器对机组电流的补偿受机组阻抗的影响不大,不容易和机组内阻抗发生谐振;能跟踪机组频率的变化,故补偿性能不受机组频率变化的影响;由于机组是三相四线制输出,所以负载各相的电压和相应的机组各相电压相等,当机组相电压对称时,负载各相电压也是对称的,故补偿性能也不受机组电压的影响。

3  功率调节器的指令电流运算电路

    功率调节器的控制器,是由指令电流运算电路和电流跟踪控制电路两部分组成的。本节只介绍其中的指令电流运算电路,电流跟踪控制电路和驱动器一起将在下一节中介绍。

3.1  检测无功电流和谐波电流的运算电路

    以A相电路为例,当负载中含有电阻、电感和非线性负载时,负载电流将滞后于机组电压,并产生畸变,此时A相负载电流iLa的傅里叶级数表达式为

iLa=Ifsin(ωtφf)+Insin(nωtφn)

=IfcosφfsinωtIfsinφfcosωtInsin(nωtφn)

式中f代表基波,n代表谐波次数,φf为基波电流滞后于机组电压的相位角,φnn次谐波电流滞后于电压的相位角,注脚f代表基波。

    令iLap=Ifcosφfsinωt=ILapsinωt为基波有功电流;iLaq=Ifsinφfcosωt=ILaqcosωt为基波无功电流;iLah=Insin(nωtφn)为谐波电流,则

    iLa=iLapiLaqiLah

    功率调节器向机组提供所需的无功与谐波电流的工作原理是,将A相负载电流iLa中的无功与谐波电流iLaqiLahiLa中分离出来,用iLaqiLah作为指令电流对Delta逆变器进行跟踪控制,得到与iLaqiLah相同的电流输入到负载,此时机组输入到负载的电流isa=iLap

    电流iLaqiLah的检出运算电路如图3所示。将A相负载电流iLa加到图3所示电路的输入端,经低通滤波器Ⅰ(见图5)滤除iLa中的谐波电流iLah,将剩下的基波电流iLapiLaq与机组电压usa=Umsinωt输入到乘法器Ⅰ中,相乘后得到

    F=(iLapiLaq)usa=(IfcosφfsinωtIfsinφfcosωt)Umsinωt

     =cosφfcosφfcos(2ωt)+sinφfsin(2ωt)

l

图3  A相 电 流iLaiLaqiLah检 出 运 算 电 路 框 图

    F经过低通滤波器Ⅱ(见图5),将二次谐波分量滤除,只剩下直流分量g=IfUmcosφf,式中K为低通滤波器Ⅱ的放大系数。将gusa再输入到乘法器Ⅱ中,相乘后得到

    =gusa=IfUmcosφfUmsinωt=IfUm2cosφfsinωt

    调节低通滤波器Ⅱ的放大系数K,使得

    Um2=1

则得到

    =Ifcosφfsinωt=iLap

    从负载电流中减去iLap即可得到

    iLaiLap=(iLapiLaqiLah)-iLap=iLaqiLah

    =iLaqiLah作为Delta逆变器的指令电流,用三角波比较方式进行跟踪控制,即可使Delta逆变器输出补偿电流isac=iLaqiLah供给负载,使机组的输出电流isa=iLap,机组的输出功率因数等于1。

3.2  可以检测出不平衡电流的三相运算电路

    可以检测出不平衡电流的三相运算电路如图4所示,它是由三个如图3所示的单相检测运算电路组成的。

l

图4  可 以 检 测 不 平 衡 电 流 的 三 相 运 算 电 路 框

    在三相四线制电路中,当三相负载不平衡时,负载电流iLaiLbiLc中将包含零序分量,并且它们所含的零序分量是相等的,io=(iLaiLbiLc)。为了使机组的输出电流三相对称,最直接的办法是把三个零序分量变成机组的三相对称输出电流。为此,将各相负载电流减去2io,使各相负载电流中的io由正变负,并把io的方程式引入到各相负载电流中。这样利用图4所示的运算电路,就可以将io分离出来,并变换成机组的输出对称电流。然后用各相的负载电流,减去相应各相的机组输出对称电流,就可得到功率调节器的补偿电流指令值。这样,只须在电路中增加一个加法器和三个减法器就行了,电路的其它部分保持原样不变。

    功率调节器的补偿电流发生电路,是由电压型Delta PWM逆变器及其相应的驱动电路和电流跟踪控制电路组成。为了保证其有良好的补偿电流跟踪特性,必须将Delta逆变器直流侧电容上的电压控制为一个适当的值,图4中的IC1和IC2就起到这个作用。图中UdcrUdc的给定值,UdcUdcr之差经IC1、IC2后得到调节信号ΔUdc,将它加到瞬时有功电流的直流信号g上,就能控制直流电压Udc为某一给定值。在本功率调节器中,是控制Udc=750V。为了控制Udc=750V,所以在图3和图4中加入了ΔUdc反馈信号。

    此外,在图3和图4中的低通滤波器电路如图5所示。其传递函数为

    H(S)=

    这是一种三阶切比雪夫模拟式低通滤波器,按照图中给出的参数,其截止频率为22Hz,误差小于2.5%。

l

图 5  图 3和 图 4中 的 低 通 滤 波 器 电 路

3.3  不平衡负载时三相指令电流的检出

    我们以只有A相有负载R,B相和C相空载,且A相负载等于机组标称额定功率时的,最严重不平衡负载的情况为例进行说明(见图2)。

    当只有A相有负载R,B相和C相空载时,则流过中线的电流3io=iLa。若将机组输出电流isaisbisc补偿成三相对称电流时,则iLa中的用来对B相和C相进行补偿。所以在各相的检测电路中都将本相负载电流减去iLa作为运算电路的输入电流,将得到的运算结果再被本相负载电流减去,就可以得到各相补偿电流的指令信号。由图4所示已知:

    机组额定功率为100kVA;

    iLa=ImsinωtILa=450A;

    iLb=0,ILb=0;

    iLc=0,ILc=0;

    io=iLaIo==150A。

    对于A相

    输入电流为iLaiLa=ImsinωtImsinωt=Imsinωt,与usa=Umsinωt相乘后得

    Fa=ImsinωtUmsinωt=ImUmsin2ωt=ImUm(1-cos2ωt)

    用低通滤波器滤掉二次谐波后只剩下ga=ImUm,其中K为滤波器的放大系数。然后再与usa=Umsinωt相乘则得

    iLap=ImUm·Umsinωt=ImUm2sinωt

    令Um2=1,则得

    iLap=Imsinωt=isa

    用iLa减去isa即可得到

    =ImsinωtImsinωt=Imsinωt

    对于B相

    输入电流为:iLbiLa=0-Imsinωt=-Imsinωt,与usb=Umsin(ωt-120°)相乘后得

    Fb=-ImsinωtUmsin(ωt-120°)=Imsin(ωt-180°)Umsin(ωt-120°)=-ImUm〔cos(2ωt-300°)- cos(-60°)〕

    用低通滤波器滤掉二次谐波后只剩下

    gb=-ImUm〔-cos(-60°)〕=ImUm

其中K为滤波器的放大系数。然后再与usb=Umsin(ωt-120°)相乘则得

    iLbp=ImUm·Umsin(ωt-120°)

    令Um2=1,则得

    iLbp=Imsin(ωt-120°)=isb

    用iLb减去isb即可得到

    =0-Imsin(ωt-120°)=-Imsin(ωt-120°)

    对于C相

    输入电流为iLciLa=0-Imsinωt=-Imsinωt,与usc=Umsin(ωt+120°)相乘后得

    Fc=-ImsinωtUmsin(ωt+120°)=-ImUm〔cos(2ωt-60°)-cos(60°)〕

    用低通滤波器滤掉二次谐波后只剩下

    gc=-ImUm〔-cos(60°)〕=ImUm

其中K为滤波器的放大系数。然后再与usc=Umsin(ωt+120°)相乘则得

    iLcp=ImUm·Umsin(ωt+120°)

    令Um2=1,则得

    iLcp=Imsin(ωt+120°)=isc

    用iLc减去isc即可得到

    =0-Imsin(ωt+120°)=-Imsin(ωt+120°)

    由得到补偿电流isac=Imsinωt

    由得到补偿电流isbc=-Imsin(ωt-120°)

    由得到补偿电流iscc=-Imsin(ωt+120°)

    当Isac=450A×=300A,Isbc=-450A×=-150A,Iscc=-450A×=-150A。其关系如图2及图6所示。

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图 6  单 相 负 载 时 补 偿 电 流 的 向 量 图

3.4  采用瞬时无功理论的指令电流运算电路

    瞬时无功理论是由日本学者赤木泰文于1983年提出来的,其中包括pq运算法、ipiq运算法和dq运算法。这里只介绍一种pq运算法,其电路如图7所示,图中

    C32=Cpq=

    C23=

    但这种运算电路检测法的电路较复杂,所用乘法器较多,调整困难,故未采用。

l

图 7  瞬 时 无 功 理 论pq运 算 检 测 电 路

4  电路跟踪控制电路

    电流跟踪控制电路采用的是三角波比较方式,图8是三角波比较方式的波形图,图9是三角波比较方式的原理框图。这种方式与SPWM方式是不同的。它不直接将指令信号与三角波进行比较,而是将isac的偏差Δisac经放大器A放大后再与三角波进行比较。放大器A采用比例放大器或比例积分放大器。这种控制方式是基于将Δisac控制到最小来进行设计的。其优点是输出电压中的谐波含量较小,只含有与三角波频率相同的谐波,滤波比较容易。其缺点是硬件比较复杂,跟踪误差稍大,响应速度稍慢。

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图 8  三 角 波 比 较 方 式 的 波 形 示 意 图

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图 9  三 角 波 比 较 方 式 的 原 理 框 图

    Delta逆变器的开关器件,可以选用1200V/600A的IGBT,也可以采用1200V/300A的IGBT2只并联,相应的驱动器,可以与IGBT配套购买。例如对于1200V/300A的IGBT,可以选用EXB851或EXB841型极驱动混合IC驱动器。

5  试验波形

    图10给出了单相电阻负载时的源侧与负载侧的试验波形,可以看出源侧电流是三相对称的,说明功率调节器可以对不平衡负载进行补偿;图11给出了单相电感负载时的源侧与负载侧的试验波形,可以看出源侧电流是几乎为零的三相对称电流,说明功率调节器可以对无功电流和不平衡负载进行补偿;图12给出了三相非线性负载时的源侧和负载侧的试验波形,可以看出源侧电流基本上是正弦的三相对称电流,说明功率调节器可以对负载的谐波电流进行补偿。

l

(a)  负 载 侧

(b)  源 侧

图 10  单 相 电 阻 负 载 时 的 试 验 波 形

(a)  负 载 侧

(b)  源 侧

图 11  单 相 电 感 负 载 时 的 试 验 波 形

(a)  负 载 侧

(b)  源 侧

图 12  三 相 非 线 性 负 载 时 的 试 验 波 形

6  结语

    从上面的分析和试验波形可知,功率调节器具有如下的作用:

    1)可以对不平衡负载进行补偿,不管三相负载如何不对称,经功率调节器补偿后,能使机组的电流成为三相对称的电流,在带单相负载时机组可以提供额定的输出功率;

    2)可以补偿负载的无功功率电流,使机组的输出功率因数接近于1;

    3)可以补偿负载的谐波电流,使机组的输出电流为基本纯净的三相对称正弦波电流。

关键字:备用  发电机组  功率  调节

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0521/article_8901.html
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