摘 要：對三相不間斷電源系統(tǒng)的各模塊電路拓?fù)洹⒄麢C(jī)電路結(jié)構(gòu)以及各種流行控制策略做了一個(gè)概括性評析，指出了不間斷電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在的問題及當(dāng)前研究的新熱點(diǎn)，最后對UPS的發(fā)展動向做出了預(yù)言
關(guān)鍵詞：三相不間斷電源；逆變器并聯(lián)；數(shù)字控制

O 引言

在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，我國市電電網(wǎng)供電不足，電壓波動大，干擾嚴(yán)重的局面仍將存在。而各行業(yè)、各領(lǐng)域的快速發(fā)展對供電質(zhì)量提出了越來越高的要求，尤其是實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的重要系統(tǒng)、重要部門和重要的用電設(shè)備對供電質(zhì)量的要求和我國的電網(wǎng)實(shí)際狀況的矛盾日益尖銳。因此，不間斷電源(UPS)作為一種穩(wěn)壓穩(wěn)頻純凈化的綠色電源越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了不斷提高UPS的性能，科研人員對UPS系統(tǒng)做了大量的研究，提出了很多的電路拓?fù)渑c控制策略。

1 UPS的電路拓?fù)?

UPS的可靠運(yùn)行離不開各模塊的協(xié)調(diào)工作，下面就UPS主要功能模塊電路拓?fù)溥M(jìn)行簡要分析。

1．1 整流和功率因數(shù)校正電路

整流電路在應(yīng)用中構(gòu)成直流電源裝置，是公共電網(wǎng)與電力電子裝置的接口電路，其性能將影響公共電網(wǎng)的運(yùn)行和用電質(zhì)量。高性能的UPS要求有較高的輸入功率因數(shù)，并盡量減少輸入電流的諧波分量。傳統(tǒng)單相UPS多采用模擬方法，三相UPS多采用相控式整流電路和電壓型單管整流電路。

1．1．1 傳統(tǒng)三相相控式整流電路和電壓型單管整流電路

相控式整流電路采用半控式功率器件作為開關(guān)，存在著以下問題：

1)網(wǎng)側(cè)諧波電流的存在將降低設(shè)備網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，增加無功功率；
2)相控整流換流方式，導(dǎo)致?lián)Q流期中電網(wǎng)電壓畸變，不僅使自身電路性能受到影響，而且對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，對同一接地點(diǎn)的網(wǎng)間其他設(shè)備帶來不良影響；
3)相控整流環(huán)節(jié)是一個(gè)時(shí)滯環(huán)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。

電壓型單管整流電路是三相不控整流橋加Boost電路的簡稱，它的缺點(diǎn)是：電流峰值大，不僅妨礙系統(tǒng)功率的提高，也增加了導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；為了保持網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的提高，Boost電路必須有一定的升壓比，這對三相電路會導(dǎo)致直流輸出電壓過高。

1．1．2 電流型三相橋式整流電路

電流型三相橋式整流電路如圖1所示，其優(yōu)點(diǎn)是反饋控制簡單，不需要在控制電路中加入電流反饋，只須調(diào)節(jié)各開關(guān)管的占空比就可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化；直流側(cè)的電壓較低。缺點(diǎn)是輸入電流正弦度不是很好，在輸入側(cè)必須加入并聯(lián)電容，實(shí)現(xiàn)移相。這種電路現(xiàn)在開始成為研究的熱點(diǎn)之一。這種電路適用于大功率整流電路且對功率因數(shù)要求不高的場合。

1．1．3 電壓型三相橋式整流電路

電壓型三相橋式整流電路如圖2所示，其特點(diǎn)是采用高頻PWM整流技術(shù)，器件處于高頻開關(guān)狀態(tài)，由于器件的開通和關(guān)斷狀態(tài)可以控制，所以整流器的電流波形是可控制的。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可以得到與輸入電壓同相位的輸入電流，也就是輸入功率因數(shù)為1，輸入電流的諧波含量可以接近為零；能量可以雙向流動，正常時(shí)能量從交流側(cè)向直流側(cè)流動，直流輸出電壓高于給定值時(shí)，能量從直流側(cè)向交流側(cè)流動，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。缺點(diǎn)是屬于Boost型整流電路，直流側(cè)電壓要求較高。這種電路也是近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

1．2 蓄電池組和充放電電路

蓄電池組是UPS的儲能單元，市電正常時(shí)它吸收來自市電的能量并以化學(xué)能的形式儲存起來，一旦市電中斷，它把儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能向逆變器供電，維持負(fù)載供電的連續(xù)性。在中小功率的UPS系統(tǒng)中，電池組的電壓通常比較低，因此，通常使用能量能夠雙向流動的充放電電路[4]。大功率系統(tǒng)中為了提高效率，簡化電路通常直接把電池組并接在直流母線上。

1．3 逆變電路

逆變器是UPS的核心，它把直流電能轉(zhuǎn)換成用戶所需的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電能。下面仍以三相逆變器為對象分析近年來逆變器的研究熱點(diǎn)。

1．3．1 三相半橋式逆變電路

在三相逆變電路中以三相半橋橋式電路應(yīng)用最為普遍，這種電路的特點(diǎn)是采用全控型器件組成逆變器，存在著功率密度高，性能好，小型輕量化等優(yōu)點(diǎn)。這種電路便于使用新的控制策略以提高逆變器的質(zhì)量。但是，要實(shí)現(xiàn)帶100％的獨(dú)立負(fù)載是比較困難的。

1．3．2 H橋逆變器

對于超大容量的逆變器，由于功率等級的大幅度提高，對逆變器的結(jié)構(gòu)提出了新的要求，H橋臂逆變器便是選擇之一。這種逆變器輸出變壓器采用多繞組接法，輸出變壓器的原邊采用3個(gè)獨(dú)立的繞組，逆變器輸出采用3個(gè)獨(dú)立的H橋。這樣控制方便，但是成本較高。

1．3．3 三相四橋臂變換技術(shù)

由于三相電路中，三橋臂逆變器本身存在著固有的缺陷，人們開始尋求新的電路結(jié)構(gòu)，于是出現(xiàn)了三相四橋臂逆變器，如圖3所示。這種電路結(jié)構(gòu)輸出為三相四線制，三相電壓可以獨(dú)立控制，控制方法靈活，但是這種拓?fù)涞乃惴ū容^復(fù)雜，PWM矢量在三維空間中旋轉(zhuǎn)，必須采用數(shù)字控制方法才能實(shí)現(xiàn)空間PWM波形的生成，這種電路成為了近年來研究的熱點(diǎn)之一。

1.4 三相UPS整機(jī)電路

1.4．1 傳統(tǒng)三相UPS電路結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的三相UPS結(jié)構(gòu)，輸入采用晶閘管整流，輸出采用逆變器，電池直接掛接于直流母線，整流器同時(shí)作為充電器。輸出采用變壓器隔離，可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出完全隔離，確保電網(wǎng)的擾動不會對負(fù)載造成干擾。市電斷電時(shí)，電池通過逆變器輸出穩(wěn)定的交流電；在逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，通過旁路輸出電壓，保證了供電的可靠性。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是體積和重量都比較大。

1．4．2高頻鏈?zhǔn)饺郩PS

為了降低成本，減小UPS的體積和重量，出現(xiàn)了高頻鏈?zhǔn)饺郩PS，如圖4所示。這種電路省去了龐大的工頻變壓器，輸入采用高頻整流，可以獲得較高的輸入功率因數(shù)和較低的輸入諧波電流。其缺點(diǎn)是輸入輸出沒有變壓器隔離，電網(wǎng)的擾動可能會給UPS的輸出造成擾動；輸出三相電壓靠電池和電容中點(diǎn)形成中線，所以在控制中必須保持正負(fù)直流電壓幅值的相等，否則輸出中線會有較大的直流成分，對負(fù)載和負(fù)載中的變壓器不利；輸入采用三相四線制，中線有電流流過，可能會造成中線電位偏移，對負(fù)載造成干擾；輸入輸出不隔離，并聯(lián)時(shí)的環(huán)流問題較難解決。