用戶(hù)電能質(zhì)量綜合補償器與在線(xiàn)UPS工作原理

2.2 變壓器T_r的變比

變壓器T_r變比k的大小，取決于市電電壓變化的范圍。當用作電能質(zhì)量綜合補償器時(shí)，由于市電電壓的允許變化范圍為±10％，實(shí)際有的地方變化范圍可達±20％，所以變比k應取±25％；當用于補償式在線(xiàn)UPS時(shí)，當市電停電時(shí)電壓的變化為100％，故k值應取1：1，以全電壓對市電電壓進(jìn)行補償。

3 電流無(wú)功補償濾波器

電流無(wú)功補償濾波器的原理電路如圖5所示。由于感性負載和非線(xiàn)性負載的作用，使電流含有無(wú)功成分并發(fā)生畸變，包含無(wú)功與畸變的負載電流i_aL用傅里葉級數表示時(shí)為

i_aL=I_an·sin(nωt＋φ_n)=I_a1·sin(ωt＋φ₁)＋I_an·sin(nωt＋φ_n)=I_a1cosφ₁·sinωt＋I_a1sinφ₁·cos_ωt＋I_an·sin(nωt＋φ_n1)(11)

此式表明，畸變的電流由三部分組成

i_1p=I_a1cosφ₁·sinωt=I_ap·sinωt

為基波有功電流；

i_1q=I_a1sinφ₁·cosωt=I_aq·cosωt

為基波無(wú)功電流；

i_an=I_ansin(nωt＋φ_n)為高次諧波電流。

圖5 電流無(wú)功補償濾波器

由圖5可知：當完全補償時(shí)，負載電流i_aL應由市電輸入電流i_a和補償電流i_ac共同供給，即i_aL=i_a＋i_ac。如果用適當的控制方式，使補償器的輸出電流i_ac=i_1q＋i_an，則市電只須向負載提供基波有功電流i_1p就可以了。這樣就完全實(shí)現了補償，市電輸入電流i_a與市電電壓u_a同相位，輸入功率因數cooφ=1，i_a為正弦波電流。如果只需要消除高次諧波電流i_an，或只需要補償基波無(wú)功電流i_1q時(shí)，則只須使i_ac=i_an或i_ac=i_1q就可以了。為了能很好地完全補償基波無(wú)功電流i_1q和高次諧波電流i_an，逆變器采用了雙向全橋逆變器，并采用了線(xiàn)性Delta滯環(huán)控制方式。

3.1 補償器的數學(xué)模型

對有源濾波與無(wú)功補償器的要求是具有較強的適應能力和較高的反應速度。圖5所示電路是可以滿(mǎn)足上述要求的。圖中C_d為為儲能電容，R為回路電阻，根據基爾霍夫定律可得

(12)

式中：u_a為市電電壓；

U_dc為電容C_d上的電壓；

i_ac為補償電流；

F為逆變器開(kāi)關(guān)函數。

(13)

為了使C_d上的電壓U_dc恒定，C_d的值應足夠大。由于補償器前面有市電電壓穩壓濾波器，所以u_a=U_am·sinωt，將F、u_a代入式（12），解出補償電流i_ac的表示式為

i_ac=(ωLcosωt－Rsinωt)＋（14）

i_ac的初始值為

i_ac(t₁)=(ωLcosωt₁－Rsinωt₁)＋（15）

C_d={i_ac(t₁)－〔(ωLcosωt₁－Rsinωt₁)＋〕}（16）

將C_d的值代入式（14）得到

i_ac=〔(ωLcosωt－Rsinωt)－(ωLcosωt₁－Rsinωt₁)〕＋

〔1－〕＋i_ac(t₁)（17）

由于回路電阻R很小，當令R=0時(shí)可得

i_ac=(cosωt－cosωt₁)＋(t－t₁)＋i_ac(t₁)(18)

式（18）表明，補償電流i_ac只與電感L有關(guān)。

3.2 電感L的值

假定補償對象是整流器，其交流側的電流波形如圖6所示，由此可以得到補償電流參考值的波形如圖7所示。的變化是不均勻的，求解電感L的值也是很復雜的，為了節省篇幅，L的推導過(guò)程省略。從跟蹤角度出發(fā)，L值應取得大些。綜合兩者要求，通過(guò)推導得到L值計算式為

圖6 整流器負載電流

圖7 補償電流參考值

式中：N′為系數，N′=0.3～0.7，參數U_am，U_dc，I_aL，T（開(kāi)關(guān)周期），α，μ和I_ap在額定情況下都是已知的，其含義見(jiàn)圖6。當α=30°，μ=15°，L=3.4mH，f_s=5kHz時(shí)，仿真結果如圖8所示。此結果表明：市電輸入電流i_a由原來(lái)的方波，變成了準正弦波。輸入功率因數cosφ=1。

(a) 補償前的電網(wǎng)電流

(b) 補償后的電網(wǎng)電流

(c) 有源濾波器輸出電流

α=30°,μ=15°,L=3.4mH,f=5kHz

圖8仿真波形

3.3 控制方式

電流無(wú)功補償濾波器的控制方式，最好采用線(xiàn)性Delta滯環(huán)PWM控制方式，這是由于補償電流參考值的變化是不均勻的，在換向期間變化較大，為了能夠準確跟蹤，采用線(xiàn)性Delta滯環(huán)PWM控制，其電路與工作波形如圖9所示。

(a) 控制電路

(b) 工作波形

圖9 線(xiàn)性Delta控制電路與工作波形