电力系统中三相UPS的设计

1引言

在电力系统中，为了保证对供电可靠性要求较高的重要设备能正常工作，发电厂、变电站均应安装UPS。随着电力电子技术的发展，对容量要求也越来越大，大容量的UPS都是三相的[1],因此对三相UPS的需求也逐渐增多。

发电厂、变电站都有直流操作电源系统，为了充分利用直流操作系统中蓄电池所存储的能量，用于电力系统的UPS应该保证能够在直流220V/110V输入情况下输出所需交流电能，这就要求用于电力系统的UPS有很宽的电压输入范围，一般为100V～300V。

在电力系统中，通常要求交、直流供电系统能保证良好的隔离，因此要求UPS系统带输出隔离变压器。因为直流母线的220V输入电压经SPWM逆变器后不能得到220V的交流输出，所以采用输出隔离工频变压器进行升压后再输出。

此外，电力系统发电厂、变电站内向外发送电磁干扰的噪声源较多。由于电动机、继电器、输配电线等都可能会产生电磁干扰，所以要求用于电力系统的UPS具有很强的抗干扰能力。

2系统结构

与一般的UPS不同的是，用于电力系统的UPS内不再含有电池，从直流母线输入220V/110V电压。系统结构如图1所示。输入接直流母线和三相四线380V市电，输出为稳压稳频的三相380V正弦交流。用于电力系统的三相UPS主电路包括：整流器、起动电路、三相逆变器、三相隔离变压器、静态开关和滤波器等。

整流器将三相交流市电转换为直流电压，起动电路对直流上电过程进行限流，防止起动过程的大电流冲击损坏器件；三相逆变器把直流输入变换为稳压、稳频的三相正弦交流输出；三相逆变器的输出经三相隔离变压器升压，并通过LC低通滤波器进行平滑滤波，滤除高频谐波，然后经静态开关接到输出。三相隔离变压器有两个作用：一是升压，将三相逆变器输出的相电压由110V变换为220V。二是隔离，将逆变器与负载隔离，这可以对负载变化起到缓冲作用，也使负载上无直流电流分量；静态开关用以实现市电旁路输出和逆变器输出之间的切换；输入输出端的EMI滤波器用于抑制电磁干扰信号，具双向隔离作用。

2.1三相SPWM逆变器

图1主电路结构图

图2经典的三相逆变器主电路

图3适应三相不平衡负载的三相逆变器

图4静态开关的连接 

三相PWM逆变器是要把直流输入变换为三相正弦交流输出，许多实际装置中通常采用经典的三相逆变器结构，如图2所示。这是由三个基本桥臂组成的三相桥式逆变器，其控制方式一般采用双极性方式，A、B、C相通常公用一个三角载波，三相调制信号依次相差120°，各相功率开关的控制规律相同。

对于三相输出的逆变器，三相负载的平衡是一个必须考虑的重要问题，目前性能较好的大中型UPS都要求具备三相100％不平衡的功能[2]。为了适应三相负载不平衡的需要，三相逆变器最好采用三个单相桥分别变换，然后再把输出按120°的相位差组合起来的方式，如图3所示，每相各有一个单相桥式逆变器（图3中的逆变器1～3），每个单相桥式逆变器需用四个开关管。因此总共需要12个开关器件，结构较复杂。带来的好处是：三个单相逆变器独立工作，其输出互不影响，实际上三个单相逆变器并联，只是相位不同。这样可以允许三相负载100％不平衡，三相严重不平衡也不会对任一逆变器输入产生影响。

本设计中选用图3所示电路，三相各有一套独立的SPWM波形产生电路，三相共用同一个来自市电的时钟基准信号AC50Hz，各相波形产生电路的EPROM中存放的正弦波数据相位上互差120°，从而保证得到三相同步正弦波控制信号。

图3中各相逆变器结构相同，为全桥逆变电路。采用高频SPWM技术，功率开关管选用IGBT,开关频率为30kHz。通过正弦波控制信号与三角波比较的方法，得到基波为50Hz的SPWM波，再经滤波器滤除高频，可输出低失真的50Hz正弦波。

2.2静态开关切换电路

静态开关的作用是：当市电正常时，将市电直接送到输出端给负载供电；当电网电压异常时，转由逆变器向负载供电。静态开关是保证不间断供电的关键，要求它工作可靠，不会在切换过程中造成逆变器和市电之间出现短路的现象。目前常用交流固态继电器(SSR)作为静态开关进行切换。它具有切换速度快、便于控制、可直接与计算机接口的优点。本文所设计的电力系统用三相UPS，选用固态继电器通过逻辑控制实现切换，可满足UPS快速、可靠切换的要求。

市电旁路通过固态继电器与负载相连,逆变器输出通过固态继电器与交流接触器的并联接到负载。市电中线、逆变器中线和负载中线直接连接在一起。

如图4所示,控制逻辑如下：

（1）市电切换到逆变器首先关断市电旁路的固态继电器，待该固态继电器电流过零可靠关断后，再开通逆变器支路的固态继电器，并同时发出合交流接触器的指令,因为固态继电器比交流接触器的动作速度快,所以固态继电器接通一段时间后,交流接触器闭合，将固态继电器短接。这样可提高开关器件的工作可靠性，并减少损耗。

（2）逆变器切换到市电

①若逆变器故障，首先将逆变器停机，然后关断逆变器支路的固态继电器和交流接触器，同时将市电旁路的固态继电器接通。故障消除后，视具体情况自动开启逆变器。

图5交流滤波电路

图6逆变器控制电路框图

②若逆变器正常，首先断开逆变器支路的交流接触器，交流接触器可靠断开后，再关断逆变器支路的固态继电器，待该固态继电器电流过零可靠关断后，再开启市电旁路的固态继电器。 

2.3交流滤波电路[3][4]

高频SPWM逆变器的输出是等幅不等宽的一系列矩形波脉冲，其脉宽按正弦规律变化。开关器件的转换频率等于三角波载波的频率。为了滤除高频分量，得到低失真的正弦波输出，可采用图5所示的低通滤波电路。电路中起主要滤波作用的是变压器原边所接的电感L1、L2和变压器副边的电容C，一般常用的交流滤波电路中没有与电容C串联的电阻R，在这种情况下，电感、电容的参数是由滤波器的谐振频率ωn决定的，

ωn=

其中变压器的变比n=1/2，通常取ωn≤0.1×2π×f1（f1是逆变器的开关频率），这样可以算出LC的乘积。L、C值的选择不仅要满足滤波要求，还要考虑到整个闭环系统的频率响应及系统闭环零极点配置。试验观察到，电容C串联了合适的电阻R后，可以使滤波效果更好。

2.4EMI滤波器

在各类电源的设计中，干扰是经常出现的问题，UPS也不例外。随着功率电子技术和自动化技术的发展，UPS已逐渐成为电力与电子、强电与弱电系统融为一体的设备，因此电磁干扰的问题也越来越复杂。电网中的谐波可能会对逆变器的工作或切换过程带来干扰，高频PWM变换器产生的射频干扰也会对用电设备和电网带来干扰。

EMI滤波器的主要作用是减小沿交流电网的电源线传导的电磁干扰，抑制电网纹波对UPS的影响。滤波器大都采用LC滤波电路，为了使得滤除电磁干扰的效果更好，可采用两级LC滤波器。实际中，常采用三相EMI滤波器模块。目前EMI滤波器普遍采用模块化结构，安装、更换方便，成为一种可更换的标准化电子部件。

输出滤波器对UPS内部产生的电磁干扰进行衰减，防止对输出端其他设备可能造成的危害。通常采用三相交流EMI滤波器作为输出端的滤波器。另外，为了减小直流电源与逆变器之间的电磁干扰，一般在直流电源输入端也接入直流EMI滤波器。

3控制电路

用于电力系统的三相UPS核心是三相逆变器，其控制电路主要是对三相逆变器工作状态的控制，主要包括模拟控制电路和数字监控电路两部分。模拟控制电路的作用是产生SPWM波、对电压电流引入反馈调节以保证输出电压稳定且波形失真小、减小输出电压中的直流分量、实现锁相同步等。数字监控电路检测整个系统的状态、采集数据、处理各种故障、控制静态开关的切换等。

3.1正弦波控制信号和三角波载波的产生

SPWM逆变器的作用是把直流电变为等幅不等宽的矩形波，其基波为50Hz正弦波。通常采用基准正弦波与三角波比较的方法产生PWM控制信号。本设计中，为了产生频率稳定、失真度小、幅度可调的正弦波控制信号，把正弦波数据存放在EPROM中，通过D/A转换即可得到正弦波控制信号。三角波发生器采用单片函数发生器集成芯片ICL8038，该芯片只要外接少量元器件就能产生频率稳定、输出波形失真小的三角波。

3.2对三相SPWM逆变器的控制

如图6所示，通过电压、电流霍尔元件对输出电压、电流取样，形成反馈信号，反馈电压与给定电压相减形成偏差电压，送到正弦波发生器输出端所接D/A转换器0832的VREF端，这相当于偏差电压与正弦波控制信号相乘，相乘的结果与瞬时值电压反馈、抗偏磁反馈信号相减后经过PI调节器再与三角波比较得到PWM波，这个PWM波再经死区形成电路，就产生了两路互补、留有一定死区的PWM控制信号。

图7数字监控电路框图

为了使得切换过程中不出现环流或负载断电，采用同步锁相技术实现UPS和电网电压的同频同相。本设计中选用单片集成数字锁相环芯片CD4046实现同步锁相。

3.3数字监控电路[4]

监控电路是以89C52单片机为核心的数字系统，主要由单片机、键盘、输入输出接口、看门狗电路、通信接口等组成，电路框图如图7所示。

设置三个按键：起动/复位键（RESET）、停机键（STOP）和方式键（MOD）。各个按键的状态被检测后送入单片机，根据实际要求决定对逆变器及系统的控制。输入接口电路还对整个系统的工作状况和故障进行监测并输入单片机，由单片机输出相应的控制及报警信号。

看门狗电路采用MAX813，对单片机进行上电复位和定时复位，以防止软件运行失控。用单片机的一个I/O口（P1.0）对定时器进行清零，当程序在执行过程中跳飞或进入死循环时，程序不能在定时溢出前对其进行清零，就会使MAX813定时溢出而产生复位信号，使单片机重新起动。

通信接口选用MAX1483芯片，将串行口信号由TTL电平转换为RS485电平，形成半双工的RS485通信接口。

在切换过程中，由主电路中的霍尔元件实时检测输出电流的过零点，给一组固态继电器发关断信号后，当输出电流出现过零时，才能给另一组固态继电器发开通信号。这样可减少切换时间，保证可靠切换。

4结语

本文分析了电力系统对三相UPS的要求，提出了电力系统用三相UPS的设计方案。系统采用高频SPWM技术，开关器件选用IGBT，主电路中采用工频变压器隔离，由三个独立的单相逆变器组成三相逆变器，电压瞬时值和电压有效值双闭环控制，采用霍尔元件检测主电路电压、电流，单片机监控系统的工作状态及故障，固态继电器实现切换。该系统输出波形质量好，可以适应100％不平衡负载，工作可靠性高，抗干扰能力强，完全可以满足发电厂、变电站等电力部门的需要。