0 引言

    隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和“大數(shù)據(jù)”時代的到來,，信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和信息設備的穩(wěn)定性和可靠性變得更加重要。然而,，由于電網(wǎng)電壓的突然跌落或者中斷,，引起的相關(guān)設備不穩(wěn)定運行或者斷電關(guān)機可能會導致嚴重的經(jīng)濟損失，甚至安全事故,。UPS電源的作用是在電網(wǎng)電壓跌落或者中斷時保證用電設備的持續(xù)運行,。目前,，UPS作為后備電源，在醫(yī)院,、銀行以及數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域得到非常廣泛的應用,，在電網(wǎng)電壓中斷時發(fā)揮著不可替代的作用。

    另一方面,，大量非線性電力電子裝置的存在給電網(wǎng)引入了諧波電流,，使電能質(zhì)量嚴重惡化，進而影響設備控制系統(tǒng)的正常運行,。有源電力濾波器（APF）是一種可以實時動態(tài)補償諧波的裝置,，通過信號主動抵消技術(shù)，對諧波有很好的濾除效果,。

    通過對UPS和APF研究發(fā)現(xiàn)了以下三個情況：

    (1)UPS的直接負載通常為設備的電源系統(tǒng),，而大多數(shù)電源系統(tǒng)中均含有自然整流等非線性電力電子裝置，所以可以認為在UPS使用的場合存在諧波問題,。

    (2)離線式UPS在電網(wǎng)正常時,，完成對蓄電池充電后處于旁路狀態(tài)，這樣導致UPS存在利用率低的問題,。

    (3)離線式UPS和并聯(lián)型APF都與電網(wǎng)并聯(lián),，核心均為三相橋式逆變器，兩者具有結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性,。

    基于以上論述,，本文設計一種具有APF功能的UPS電源，在基本不增加硬件成本的情況下,，通過資源整合,，實現(xiàn)單機多功能，使離線式UPS具有了有源濾波功能,，既可改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量,，又可提高設備的利用率。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    具有有源濾波功能的UPS電源結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。

    設備有兩種工作模式,，實時檢測電網(wǎng)電壓，當電網(wǎng)電壓正常時,，開關(guān)K1,、K2、K3閉合,，工作于APF模式,，其直流側(cè)電壓由電網(wǎng)電壓整流后提供。采集電網(wǎng)電流,，提取諧波電流,，作為逆變器電流閉環(huán)的參考信號,，輸出補償電流，抵消諧波電流,；與此同時,，K4閉合，控制雙向DC-DC電路,，使其工作在BUCK狀態(tài),，給蓄電池充電，充電完成后K4斷開,。

    當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落或者中斷時,，控制雙向DC-DC電路，使其工作在BOOST狀態(tài),，并立刻閉合K4,，斷開K1和K3，蓄電池升壓后給逆變橋直流母線供電,，此時設備工作于UPS模式,，輸出三相交流電壓，向負載提供功率,，保證負載持續(xù)運行,。要說明的是，K4需使用響應速度更快的MOSFET開關(guān)管,，以便在電網(wǎng)電壓跌落時蓄電池迅速地被投入到系統(tǒng)中,，為逆變直流母線提供電壓。

2 關(guān)鍵技術(shù)設計

2.1 并網(wǎng)技術(shù)

    在APF模式下,，系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián),，需保證補償電流與電網(wǎng)電壓同頻同相以進行并網(wǎng)。因此,，電網(wǎng)電壓鎖相是并網(wǎng)的關(guān)鍵，采用基于雙二階廣義積分器的軟件鎖相環(huán)（DSOGI-PLL）實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的鎖相,，其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。

    其中，T_αβ為Clark變換矩陣,；T_dq為Park變換矩陣,；u_a、u_b,、u_c為輸入的三相電網(wǎng)電壓,；w_ff為頻率參考信號，在工頻下其取值通常為100π,；θ^+′,、為輸出的電網(wǎng)電壓相位角度信號,。DSOGI-PLL可以很好地抑制諧波對系統(tǒng)輸出的影響，并且對頻率變化具有良好的自適應性,，即使在三相不平衡時也能快速準確地獲得電網(wǎng)電壓正序分量的頻率和相位信息,。其實現(xiàn)的核心是構(gòu)建基于雙二階廣義積分器(SOGI)的自適應濾波器,實現(xiàn)框圖如圖3所示。

    SOGI-QSG系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

2.2 諧波檢測

    非線性負載給電網(wǎng)引入了電流諧波,，在APF模式下,，系統(tǒng)要實時補償諧波電流，所以需要檢測負載側(cè)的電流,，提取出諧波信號,，作為逆變器輸出的電流指令信號?；谒矔r無功功率理論的i_p-i_q諧波檢測方法因其檢測結(jié)果的實時準確性被廣泛使用,，其檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，所以本文采用i_p-i_q法進行諧波電流的檢測,，其控制原理框圖如圖4所示,。

    其中，分別為Clark和Park變換矩陣的逆陣,；wt為電網(wǎng)電壓的同步角度信號,，即由DSOGI-PLL獲得的角度θ^+、,。檢測諧波電流時,，由于采用的LPF不同，會有不同的延時,，但延時不會超過一個周期,，所以其具有良好的實時性。三相電流經(jīng)過Clark變換和Park變換到兩相正交旋轉(zhuǎn)坐標系后,，其基波對應直流分量,，通過LPF濾除交流分量得到直流分量，再經(jīng)過逆變換得到三相電流的基波,，與三相電網(wǎng)電流作差便得到諧波電流,，諧波電流取反作為逆變器電流控制的指令信號。

2.3 電壓跌落檢測

    實時檢測電網(wǎng)電壓,，當發(fā)生跌落的時候,，實現(xiàn)從APF模式到UPS模式的切換?？焖俚貦z測到電網(wǎng)電壓的跌落,，有利于減少模式切換的時間，這對離線式UPS的性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電壓跌落檢測通常采用同步正交旋轉(zhuǎn)坐標系下的有效值比較法,，有效值如式(5)：

    將電網(wǎng)電壓變換到α-β坐標系,，分別對每個軸連續(xù)兩次求誤差，獲得二次變化率Δ(Δu),，并通過兩個二次變化率求峰值：

    此值與α軸的二次變化率Δ(Δu_α)=Y比較,，當Δ(Δu_α)<Δ(Δu_peak)時，則電網(wǎng)電壓正常,，否則電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落,。由于利用電壓的二次變化率進行比較，所以對電壓的變化比較敏感,，即使電壓跌落發(fā)生在過零點,，此方法能快速準確的做出判斷。在檢測到電壓跌落發(fā)生時,，立即控制系統(tǒng)從APF模式轉(zhuǎn)換到UPS模式,。

2.4 蓄電池充放電

    當電網(wǎng)電壓異常時，電網(wǎng)立刻被切斷,，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到UPS模式,，此時蓄電池給后級提供能量。蓄電池充電在APF模式下完成,，而放電在UPS模式下進行,。采用雙向DC-DC電路對蓄電池充放電，電路拓撲如圖6所示,。

    充電時,，開關(guān)管S1工作在PWM狀態(tài)，S2起續(xù)流作用,，整個電路等效為BUCK電路,，輸入直流電壓V_bus由電網(wǎng)電壓整流獲得。需要注意的是,，無論充電還是放電,，S1與S2的控制信號始終互補。充電方式采用先恒流充電,，當蓄電池電壓快要達到額定電壓時變換到恒壓充電,。控制策略采用電感電流內(nèi)環(huán)和蓄電池電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制,，雙環(huán)均為PI控制器，控制框圖如圖7所示,。

    G_v(s)和G_i(s)分別為電壓和電流控制器,；K_V和K_L分別為蓄電池端電壓和電感電流采樣系數(shù)；1/V_m為PWM調(diào)制的等效傳遞函數(shù),。當蓄電池端電壓沒有達到設定值V_ref時,，電壓環(huán)輸出飽和,，此飽和值作為電流環(huán)的給定，蓄電池處于恒流充電狀態(tài),；當蓄電池端電壓達到設定值時,，電壓環(huán)起作用，蓄電池處于恒壓充電狀態(tài),，電壓穩(wěn)定后充電完成,，關(guān)閉充放電控制開關(guān)K4。

    放電時,，開關(guān)管S1起續(xù)流作用,，S2工作在PWM狀態(tài)，等效為BOOST電路,。此時電網(wǎng)已經(jīng)被切斷,，BOOST輸出電壓作為逆變直流母線電壓，為了保證母線電壓穩(wěn)定,，采用電壓閉環(huán)控制,。同時，為了防止蓄電池放電電流過大,，對其進行了限幅處理,，所以蓄電池放電也采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)，與充電時不同的是電壓環(huán)為BOOST輸出電壓,，電流環(huán)為蓄電池的放電電流,，此電流可以與充電時的電感電流使用同一個傳感器采集，只是兩者的電流方向相反,?？刂撇呗耘c充電時相同。電壓環(huán)根據(jù)逆變直流母線電壓與給定電壓的偏差,，作為電流環(huán)的給定,，維持直流母線電壓的穩(wěn)定，電流環(huán)在放電電流過大時起作用,，限制放電電流,。

3 系統(tǒng)仿真

    在MATLAB/SIMULINK中對系統(tǒng)的APF模式以及APF模式到UPS模式的切換進行了仿真，仿真模型如圖8所示,。

    系統(tǒng)由電網(wǎng),、逆變器(UPS電源)、非線性負載三大部分組成,，其中非線性負載為不可控三相整流器帶阻感性負載,；控制部分由電壓跌落檢測、諧波檢測、電流/電壓控制器,、電壓鎖相環(huán)及脈寬調(diào)制器組成,。其中，濾波電感L=3 mH,，內(nèi)阻R_L=0.01 Ω,，非線性負載中電阻R_Load=10 Ω，電感L_Load=5 mH,。電網(wǎng)相電壓有效值V_Grid=220 V,，逆變器直流側(cè)電壓V_DC=580 V。

    圖9為系統(tǒng)在APF模式下的情況,，從上到下的波形依次為負載側(cè)電流,、諧波電流、逆變器補償電流,、電網(wǎng)側(cè)電流,。前0.04 s逆變器未投入工作，可以看出電網(wǎng)電流嚴重畸變,，第0.04 s逆變器投入工作,，對諧波電流進行補償，補償電流與諧波電流相位相反,，補償之后,，電網(wǎng)電流明顯成為正弦波形。

    圖10（a）和10（b）分別為補償前后電網(wǎng)電流的諧波分析,，可以看出非線性負載給電網(wǎng)中引入了5次,、7次、11次等諧波,，總諧波畸變率達97.74%,，補償后低次諧波含量明顯下降，諧波畸變率為4.83%,。說明APF的投入濾除了電網(wǎng)中的電流諧波,，使電網(wǎng)電流保持清潔。

    圖11為APF模式向UPS模式的切換過程,，從上到下分別為電網(wǎng)電壓,、逆變器電壓、負載電壓,、負載電流,。

    前0.04 s為電網(wǎng)電壓正常時，逆變器電壓和負載電壓均與電網(wǎng)電壓相同,，第0.04 s電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落,，立刻切斷電網(wǎng),，由逆變器給負載供電,，可以看出0.04 s以后,，負載電壓變?yōu)槟孀兤麟妷海撦d電流在電網(wǎng)電壓跌落瞬間有一個短暫的下降,，但是很快又恢復,，恢復時間在2 ms以內(nèi)，負載電壓電流重新建立成功,，即模式切換時間在2 ms以內(nèi),，此后負載由UPS供電，模式切換成功,。這也說明了前文提出的電壓跌落檢測算法的有效性,。

4 硬件接口設計

    采用TI公司的數(shù)字信號處理器DSP TMS320F28335作為系統(tǒng)的核心控制器，系統(tǒng)硬件接口如圖12所示,。

    通過DSP的ADC接口采集經(jīng)過調(diào)理的信號,，包括電網(wǎng)三相電壓u_a、u_b,、u_c,，逆變直流母線電壓V_dc，此電壓也是蓄電池放電時的放電電壓,，蓄電池端電壓V_c,，充電時的充電電流I_c，逆變器的輸出電壓u_{Invt_a},、u_{Invt_b},、u_{Invt_c}和電流i_{Invt_a}、i_{Invt_b},、i_{Invt_c},，負載側(cè)電流i_{Load_a}、i_{Load_b},、i_{Load_c},。信號經(jīng)過處理后輸出8路PWM信號(6路為逆變橋驅(qū)動信號，兩路為雙向DC-DC驅(qū)動信號)給功率驅(qū)動電路,，驅(qū)動電路控制主電路的開關(guān)管通斷使系統(tǒng)工作于需要模式,，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的有源濾波與不間斷供電。

5 結(jié)語

    本文介紹了APF模式下的并網(wǎng),、諧波檢測方法,，并提出了一種電壓降落檢測方法，闡述了蓄電池充放電策略,。此外對系統(tǒng)進行了仿真,，并設計了硬件電路接口,。在傳統(tǒng)離線式UPS基礎上進行了改進，充分利用離線式UPS在電網(wǎng)正常時處于待機狀態(tài),，運行效率低,，使其在電網(wǎng)正常時工作于APF模式，補償電網(wǎng)諧波,，系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)電壓狀況在APF模式與UPS模式之間自動切換,，實現(xiàn)了一種具有有源濾波功能的UPS電源，提高了設備的利用率,。該UPS電源可應用于計算機機房,、數(shù)據(jù)管理中心以及醫(yī)療設備等需要不間斷供電又對諧波敏感的場合。綜上所述,，該設備具有可行性與實用性,。

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作者信息：

王素娥,，王科磊，郝鵬飛

（陜西科技大學 電氣與信息工程學院,，陜西 西安710021）