摘要：敘述了UPS備用發電機功率調節器的工作原理與控制方式。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/179708.htm關鍵詞：不間斷電源；功率調節器；補償
1 引言
UPS備用（應急）發電機組是低壓供電系統，一般都採用三相四線制輸出。由它供電的負載常常是不對稱負載，其中包括三相不對稱電阻負載，三相不對稱電感負載，三相不對稱非線性負載，或包括電阻、電感、非線性負載在內的三相不對稱混合負載。
所謂功率調節器，就是當UPS備用（應急）發電機組在向不對稱負載供電時，即使是向最嚴重的單相負載供電，功率調節器也能使發電機組的輸出電流，成為三相對稱的純正弦有功電流，即便是單相負載的功率達到機組額定功率時也是如此。由於功率調節器能夠把三相不對稱負載（包括電阻性、電感性、非線性、以及它們的混合不對稱負載）的功率，變換成只讓機組提供三相對稱的有功功率，使機組永遠工作在三相對稱有功功率狀態，故稱作功率調節器。
由於功率調節器的上述作用，它必須具備如下的功能：
1）能夠對負載的無功電流進行動態補償，使機組的輸出功率因數接近於1；
2）能夠對負載的諧波電流進行動態補償，使機組的輸出電流接近於正弦波；
3）能夠對三相不對稱電流進行動態補償，使機組的輸出電流為三相對稱電流。
由上述三個功能可知，UPS備用（應急）發電機組功率調節器，實際上就是一個可以對三相不平衡電流進行補償的電力有源濾波器。在三相負載基本對稱時，它可以對負載的無功電流與諧波電流進行補償；在三相負載不對稱時，即使在最嚴重的單相負載時，也能保證使發電機組輸出三相對稱的有功功率電流，其單相負載的功率可以達到機組的標稱額定功率。這些性能表明，功率調節器提高了機組的供電質量，並能把三相不對稱負載變換成機組的三相對稱有功負載，從而提高了機組向不對稱負載的供電能力，使單相負載時的功率可達到機組的標稱額定功率。
2 功率調節器的組成與工作原理
UPS備用（應急）發電機組的功率調節器原理電路如圖1所示。其中功率調節器的電路，就是一個可以補償三相不平衡電流的並聯電力有源濾波器。它由三部分組成，即可以雙向四象限工作的三相電壓型Delta PWM逆變器、PWM脈衝形成驅動器、由指令電流運算電路及電流跟蹤控制電路組成的控制器。
圖1 備 用 （ 應 急 ） 發 電 機 與 功 率 調 節 器 的 電 路 結 構
圖1中，usa，usb，usc表示交流電源，負載為不對稱的電阻、電感、整流電路或由它們組成的不對稱負載，是無功電流、諧波電流和不對稱電流源。控制器中的指令電流運算電路的作用是，檢測出負載電流iLa、
iLb、iLc中的無功分量、諧波分量和不平衡電流分量，並由這些分量作為指令電流，由電流跟蹤控制電路根據指令電流產生出PWM觸發脈衝，此觸發脈衝經驅動器放大後去驅動Delta逆變器。由Delta逆變器產生出補償電流，以對負載的無功電流、諧波電流和不平衡電流進行補償，使機組的輸出電流成為三相對稱的有功電流。
可以補償不平衡電流的電力有源濾波器，採用的是並聯式有源濾波器。當需要補償負載產生的無功電流、諧波電流和不平衡電流時，應首先檢測出負載電流iLa、iLb、iLc中的無功電流分量iLaq、iLbq、iLcq，諧波電流分量iLah、iLbh、iLch和不平衡分量iLao、iLbo、iLco，將這些分量反極性後相加作為補償電流isac、isbc、iscc的指令信號，由Delta逆變器產生的補償電流與負載電流中的各分量電流，例如iLaq、iLbq、iLcq等大小相等，方向相反而互相抵消，使機組輸出電流isa、isb、isc成為只含基波有功功率電流的三相對稱正弦電流，對於A相：
isa=iLa＋isac
iLa=iLap＋iLaq＋iLah＋iLao
isac=－(iLaq＋iLah＋iLao)
isa=iLa＋isac=iLap=iLaf
上式中：iLaf表示負載電流的基波有功分量。
當機組向最嚴重的單相（例如A相）不對稱負載供電，單相負載的功率等於機組的額定功率時，負載電流，機組輸出電流和功率調節器補償電流的數值，如圖2所示。
圖2 單 相 負 載 時 的 負 載 電 流 、 補 償 電 流 與 機 組 輸 出 電 流 的 數 值 示 意 圖
這裡必須指出的是，功率調節器對機組電流的補償是動態補償，對補償對象的變化具有極快的響應速度，可以作到連續調節；對無功功率進行補償時不需要儲能元件，對諧波電流進行補償時所需儲能元件的容量也不大，但對不平衡電流進行補償時卻需要較大容量的儲能元件；即使補償對象電流過大，功率調節器也不會發生過載，並能正常發揮補償作用；功率調節器對機組電流的補償受機組阻抗的影響不大，不容易和機組內阻抗發生諧振；能跟蹤機組頻率的變化，故補償性能不受機組頻率變化的影響；由於機組是三相四線制輸出，所以負載各相的電壓和相應的機組各相電壓相等，當機組相電壓對稱時，負載各相電壓也是對稱的，故補償性能也不受機組電壓的影響。
3 功率調節器的指令電流運算電路
功率調節器的控制器，是由指令電流運算電路和電流跟蹤控制電路兩部分組成的。本節只介紹其中的指令電流運算電路，電流跟蹤控制電路和驅動器一起將在下一節中介紹。
3.1 檢測無功電流和諧波電流的運算電路
以A相電路為例，當負載中含有電阻、電感和非線性負載時，負載電流將滯後於機組電壓，並產生畸變，此時A相負載電流iLa的傅立葉級數表達式為
iLa=Ifsin(ωt＋φf)＋Insin(nωt＋φn)
=Ifcosφfsinωt＋Ifsinφfcosωt＋Insin(nωt＋φn)
式中f代表基波，n代表諧波次數，φf為基波電流滯後於機組電壓的相位角，φn為n次諧波電流滯後於電壓的相位角，註腳f代表基波。
令iLap=Ifcosφfsinωt=ILapsinωt為基波有功電流；iLaq=Ifsinφfcosωt=ILaqcosωt為基波無功電流；iLah=Insin(nωt＋φn)為諧波電流，則
iLa=iLap＋iLaq＋iLah
功率調節器向機組提供所需的無功與諧波電流的工作原理是，將A相負載電流iLa中的無功與諧波電流iLaq＋iLah從iLa中分離出來，用iLaq＋iLah作為指令電流對Delta逆變器進行跟蹤控制，得到與iLaq＋iLah相同的電流輸入到負載，此時機組輸入到負載的電流isa=iLap。
電流iLaq＋iLah的檢出運算電路如圖3所示。將A相負載電流iLa加到圖3所示電路的輸入端，經低通濾波器Ⅰ（見圖5）濾除iLa中的諧波電流iLah，將剩下的基波電流iLap＋iLaq與機組電壓usa=Umsinωt輸入到乘法器Ⅰ中，相乘後得到
F=(iLap＋iLaq)usa=(Ifcosφfsinωt＋Ifsinφfcosωt)Umsinωt
=cosφf－cosφfcos(2ωt)＋sinφfsin(2ωt)
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圖3 A相 電 流iLa的iLaq＋iLah檢 出 運 算 電 路 框 圖
F經過低通濾波器Ⅱ（見圖5），將二次諧波分量濾除，只剩下直流分量g=IfUmcosφf，式中K為低通濾波器Ⅱ的放大係數。將g和usa再輸入到乘法器Ⅱ中，相乘後得到
=gusa=IfUmcosφfUmsinωt=IfUm2cosφfsinωt
調節低通濾波器Ⅱ的放大係數K，使得
Um2=1
則得到
=Ifcosφfsinωt=iLap
從負載電流中減去iLap即可得到
iLa－iLap=(iLap＋iLaq＋iLah)－iLap=iLaq＋iLah
用=iLaq＋iLah作為Delta逆變器的指令電流，用三角波比較方式進行跟蹤控制，即可使Delta逆變器輸出補償電流isac=iLaq＋iLah供給負載，使機組的輸出電流isa=iLap，機組的輸出功率因數等於1。
3.2 可以檢測出不平衡電流的三相運算電路
可以檢測出不平衡電流的三相運算電路如圖4所示，它是由三個如圖3所示的單相檢測運算電路組成的。
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圖4 可 以 檢 測 不 平 衡 電 流 的 三 相 運 算 電 路 框