一种具有无功补偿和有源滤波功能的不间断电源的制作方法

本发明属于不间断供电设备
技术领域：
，具体地说，是涉及一种兼具有无功功率补偿和有源滤波双重功能的不间断电源。
背景技术：
：随着当今社会对电能的质量、安全及可靠性要求的逐渐提高以及用电需求量的不断增加，利用UPS来提高系统运行的稳定性已渐渐成为一种发展趋势。UPS即不间断电源，结构如图1所示，通常包括整流器、逆变器和蓄电池。其中，整流器直接连接电网，在市电正常时，通过整流器将交流市电整流成直流电，传输至蓄电池，利用蓄电池存储电能。当市电中断或者出现故障时，UPS立即将蓄电池储存的直流电能通过逆变器逆变成交流电，输出至负载，向负载继续供电，使负载维持正常工作并保护负载的软、硬件不受损坏。现有的UPS不间断电源，虽然可以将适当的交流市电整流、逆变后获得稳定性较好的交流输出，但是转换效率最高不超过95％，这就降低了能源的利用率，造成了不必要的能源浪费，并且转换过程中会产生大量的热量，影响了UPS设备的使用寿命。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种具有无功补偿和有源滤波功能的不间断电源，既能满足负载对用电质量的要求，又能提高不间断电源的转换效率。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：一种具有无功补偿和有源滤波功能的不间断电源，包括用于连接外部市电的市电输入端、用于外接负载并为负载提供交流供电的负载输出端、用于滤除市电中的谐波的有源滤波器、用于补偿感性负载所消耗的无功功率的无功补偿器、用于交直流电源的双向转换的变流器、连接所述变流器的直流侧并用于储存电能的蓄电池以及双切换装置；所述双切换装置包括两组切换开关，第一组切换开关连接在所述市电输入端与负载输出端之间，第二组切换开关连接在所述变流器的交流侧与负载输出端之间；在所述不间断电源中还包括集中控制器，连接所述的有源滤波器、无功补偿器、变流器和双切换装置；所述集中控制器在市电正常时，控制所述双切换装置中的两组切换开关导通，并控制所述变流器工作在整流状态，启动所述有源滤波器和无功补偿器对市电进行谐波抑制和无功补偿后，通过导通的第一组切换开关一方面经由负载输出端为外接负载供电，另一方面经由导通的第二组切换开关传输至变流器，将交流市电转换成直流电为蓄电池蓄能；所述集中控制器在市电异常时，关闭所述的有源滤波器和无功补偿器，控制所述双切换装置中的第一组切换开关断开，第二组切换开关导通，并控制所述变流器工作在逆变状态，将蓄电池输出的直流电逆变成交流电，通过第二组切换开关传输至负载输出端，为外接负载供电。进一步的，所述市电输入端通过主电源传输线路连接所述双切换装置中的第一组切换开关；所述有源滤波器连接在所述的主电源传输线路上，根据接入的市电产生与所述市电的谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流输出至所述的主电源传输线路，以滤除市电中的谐波；所述无功补偿器连接在所述的主电源传输线路上，根据感性负载所消耗的无功功率产生无功电流输出至所述的主电源传输线路，以补偿电网的无功损耗。优选的，在所述双切换装置中，两组切换开关为两组晶闸管，第一组晶闸管的阴极连接所述的市电输入端，阳极连接第二组晶闸管的阴极，第二组晶闸管的阳极连接所述的变流器，所述负载输出端连接所述两组晶闸管的中间节点，两组晶闸管的控制极连接所述的集中控制器，接收集中控制器输出的开关控制信号。进一步的，在所述变流器中设置有由六个开关管连接而成的三相桥；所述集中控制器通过改变其输出的六路调制脉冲信号，以改变所述六个开关管的通断时序，进而控制所述变流器工作在整流状态或者逆变状态。其中，所述集中控制器在市电正常时，根据市电的三相电流ia、ib、ic和三相电压的角速度ωi，生成六路调制脉冲信号，输出至所述变流器，控制所述变流器工作在整流状态，过程为：(1)对所述市电的三相电流ia、ib、ic进行dq变换，解耦生成d轴电流分量id和q轴电流分量iq；(2)计算d轴电流给定值id*与所述id的差值，生成d轴调制分量usd；(3)对角速度给定值ωi*与所述ωi的差值进行比例积分运算，生成q轴电流参考量iq*；(4)计算q轴电流参考量iq*与所述q轴电流分量iq的差值，生成q轴调制分量usq；(5)对所述usd、usq进行αβ变换，生成α轴分量uα*和β轴分量uβ*；(6)根据所述uα*、uβ*采用电压矢量合成法生成六路调制脉冲信号，输出至所述变流器，对所述变流器中的六个开关管进行通断控制。又进一步的，在所述变流器的交流侧，其三个输出端一一对应连接三组L型感容滤波电路，通过变流器逆变输出的三相交流电源经由所述L型感容滤波电路滤波后，通过所述第二组切换开关和负载输出端传输至外接负载。其中，所述集中控制器在市电异常时，生成六路调制脉冲信号控制所述逆变器工作在逆变状态，并根据所述变流器逆变输出的三相交流电源经由所述感容滤波电路滤波后生成的三相电压Ulda、Uldb、Uldc和三相电流Ilda、Ildb、Ildc以及所述感容滤波电路中电感的电感量Lf和市电在正常时的电压角速度ω，调节所述六路调制脉冲信号的占空比，控制所述变流器逆变输出与正常市电同频、同幅值的交流电压，过程为：(1)对所述三相电压Ulda、Uldb、Uldc进行dq变换，解耦生成d轴电压分量Uldd和q轴电压分量Uldq；(2)计算d轴电流参考值Idref和q轴电流参考值Iqref，公式如下：Idref=PrefUlddIqref=QrefUldq;]]>其中，Pref为有功功率参考值，Qref为无功功率参考值；(3)对所述三相电流Ilda、Ildb、Ildc进行dq变换，解耦生成d轴电流分量Id和q轴电流分量Iq；(4)对所述Idref与Id的差值进行比例积分运算，生成d轴调制分量Ud'，对所述Iqref与Iq的差值进行比例积分运算，生成q轴调制分量Uq'；(5)计算d轴调制电压Ud和q轴调制电压Uq，公式如下：Ud=Uldd+Ud′-ωLfIqUq=Uldq+Uq′-ωLfId;]]>(6)对所述Ud、Uq进行αβ变换，生成α轴分量uα*和β轴分量uβ*；(7)根据所述uα*、uβ*采用电压矢量合成法生成六路调制脉冲信号，输出至所述变流器，对所述变流器中的开关管进行通断控制。再进一步的，在所述不间断电源的市电输入端和负载输出端分别连接有用于采集电流、电压的检测装置，所述集中控制器根据所述检测装置输出的检测信号监测市电的异常状况以及通过所述负载输出端输出的交流电源的状况。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的不间断电源在市电正常时，采用有源滤波和无功补偿来优化市电，滤除市电中的高次谐波，并通过无功补偿来稳定输出电压，同时为不间断电源中的蓄电池充电，以补充电力，由此可以提高通过不间断电源输出的三相电压的稳定性，改善电能质量。当市电故障时，本发明的不间断电源可以立即将蓄电池储存的电能逆变输出，为负载提供不间断供电，从而在满足负载用电需求的同时，还可以大大提高不间断电源的转换效率，提高能源的利用率，减少系统电路的发热量，延长不间断电源的使用寿命。结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。附图说明图1是现有不间断电源的系统结构图；图2是本发明所提出的具有无功补偿和有源滤波功能的不间断电源的一种实施例的系统结构图；图3是图2所示不间断电源在市电正常时的工作原理图；图4是图2所示不间断电源在市电异常时的工作原理图；图5是图2中变流器的一种实施例的电路原理框图；图6是用于控制变流器工作在整流状态时所需的六路调制脉冲信号的控制流程图；图7是用于控制变流器工作在逆变状态时所需的六路调制脉冲信号的控制流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。本实施例的不间断电源为了提高转换效率并改善供电质量，提出了一种全新的电路拓扑结构，如图2所示，包括市电输入端VIN、负载输出端VOUT、有源滤波器APF、无功补偿器SVG、变流器、集中控制器、双切换装置KD和蓄电池BAT等主要组成部分。其中，市电输入端VIN用于外接电网，接入交流市电。在不间断电源内部，所述市电输入端VIN可以通过主电源传输线路连接到双切换装置KD，进而通过双切换装置KD连通所述的负载输出端VOUT，在市电正常时，将通过市电输入端VIN接入的交流市电传输至负载输出端VOUT，进而通过负载输出端VOUT向与其外接的负载供电。为了改善通过所述不间断电源输出的电能的质量，本实施例在所述不间断电源中设置有源滤波器APF和无功补偿器SVG，分别连接在所述的主电源传输线路中，以改善接入的交流市电。具体来讲，在市电正常时，启动有源滤波器APF和无功补偿器SVG运行，通过有源滤波器APF检测接入的交流市电中的高次谐波，进而生成与所述高次谐波大小相等、相位相反的谐波电流，传输至所述的主电源传输线路，对所述交流市电中的谐波进行补偿和抵消，进而达到滤除市电谐波的目的。在不间断电源中加入无功补偿器SVG，可以对电网中因感性负载所消耗的无功功率进行补偿，即，根据感性负载所消耗的无功功率产生无功电流输出至所述的主电源传输线路，以补偿电网的无功损耗，进而提高输出电源的功率因数，抑制三相电压不平衡，维持三相电压稳定，达到改善电能质量的目的。为了在市电发生故障或者出现异常时，能够为外部负载提供不间断供电，本实施例在所述不间断电源中设置变流器和蓄电池BAT，在市电正常时，通过将交流市电整流成直流电，储存在蓄电池BAT中，从而在市电出现异常时，便可以利用蓄电池BAT储存的电能，采用逆变输出的方式继续提供给外接负载，为外接负载提供不间断的交流供电，以满足其连续工作的要求。具体来讲，可以将变流器的交流侧连接至所述的双切换装置KD，直流侧连接蓄电池BAT，通过控制变流器在市电正常时工作在整流状态，在市电异常时工作在逆变状态，从而实现对蓄电池BAT的充放电控制。为了对蓄电池BAT的充放电过程进行准确控制，本实施例在所述双切换装置KD中设置两组切换开关KD1、KD2，每一组切换开关KD1、KD2中根据交流电源的相数设置相应数量的开关元件，例如晶闸管、继电器等。本实施例以晶闸管为例进行说明，可以将第一组晶闸管KD1连接在所述市电输入端VIN与负载输出端VOUT之间的主电源传输线路中，对交流市电的输出通路进行通断控制；将第二组晶闸管KD2连接在变流器的交流侧与负载输出端VOUT之间，对蓄电池BAT的充放电回路进行通断控制。具体来讲，可以将第一组晶闸管KD1的阴极连接至市电输入端VIN，或者通过输入开关K1连接至市电输入端VIN，将第一组晶闸管KD1的阳极连接至第二组晶闸管KD2的阴极，两组晶闸管KD1、KD2的中间节点连接所述的负载输出端VOUT，或者通过输出开关K2连接所述的负载输出端VOUT，第二组晶闸管KD2的阳极连接所述变流器的交流侧。采用静态切换开关KD1、KD2，两种工作模式的切换时间≤5ms，既可以保证对负载可靠供电，同时又能保证该静态切换开关在不同相切换时的安全性。对于两组晶闸管KD1、KD2的控制端可以连接至一集中控制器，集中控制器根据接入的交流市电的异常情况，生成相应的控制信号输出至两组晶闸管KD1、KD2的控制端，以控制两组晶闸管KD1、KD2准确通断。在本实施例中，可以在不间断电源的输入侧和输出侧分别设置检测装置，例如用于检测交流电压和交流电流的检测仪表，分别与不间断电源的市电输入端VIN和负载输出端VOUT对应连通，通过采集交流市电的电压和电流，以判断接入的交流市电是否正常，通过采集经由负载输出端VOUT输出的交流供电的电压和电流，以用于变流器的逆变控制，从而使得通过负载输出端VOUT输出的交流供电保持稳定。通过检测仪表采集到的电压、电流，可以经由检测仪表转换成相应的检测信号输出至所述的集中控制器，通过所述集中控制器对所述双切换装置KD、变流器以及有源滤波器APF和无功补偿器SVG的工作状态进行集中控制。下面结合图3、图4，对本实施例的不间断电源的具体工作原理进行详细阐述。当采用本实施例的不间断电源对外部负载供电时，首先闭合输入开关K1和输出开关K2，将电网提供的交流市电接入所述的不间断电源。启动检测装置对接入的交流市电进行电压、电流检测，并生成相应的检测信号输出至所述的集中控制器。所述集中控制器根据接收到的检测信号判断交流市电是否异常，若市电正常，则输出控制信号控制双切换装置KD中的两组晶闸管KD1、KD2导通，并启动有源滤波器APF和无功补偿器SVG对接入的交流市电进行谐波抑制和无功补偿，进而生成高品质的电能通过导通的第一组晶闸管KD1一方面经由负载输出端VOUT提供给外接负载，为外接负载供电；另一方面经由第二组晶闸管KD2传输至变流器的交流侧，如图3所示。集中控制器控制变流器工作在整流状态，将滤波和无功补偿后的交流市电整流成直流电，传输至蓄电池BAT，为蓄电池BAT充电蓄能。当集中控制器根据检测装置反馈的检测信号判断出市电故障或者异常时，输出控制信号关闭所述的有源滤波器APF和无功补偿器SVG，并控制双切换装置KD中的第一组晶闸管KD1断开，切断交流市电的传输通路，并控制第二组晶闸管KD2保持导通状态，切换变流器的工作状态由整流变为逆变，进而将蓄电池BAT储存的电能逆变成交流电，经由导通的第二组晶闸管KD2传输至负载输出端VOUT，如图4所示，进而为外接负载提供不间断的交流供电，满足负载连续运行的工作要求。当集中控制器检测到市电恢复正常后，重新启动有源滤波器APF和无功补偿器SVG，并控制两组晶闸管KD1、KD2导通，将变流器的工作状态切换回整流状态，重新利用交流市电为外接负载供电，并通过变流器将交流市电整流成直流电，为蓄电池BAT补充电能。为了使变流器能够工作在整流和逆变两种状态，本实施例在所述变流器中设置六个开关管，如图5所示，以六个带反向并联二极管D1-D6的IGBT功率管K1-K6为例进行说明。利用六个IGBT功率管K1-K6搭建三相桥，每一相桥的上下桥臂的中间节点连接一组滤波电路，以用于对待整流的交流市电以及通过三相桥逆变输出的交流电进行滤波处理。在本实施中，所述滤波电路优选设计成由电感和电容连接而成的L型感容滤波电路，例如由电感L1和电容C1连接而成的第一组LC滤波电路，连接IGBT功率管K1、K2的中间节点；由电感L2和电容C2连接而成的第二组LC滤波电路，连接IGBT功率管K3、K4的中间节点；以及由电感L3和电容C3连接而成的第三组LC滤波电路，连接IGBT功率管K5、K6的中间节点。将六个IGBT功率管K1-K6的栅极连接至集中控制器，接收集中控制器输出的六路调制脉冲信号，以控制变流器工作在整流状态或逆变状态。为了控制变流器工作在整流状态，集中控制器采用以下方法生成所需的六路调制脉冲信号，结合图6所示，包括以下过程：S601、对通过有源滤波器APF和无功补偿器SVG进行滤波和无功补偿后输出的交流市电的三相电流ia、ib、ic进行dq变换，将三相静止abc坐标系变换到两相旋转dq坐标系，从而将输入的三相电流ia、ib、ic解耦成两相旋转直流分量，生成d轴电流分量id和q轴电流分量iq；S602、设定d轴电流给定值id*，计算d轴电流给定值id*与所述d轴电流分量id的差值，生成d轴调制分量usd；S603、设定角速度给定值ωi*，计算角速度给定值ωi*与交流市电的三相电压的角速度ωi的差值，并对所述差值进行比例积分运算(PI运算)后，生成q轴电流参考量iq*；S604、计算所述q轴电流参考量iq*与所述q轴电流分量iq的差值，生成q轴调制分量usq；S605、对所述d轴调制分量usd和q轴调制分量usq进行αβ变换，即从dq旋转坐标系变换到αβ静止坐标系，以生成α轴分量uα*和β轴分量uβ*；S606、根据所述α轴分量uα*和β轴分量uβ*，采用电压矢量合成法，即利用两个非零矢量和两个零矢量合成一个等效的电压矢量的方法来得到电压空间矢量PWM波形(具体可参见王文亮，储能型永磁直驱风力发电系统并网运行控制研究[J]，第32-38页)，即生成六路调制脉冲信号PWM11、PWM12……PWM16输出至所述变流器，以对变流器中的六个IGBT功率管K1-K6的通断时序进行控制，将三相交流市电整流成高稳定性的直流电源，输出至蓄电池BAT进行蓄能。本实施例所提出的上述控制算法具有较好的稳态性能和动态性能，可以采用在集中控制器中编写相应的软件程序的方式，实现集中控制器对变流器的准确控制。当集中控制器需要控制变流器工作在逆变状态时，采用以下方法生成所需的六路调制脉冲信号，结合图7所示，包括以下过程：S701、设定有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref；S702、对变流器逆变输出的三相电压Ulda、Uldb、Uldc(即通过LC滤波电路滤波后输出的三相电压)进行dq变换，将三相静止abc坐标系变换到两相旋转dq坐标系，从而将变流器输出的三相电压Ulda、Uldb、Uldc解耦成两相旋转直流分量，生成d轴电压分量Uldd和q轴电压分量Uldq；S703、计算d轴电流参考值Idref和q轴电流参考值Iqref，公式如下：Idref=PrefUlddIqref=QrefUldq.]]>S704、对变流器逆变输出的三相电流Ilda、Ildb、Ildc(即通过LC滤波电路滤波后输出的三相电流)进行dq变换，解耦生成d轴电流分量Id和q轴电流分量Iq；S705、计算所述d轴电流参考值Idref与所述d轴电流分量Id的差值，并通过PI控制器对所述差值进行比例积分运算后，生成d轴调制分量Ud'，同时，计算所述q轴电流参考值Iqref与所述q轴电流分量Iq的差值，并通过PI控制器对所述差值进行比例积分运算后，生成q轴调制分量Uq'。S706、计算d轴调制电压Ud和q轴调制电压Uq，公式如下：Ud=Uldd+Ud′-ωLfIqUq=Uldq+Uq′-ωLfId;]]>其中，ω为市电在正常时的电压角速度，Lf为所述LC滤波电路中电感L1/L2/L3的电感量，在本实施例中，所述电感L1、L2、L3的电感量相等。S707、对所述d轴调制电压Ud和q轴调制电压Uq进行αβ变换，从dq旋转坐标系变换到αβ静止坐标系，以生成α轴分量uα*和β轴分量uβ*。S708、根据所述α轴分量uα*和β轴分量uβ*，采用电压矢量合成法来实现SVPWM(空间矢量脉宽调制)，生成六路调制脉冲信号PWM21、PWM22……PWM26，输出至所述变流器，对所述变流器中的六个IGBT功率管K1-K6进行通断控制，进而将蓄电池BAT输出的直流电逆变成与正常市电同频、同幅值的交流电源，通过导通的第二组晶闸管KD2，经由负载输出端VOUT传输至外部负载，为外部负载提供不间断供电。本实施例在控制算法中设计电流环控制，将有功功率和无功功率进行解耦，得到电感电流的参考值，与实际测得的电感电流相比较，得到的误差信号经过瞬时电流环PI控制器作为逆变桥调制电压信号。采用PI控制器可使稳态误差为0，同时利用锁相环技术，可使通过该控制得到的交流电源获得频率上的支撑。本实施例所提出的UPS结构既能满足负载对用电质量的要求，又能提高UPS的转换效率，适合应用在如建筑、证券、银行、医院、商场等需要380V或220V不间断供电的相关行业中。当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3