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220V100kVAUPS备用发电机组的功率调节器

发布时间:2020-07-21 19:21:39 阅读: 来源:离心泵厂家

摘要:叙述了UPS备用发电机功率调节器的工作原理与控制方式。

本文引用地址:关键词:不间断电源;功率调节器;补偿

1 引言

UPS备用(应急)发电机组是低压供电系统,一般都采用三相四线制输出。由它供电的负载常常是不对称负载,其中包括三相不对称电阻负载,三相不对称电感负载,三相不对称非线性负载,或包括电阻、电感、非线性负载在内的三相不对称混合负载。

所谓功率调节器,就是当UPS备用(应急)发电机组在向不对称负载供电时,即使是向最严重的单相负载供电,功率调节器也能使发电机组的输出电流,成为三相对称的纯正弦有功电流,即便是单相负载的功率达到机组额定功率时也是如此。由于功率调节器能够把三相不对称负载(包括电阻性、电感性、非线性、以及它们的混合不对称负载)的功率,变换成只让机组提供三相对称的有功功率,使机组永远工作在三相对称有功功率状态,故称作功率调节器。

由于功率调节器的上述作用,它必须具备如下的功能:

1)能够对负载的无功电流进行动态补偿,使机组的输出功率因数接近于1;

2)能够对负载的谐波电流进行动态补偿,使机组的输出电流接近于正弦波;

3)能够对三相不对称电流进行动态补偿,使机组的输出电流为三相对称电流。

由上述三个功能可知,UPS备用(应急)发电机组功率调节器,实际上就是一个可以对三相不平衡电流进行补偿的电力有源滤波器。在三相负载基本对称时,它可以对负载的无功电流与谐波电流进行补偿;在三相负载不对称时,即使在最严重的单相负载时,也能保证使发电机组输出三相对称的有功功率电流,其单相负载的功率可以达到机组的标称额定功率。这些性能表明,功率调节器提高了机组的供电质量,并能把三相不对称负载变换成机组的三相对称有功负载,从而提高了机组向不对称负载的供电能力,使单相负载时的功率可达到机组的标称额定功率。

2 功率调节器的组成与工作原理

UPS备用(应急)发电机组的功率调节器原理电路如图1所示。其中功率调节器的电路,就是一个可以补偿三相不平衡电流的并联电力有源滤波器。它由三部分组成,即可以双向四象限工作的三相电压型Delta PWM逆变器、PWM脉冲形成驱动器、由指令电流运算电路及电流跟踪控制电路组成的控制器。

图1 备 用 ( 应 急 ) 发 电 机 与 功 率 调 节 器 的 电 路 结 构

图1中,usa,usb,usc表示交流电源,负载为不对称的电阻、电感、整流电路或由它们组成的不对称负载,是无功电流、谐波电流和不对称电流源。控制器中的指令电流运算电路的作用是,检测出负载电流iLa、

iLb、iLc中的无功分量、谐波分量和不平衡电流分量,并由这些分量作为指令电流,由电流跟踪控制电路根据指令电流产生出PWM触发脉冲,此触发脉冲经驱动器放大后去驱动Delta逆变器。由Delta逆变器产生出补偿电流,以对负载的无功电流、谐波电流和不平衡电流进行补偿,使机组的输出电流成为三相对称的有功电流。

可以补偿不平衡电流的电力有源滤波器,采用的是并联式有源滤波器。当需要补偿负载产生的无功电流、谐波电流和不平衡电流时,应首先检测出负载电流iLa、iLb、iLc中的无功电流分量iLaq、iLbq、iLcq,谐波电流分量iLah、iLbh、iLch和不平衡分量iLao、iLbo、iLco,将这些分量反极性后相加作为补偿电流isac、isbc、iscc的指令信号,由Delta逆变器产生的补偿电流与负载电流中的各分量电流,例如iLaq、iLbq、iLcq等大小相等,方向相反而互相抵消,使机组输出电流isa、isb、isc成为只含基波有功功率电流的三相对称正弦电流,对于A相:

isa=iLa+isac

iLa=iLap+iLaq+iLah+iLao

isac=-(iLaq+iLah+iLao)

isa=iLa+isac=iLap=iLaf

上式中:iLaf表示负载电流的基波有功分量。

当机组向最严重的单相(例如A相)不对称负载供电,单相负载的功率等于机组的额定功率时,负载电流,机组输出电流和功率调节器补偿电流的数值,如图2所示。

图2 单 相 负 载 时 的 负 载 电 流 、 补 偿 电 流 与 机 组 输 出 电 流 的 数 值 示 意 图

这里必须指出的是,功率调节器对机组电流的补偿是动态补偿,对补偿对象的变化具有极快的响应速度,可以作到连续调节;对无功功率进行补偿时不需要储能元件,对谐波电流进行补偿时所需储能元件的容量也不大,但对不平衡电流进行补偿时却需要较大容量的储能元件;即使补偿对象电流过大,功率调节器也不会发生过载,并能正常发挥补偿作用;功率调节器对机组电流的补偿受机组阻抗的影响不大,不容易和机组内阻抗发生谐振;能跟踪机组频率的变化,故补偿性能不受机组频率变化的影响;由于机组是三相四线制输出,所以负载各相的电压和相应的机组各相电压相等,当机组相电压对称时,负载各相电压也是对称的,故补偿性能也不受机组电压的影响。

3 功率调节器的指令电流运算电路

功率调节器的控制器,是由指令电流运算电路和电流跟踪控制电路两部分组成的。本节只介绍其中的指令电流运算电路,电流跟踪控制电路和驱动器一起将在下一节中介绍。

3.1 检测无功电流和谐波电流的运算电路

以A相电路为例,当负载中含有电阻、电感和非线性负载时,负载电流将滞后于机组电压,并产生畸变,此时A相负载电流iLa的傅里叶级数表达式为

iLa=Ifsin(ωt+φf)+Insin(nωt+φn)

=Ifcosφfsinωt+Ifsinφfcosωt+Insin(nωt+φn)

式中f代表基波,n代表谐波次数,φf为基波电流滞后于机组电压的相位角,φn为n次谐波电流滞后于电压的相位角,注脚f代表基波。

令iLap=Ifcosφfsinωt=ILapsinωt为基波有功电流;iLaq=Ifsinφfcosωt=ILaqcosωt为基波无功电流;iLah=Insin(nωt+φn)为谐波电流,则

iLa=iLap+iLaq+iLah

功率调节器向机组提供所需的无功与谐波电流的工作原理是,将A相负载电流iLa中的无功与谐波电流iLaq+iLah从iLa中分离出来,用iLaq+iLah作为指令电流对Delta逆变器进行跟踪控制,得到与iLaq+iLah相同的电流输入到负载,此时机组输入到负载的电流isa=iLap。

电流iLaq+iLah的检出运算电路如图3所示。将A相负载电流iLa加到图3所示电路的输入端,经低通滤波器Ⅰ(见图5)滤除iLa中的谐波电流iLah,将剩下的基波电流iLap+iLaq与机组电压usa=Umsinωt输入到乘法器Ⅰ中,相乘后得到

F=(iLap+iLaq)usa=(Ifcosφfsinωt+Ifsinφfcosωt)Umsinωt

=cosφf-cosφfcos(2ωt)+sinφfsin(2ωt)

l

图3 A相 电 流iLa的iLaq+iLah检 出 运 算 电 路 框 图

F经过低通滤波器Ⅱ(见图5),将二次谐波分量滤除,只剩下直流分量g=IfUmcosφf,式中K为低通滤波器Ⅱ的放大系数。将g和usa再输入到乘法器Ⅱ中,相乘后得到

=gusa=IfUmcosφfUmsinωt=IfUm2cosφfsinωt

调节低通滤波器Ⅱ的放大系数K,使得

Um2=1

则得到

=Ifcosφfsinωt=iLap

从负载电流中减去iLap即可得到

iLa-iLap=(iLap+iLaq+iLah)-iLap=iLaq+iLah

用=iLaq+iLah作为Delta逆变器的指令电流,用三角波比较方式进行跟踪控制,即可使Delta逆变器输出补偿电流isac=iLaq+iLah供给负载,使机组的输出电流isa=iLap,机组的输出功率因数等于1。

3.2 可以检测出不平衡电流的三相运算电路

可以检测出不平衡电流的三相运算电路如图4所示,它是由三个如图3所示的单相检测运算电路组成的。

l

图4 可 以 检 测 不 平 衡 电 流 的 三 相 运 算 电 路 框

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