关于具有有源滤波功能的UPS电源设计

0 引言

随着“互联网+”和“大数据”时代的到来，信息系统数据存储和信息设备的稳定性和可靠性变得更加重要。然而，由于电网电压的突然跌落或者中断，引起的相关设备不稳定运行或者断电关机可能会导致严重的经济损失，甚至安全事故。UPS电源的作用是在电网电压跌落或者中断时保证用电设备的持续运行。目前，UPS作为后备电源，在医院、银行以及数据管理等领域得到非常广泛的应用，在电网电压中断时发挥着不可替代的作用。

另一方面，大量非线性电力电子装置的存在给电网引入了谐波电流，使电能质量严重恶化，进而影响设备控制系统的正常运行。有源电力滤波器（APF）是一种可以实时动态补偿谐波的装置，通过信号主动抵消技术，对谐波有很好的滤除效果。

通过对UPS和APF研究发现了以下三个情况：

(1)UPS的直接负载通常为设备的电源系统，而大多数电源系统中均含有自然整流等非线性电力电子装置，所以可以认为在UPS使用的场合存在谐波问题。

(2)离线式UPS在电网正常时，完成对蓄电池充电后处于旁路状态，这样导致UPS存在利用率低的问题。

(3)离线式UPS和并联型APF都与电网并联，核心均为三相桥式逆变器，两者具有结构上的统一性。

基于以上论述，本文设计一种具有APF功能的UPS电源，在基本不增加硬件成本的情况下，通过资源整合，实现单机多功能，使离线式UPS具有了有源滤波功能，既可改善电网的电能质量，又可提高设备的利用率。

1 系统整体结构

具有有源滤波功能的UPS电源结构图如图1所示。

设备有两种工作模式，实时检测电网电压，当电网电压正常时，开关K1、K2、K3闭合，工作于APF模式，其直流侧电压由电网电压整流后提供。采集电网电流，提取谐波电流，作为逆变器电流闭环的参考信号，输出补偿电流，抵消谐波电流；与此同时，K4闭合，控制双向DC-DC电路，使其工作在BUCK状态，给蓄电池充电，充电完成后K4断开。

当电网电压发生跌落或者中断时，控制双向DC-DC电路，使其工作在BOOST状态，并立刻闭合K4，断开K1和K3，蓄电池升压后给逆变桥直流母线供电，此时设备工作于UPS模式，输出三相交流电压，向负载提供功率，保证负载持续运行。要说明的是，K4需使用响应速度更快的MOSFET开关管，以便在电网电压跌落时蓄电池迅速地被投入到系统中，为逆变直流母线提供电压。

2 关键技术设计

2.1 并网技术

在APF模式下，系统与电网并联，需保证补偿电流与电网电压同频同相以进行并网。因此，电网电压锁相是并网的关键，采用基于双二阶广义积分器的软件锁相环（DSOGI-PLL）实现电网电压的锁相，其系统控制结构框图如图2所示。

其中，Tαβ为Clark变换矩阵；Tdq为Park变换矩阵；ua、ub、uc为输入的三相电网电压；wff为频率参考信号，在工频下其取值通常为100π；θ+′、为输出的电网电压相位角度信号。DSOGI-PLL可以很好地抑制谐波对系统输出的影响，并且对频率变化具有良好的自适应性，即使在三相不平衡时也能快速准确地获得电网电压正序分量的频率和相位信息。其实现的核心是构建基于双二阶广义积分器(SOGI)的自适应滤波器,实现框图如图3所示。

SOGI-QSG系统的传递函数为：

2.2 谐波检测

非线性负载给电网引入了电流谐波，在APF模式下，系统要实时补偿谐波电流，所以需要检测负载侧的电流，提取出谐波信号，作为逆变器输出的电流指令信号。基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测方法因其检测结果的实时准确性被广泛使用，其检测结果不受电压波形畸变的影响，所以本文采用ip-iq法进行谐波电流的检测，其控制原理框图如图4所示。

其中，分别为Clark和Park变换矩阵的逆阵；wt为电网电压的同步角度信号，即由DSOGI-PLL获得的角度θ+、。检测谐波电流时，由于采用的LPF不同，会有不同的延时，但延时不会超过一个周期，所以其具有良好的实时性。三相电流经过Clark变换和Park变换到两相正交旋转坐标系后，其基波对应直流分量，通过LPF滤除交流分量得到直流分量，再经过逆变换得到三相电流的基波，与三相电网电流作差便得到谐波电流，谐波电流取反作为逆变器电流控制的指令信号。

2.3 电压跌落检测

实时检测电网电压，当发生跌落的时候，实现从APF模式到UPS模式的切换。快速地检测到电网电压的跌落，有利于减少模式切换的时间，这对离线式UPS的性能至关重要。传统的电压跌落检测通常采用同步正交旋转坐标系下的有效值比较法，有效值如式(5)：

将电网电压变换到α-β坐标系，分别对每个轴连续两次求误差，获得二次变化率Δ(Δu)，并通过两个二次变化率求峰值：

此值与α轴的二次变化率Δ(Δuα)=Y比较，当Δ(Δuα)<Δ(Δupeak)时，则电网电压正常，否则电网电压发生跌落。由于利用电压的二次变化率进行比较，所以对电压的变化比较敏感，即使电压跌落发生在过零点，此方法能快速准确的做出判断。在检测到电压跌落发生时，立即控制系统从APF模式转换到UPS模式。

2.4 蓄电池充放电

当电网电压异常时，电网立刻被切断，系统转换到UPS模式，此时蓄电池给后级提供能量。蓄电池充电在APF模式下完成，而放电在UPS模式下进行。采用双向DC-DC电路对蓄电池充放电，电路拓扑如图6所示。

充电时，开关管S1工作在PWM状态，S2起续流作用，整个电路等效为BUCK电路，输入直流电压Vbus由电网电压整流获得。需要注意的是，无论充电还是放电，S1与S2的控制信号始终互补。充电方式采用先恒流充电，当蓄电池电压快要达到额定电压时变换到恒压充电。控制策略采用电感电流内环和蓄电池电压外环的双闭环控制，双环均为PI控制器，控制框图如图7所示。

Gv(s)和Gi(s)分别为电压和电流控制器；KV和KL分别为蓄电池端电压和电感电流采样系数；1/Vm为PWM调制的等效传递函数。当蓄电池端电压没有达到设定值Vref时，电压环输出饱和，此饱和值作为电流环的给定，蓄电池处于恒流充电状态；当蓄电池端电压达到设定值时，电压环起作用，蓄电池处于恒压充电状态，电压稳定后充电完成，关闭充放电控制开关K4。

放电时，开关管S1起续流作用，S2工作在PWM状态，等效为BOOST电路。此时电网已经被切断，BOOST输出电压作为逆变直流母线电压，为了保证母线电压稳定，采用电压闭环控制。同时，为了防止蓄电池放电电流过大，对其进行了限幅处理，所以蓄电池放电也采用电压外环和电流内环的双闭环，与充电时不同的是电压环为BOOST输出电压，电流环为蓄电池的放电电流，此电流可以与充电时的电感电流使用同一个传感器采集，只是两者的电流方向相反。控制策略与充电时相同。电压环根据逆变直流母线电压与给定电压的偏差，作为电流环的给定，维持直流母线电压的稳定，电流环在放电电流过大时起作用，限制放电电流。

3 系统仿真

在MATLAB/SIMULINK中对系统的APF模式以及APF模式到UPS模式的切换进行了仿真，仿真模型如图8所示。

系统由电网、逆变器(UPS电源)、非线性负载三大部分组成，其中非线性负载为不可控三相整流器带阻感性负载；控制部分由电压跌落检测、谐波检测、电流/电压控制器、电压锁相环及脉宽调制器组成。其中，滤波电感L=3 mH，内阻RL=0.01 Ω，非线性负载中电阻RLoad=10 Ω，电感LLoad=5 mH。电网相电压有效值VGrid=220 V，逆变器直流侧电压VDC=580 V。

图9为系统在APF模式下的情况，从上到下的波形依次为负载侧电流、谐波电流、逆变器补偿电流、电网侧电流。前0.04 s逆变器未投入工作，可以看出电网电流严重畸变，第0.04 s逆变器投入工作，对谐波电流进行补偿，补偿电流与谐波电流相位相反，补偿之后，电网电流明显成为正弦波形。

图10（a）和10（b）分别为补偿前后电网电流的谐波分析，可以看出非线性负载给电网中引入了5次、7次、11次等谐波，总谐波畸变率达97.74%，补偿后低次谐波含量明显下降，谐波畸变率为4.83%。说明APF的投入滤除了电网中的电流谐波，使电网电流保持清洁。

图11为APF模式向UPS模式的切换过程，从上到下分别为电网电压、逆变器电压、负载电压、负载电流。

前0.04 s为电网电压正常时，逆变器电压和负载电压均与电网电压相同，第0.04 s电网电压出现跌落，立刻切断电网，由逆变器给负载供电，可以看出0.04 s以后，负载电压变为逆变器电压，负载电流在电网电压跌落瞬间有一个短暂的下降，但是很快又恢复，恢复时间在2 ms以内，负载电压电流重新建立成功，即模式切换时间在2 ms以内，此后负载由UPS供电，模式切换成功。这也说明了前文提出的电压跌落检测算法的有效性。

4 硬件接口设计

采用TI公司的数字信号处理器DSP TMS320F28335作为系统的核心控制器，系统硬件接口如图12所示。

通过DSP的ADC接口采集经过调理的信号，包括电网三相电压ua、ub、uc，逆变直流母线电压Vdc，此电压也是蓄电池放电时的放电电压，蓄电池端电压Vc，充电时的充电电流Ic，逆变器的输出电压uInvt_a、uInvt_b、uInvt_c和电流iInvt_a、iInvt_b、iInvt_c，负载侧电流iLoad_a、iLoad_b、iLoad_c。信号经过处理后输出8路PWM信号(6路为逆变桥驱动信号，两路为双向DC-DC驱动信号)给功率驱动电路，驱动电路控制主电路的开关管通断使系统工作于需要模式，从而实现系统的有源滤波与不间断供电。

5 结语

本文介绍了APF模式下的并网、谐波检测方法，并提出了一种电压降落检测方法，阐述了蓄电池充放电策略。此外对系统进行了仿真，并设计了硬件电路接口。在传统离线式UPS基础上进行了改进，充分利用离线式UPS在电网正常时处于待机状态，运行效率低，使其在电网正常时工作于APF模式，补偿电网谐波，系统可以根据电网电压状况在APF模式与UPS模式之间自动切换，实现了一种具有有源滤波功能的UPS电源，提高了设备的利用率。该UPS电源可应用于计算机机房、数据管理中心以及医疗设备等需要不间断供电又对谐波敏感的场合。综上所述，该设备具有可行性与实用性。