0 引言

    隨著“互聯網+”和“大數據”時代的到來，信息系統數據存儲和信息設備的穩定性和可靠性變得更加重要。然而，由于電網電壓的突然跌落或者中斷，引起的相關設備不穩定運行或者斷電關機可能會導致嚴重的經濟損失，甚至安全事故。UPS電源的作用是在電網電壓跌落或者中斷時保證用電設備的持續運行。目前，UPS作為后備電源，在醫院、銀行以及數據管理等領域得到非常廣泛的應用，在電網電壓中斷時發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引入了諧波電流，使電能質量嚴重惡化，進而影響設備控制系統的正常運行。有源電力濾波器（APF）是一種可以實時動態補償諧波的裝置，通過信號主動抵消技術，對諧波有很好的濾除效果。

    通過對UPS和APF研究發現了以下三個情況：

    (1)UPS的直接負載通常為設備的電源系統，而大多數電源系統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在電網正常時，完成對蓄電池充電后處于旁路狀態，這樣導致UPS存在利用率低的問題。

    (3)離線式UPS和并聯型APF都與電網并聯，核心均為三相橋式逆變器，兩者具有結構上的統一性。

    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，既可改善電網的電能質量，又可提高設備的利用率。

1 系統整體結構

    具有有源濾波功能的UPS電源結構圖如圖1所示。

    設備有兩種工作模式，實時檢測電網電壓，當電網電壓正常時，開關K1、K2、K3閉合，工作于APF模式，其直流側電壓由電網電壓整流后提供。采集電網電流，提取諧波電流，作為逆變器電流閉環的參考信號，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，給蓄電池充電，充電完成后K4斷開。

    當電網電壓發生跌落或者中斷時，控制雙向DC-DC電路，使其工作在BOOST狀態，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，保證負載持續運行。要說明的是，K4需使用響應速度更快的MOSFET開關管，以便在電網電壓跌落時蓄電池迅速地被投入到系統中，為逆變直流母線提供電壓。

2 關鍵技術設計

2.1 并網技術

    在APF模式下，系統與電網并聯，需保證補償電流與電網電壓同頻同相以進行并網。因此，電網電壓鎖相是并網的關鍵，采用基于雙二階廣義積分器的軟件鎖相環（DSOGI-PLL）實現電網電壓的鎖相，其系統控制結構框圖如圖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^+′、為輸出的電網電壓相位角度信號。DSOGI-PLL可以很好地抑制諧波對系統輸出的影響，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電壓正序分量的頻率和相位信息。其實現的核心是構建基于雙二階廣義積分器(SOGI)的自適應濾波器,實現框圖如圖3所示。

    SOGI-QSG系統的傳遞函數為：

2.2 諧波檢測

    非線性負載給電網引入了電流諧波，在APF模式下，系統要實時補償諧波電流，所以需要檢測負載側的電流，提取出諧波信號，作為逆變器輸出的電流指令信號。基于瞬時無功功率理論的i_p-i_q諧波檢測方法因其檢測結果的實時準確性被廣泛使用，其檢測結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。三相電流經過Clark變換和Park變換到兩相正交旋轉坐標系后，其基波對應直流分量，通過LPF濾除交流分量得到直流分量，再經過逆變換得到三相電流的基波，與三相電網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

    實時檢測電網電壓，當發生跌落的時候，實現從APF模式到UPS模式的切換。快速地檢測到電網電壓的跌落，有利于減少模式切換的時間，這對離線式UPS的性能至關重要。傳統的電壓跌落檢測通常采用同步正交旋轉坐標系下的有效值比較法，有效值如式(5)：

    將電網電壓變換到α-β坐標系，分別對每個軸連續兩次求誤差，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，則電網電壓正常，否則電網電壓發生跌落。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生時，立即控制系統從APF模式轉換到UPS模式。

2.4 蓄電池充放電

    當電網電壓異常時，電網立刻被切斷，系統轉換到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，開關管S1工作在PWM狀態，S2起續流作用，整個電路等效為BUCK電路，輸入直流電壓V_bus由電網電壓整流獲得。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環和蓄電池電壓外環的雙閉環控制，雙環均為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；1/V_m為PWM調制的等效傳遞函數。當蓄電池端電壓沒有達到設定值V_ref時，電壓環輸出飽和，此飽和值作為電流環的給定，蓄電池處于恒流充電狀態；當蓄電池端電壓達到設定值時，電壓環起作用，蓄電池處于恒壓充電狀態，電壓穩定后充電完成，關閉充放電控制開關K4。

    放電時，開關管S1起續流作用，S2工作在PWM狀態，等效為BOOST電路。此時電網已經被切斷，BOOST輸出電壓作為逆變直流母線電壓，為了保證母線電壓穩定，采用電壓閉環控制。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和電流內環的雙閉環，與充電時不同的是電壓環為BOOST輸出電壓，電流環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。控制策略與充電時相同。電壓環根據逆變直流母線電壓與給定電壓的偏差，作為電流環的給定，維持直流母線電壓的穩定，電流環在放電電流過大時起作用，限制放電電流。

3 系統仿真

    在MATLAB/SIMULINK中對系統的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。

    系統由電網、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、電壓鎖相環及脈寬調制器組成。其中，濾波電感L=3 mH，內阻R_L=0.01 Ω，非線性負載中電阻R_Load=10 Ω，電感L_Load=5 mH。電網相電壓有效值V_Grid=220 V，逆變器直流側電壓V_DC=580 V。

    圖9為系統在APF模式下的情況，從上到下的波形依次為負載側電流、諧波電流、逆變器補償電流、電網側電流。前0.04 s逆變器未投入工作，可以看出電網電流嚴重畸變，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電流的諧波分析，可以看出非線性負載給電網中引入了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的投入濾除了電網中的電流諧波，使電網電流保持清潔。

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

    前0.04 s為電網電壓正常時，逆變器電壓和負載電壓均與電網電壓相同，第0.04 s電網電壓出現跌落，立刻切斷電網，由逆變器給負載供電，可以看出0.04 s以后，負載電壓變為逆變器電壓，負載電流在電網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，負載電壓電流重新建立成功，即模式切換時間在2 ms以內，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公司的數字信號處理器DSP TMS320F28335作為系統的核心控制器，系統硬件接口如圖12所示。

    通過DSP的ADC接口采集經過調理的信號，包括電網三相電壓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}，負載側電流i_{Load_a}、i_{Load_b}、i_{Load_c}。信號經過處理后輸出8路PWM信號(6路為逆變橋驅動信號，兩路為雙向DC-DC驅動信號)給功率驅動電路，驅動電路控制主電路的開關管通斷使系統工作于需要模式，從而實現系統的有源濾波與不間斷供電。

5 結語

    本文介紹了APF模式下的并網、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。此外對系統進行了仿真，并設計了硬件電路接口。在傳統離線式UPS基礎上進行了改進，充分利用離線式UPS在電網正常時處于待機狀態，運行效率低，使其在電網正常時工作于APF模式，補償電網諧波，系統可以根據電網電壓狀況在APF模式與UPS模式之間自動切換，實現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、數據管理中心以及醫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）