特定消諧逆變技術(shù)在UPS中的應(yīng)用

2019-11-03 09:55:32

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供稿：網(wǎng)友

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器教研室王宇虹張文義陳向陽袁瑞銘徐會(huì)明　　摘要：本文針對采用SPWM逆變技術(shù) 的UPS存在的缺點(diǎn)，提出了將特定消諧式PWM技術(shù)應(yīng)用于UPS的逆變器中，理論分析表明它將明顯改善輸出波形的質(zhì)量，并設(shè)計(jì)了一種采用該技術(shù)的UPS逆變器的原理框圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)的引入是成功的。

　　關(guān)鍵詞：不間斷電源（UPS）逆變器 SPWM 特定消諧式諧波抑制技術(shù)（SHET）

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，UPS的應(yīng)用領(lǐng)域愈來愈廣，它使供電系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量大大提高，使投資和運(yùn)行費(fèi)用降低，是信息時(shí)代不可缺少的能源系統(tǒng)。與此同時(shí)對UPS的性能要求也越來越高，要求輸出電源電壓更加穩(wěn)定，電源波形失真更小等。

　　1 UPS的逆變技術(shù) 簡介

　　UPS中的逆變技術(shù)是其核心技術(shù) 之一。目前市場上供應(yīng)的UPS，其逆變技術(shù)普遍采用的是SPWM技術(shù) 。正弦PWM即SPWM技術(shù)是建立在每一個(gè)特定時(shí)間間隔內(nèi)脈沖的能量等效于正弦波所包含的能量的概念上發(fā)展起來的一種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。這種PWM的脈沖寬帶按正弦規(guī)律變化，因此能有效地抑次諧波。分析表明，采用原始SPWM法的逆變器的輸出波形中，諧波的分布及數(shù)值呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

　　（1）諧波分量主要分布在載波信號（三角波）頻率f△的一倍頻率區(qū)、二倍頻率區(qū)及其后的所有整數(shù)保頻率區(qū)內(nèi)，形成一個(gè)個(gè)的諧波簇的包絡(luò)區(qū)，其諧波成分是較豐富的；

　　（2）其諧波包絡(luò)區(qū)的諧波幅值以一倍頻率區(qū)為最大，二倍頻率區(qū)次之，以后隨倍頻值的增加而減少；

　　（3）在變頻過程中，諧波的次數(shù)將發(fā)生變化；

　　（4）在變壓過程中，諧波分量幅值與輸出基波分量幅值之比將發(fā)生變化，該比值隨著電壓調(diào)制比的降低而升高。

　　可見，要使諧波向高頻方向遷移，則必須提高頻率調(diào)制比。另一方面，一旦正弦波（調(diào)制波）的幅值超過了三角波的幅值，低次諧波就開始增加，所以原始SPWM法的最大調(diào)制深度為1，即電壓利用率較低。

　　因此，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中SPWM存在以下一些缺點(diǎn)：

　　（1）隨著電壓調(diào)制比的降低，輸出正弦波的波形質(zhì)量明顯下降；

　　（2）開關(guān)頻率猛增，在此情況下對功率開關(guān)器件的要求更加苛刻；

　　（3）產(chǎn)生本不存在的高頻諧波分量；

　　（4）PWM波形中所需的基波分量有所衰減，電壓利用率較低。

　　由于SPWM逆變技術(shù)存在以上這些缺點(diǎn)，所以我們考慮將性能更優(yōu)的特定消諧PWM技術(shù)應(yīng)用于UPS中。特定消諧PWM技術(shù)，即SHET（Selective Harmonic Elimination Technique），是七十年代由美國密蘇里大學(xué)的H.S.Patel和R.G.Hoft首先提出的，它是直接利用輸出電壓的數(shù)字模型來求解開關(guān)角，從而達(dá)到消除指定次諧波的目的。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明特定消諧PWM技術(shù)具有以下SPWM技術(shù)所不具備的優(yōu)點(diǎn)；

　　（1）功率開關(guān)管的開關(guān)頻率下降約三分之一，這使得功率開關(guān)管理和吸收電路的開關(guān)損耗降低，逆變器的效率提高，電磁干擾減少，并使得在大功率的采用普通主電路型式的逆變器上使用GTO作為功率開關(guān)管成為可能；

　　（2）在功率開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)相等的情況下，輸出電壓、電流的質(zhì)量提高，這可降低對輸入和輸出濾波器的要求，特別是在三相電源系統(tǒng)當(dāng)中，效果更為明顯；

　　（3）通過過調(diào)以提高逆變器的利用效率，節(jié)約能源，其基波電壓最大幅值可以達(dá)到1.15倍的直流側(cè)電壓，而SPWM技術(shù)一般只能達(dá)到1倍，若SPWM技術(shù)要實(shí)現(xiàn)過調(diào)制，則會(huì)大大降低輸出波形的質(zhì)量。

　　（4）可以有效地消除低次諧波，因此電流脈動(dòng)大大減少，使逆變器的性能得到較大提高。

　　由此可以看出，特定消諧PWM技術(shù)比SPWM技術(shù) 具有更大的優(yōu)越性，將其應(yīng)用于UPS當(dāng)中的前景是光明的。

　　2硬件實(shí)現(xiàn)

　　UPS電源主要由整流器、逆變器和蓄電池等部分組成。逆變器是UPS的核心，其性能的優(yōu)劣也決定著UPS整機(jī)性能優(yōu)劣。

　　3 結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，UPS逆變器可以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓和穩(wěn)壓的功能，在其三相負(fù)載上得到的電流波形要明顯優(yōu)于同類情況下開關(guān)角個(gè)數(shù)相同時(shí)使用SPWM方法得到的電流波形，在調(diào)制比變化時(shí)負(fù)載電流波形的變化也低于SPWM方法。同時(shí)該裝置還有操作簡單，運(yùn)行可靠，維修方便等優(yōu)點(diǎn)，所以特定消諧式UPS極具推廣和使用價(jià)值。

摘自《中外電源》2000.11

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