大功率无变压器UPS的新理论

　　l 引言

　　在UPS电源里，成本最高、最重的元件之一是输出变压器。由于用来束缚频率的变压器磁心材料的成本和重量减小的可能性很小，在过去20年电力电子的巨大进步中，在改变电路原理后，已经可以做到不需要输出变压器。用电力电子元件替代变压器，可以使UPS电源的制造变得更经济，未来的成本还会得到进一步优化。

　　几年以前，这一技术已经在较小功率、特别是在单相、lOKVA以下的UPS电源领域应用，在200kVA以下的中功率领域也得到了开发。而大功率领域的开发则刚刚起步。

　　这一新原理包含在称之为真在线UPS原理之中。利用这一原理，UPS电源可以依据EN62040标准的第三部分予以设计，并依据最大输出功率指标这一工作特性进行分类，属于VFl-SS-111类。对于中功率和大功率电源，本文的讨论焦点集中于三相，并不关心UPS的其他技术。

　　2 变压器的作用

　　在图l所示的无变压器电路原理中，过去由变压器所完成的各项功能现在必须由电路的其他元件和(或)适当的控制机制来完成。

　　变压器的最重要功能之一是使逆变器的输出电压适应设备的输出电压。传统的UPS原理配备了一个可控的或不可控的整流器，这就产生了直流回路电压，该电压总是小于上游平均电压的峰值，并在欠电压工作期间产生DC回路电压的最低值。如果电池照常与直流回路直接连接，那么，在充电电压和放电终了电压之间变化的电池电压将成为附加电压，已经计算出在一个400V的UPS电源里的这一电压大约是300V。如果一个三相逆变器在这样的直流回路电压下工作，那它形成的三相交流电源的线电压约为200V，将这一电压调整到下游400V电压的工作由输出变压器完成。

　　400V电压是绝大多数具有负载中线的四线制的电压，而一个三相三滞环逆变器产生的是无中线的三相电。通过输出变压器的DY或DZ矢量组的设计使生成由三滞环逆变器馈电的四线制成为可能。见图2。

　　由传统SCR和二极管整流器产生的DC回路电压还相对于一个恒定的DC回路电压(从正到负)进行振荡，该振荡与上游以每秒l50周的频率进行馈电的系统中线有关，这时，由逆变器产生的三相系统以及它的假想振荡中心不仅与上游中线有关，还与下游输出中线有关，因为输出中线通常是直接接地，或者是经由旁路接地，这一必要的振荡可能只是输出变压器电绝缘的作用。

　　UPS的输出电压由逆变器产生，这是输出电压的基础，还要用脉宽调制的方法，用几kHz的脉冲频率将它调制成方波信号。为了抑制脉冲频率并让波形规整，用电感和电容设计一个能够有效过滤二次谐波的过滤器是必不可少的。因为电感通常用变压器的漏电感，所以变压器就成了输出滤波器的单元之一。

　　由于输出变压器对三相的不平衡和直流组分极其敏感，因此必须给逆变器配以合适的电磁电流控制器，以避免电流中的直流组分。然而由于输出变压器的存在，自然就要对接在输出端的负载进行保护，以免受变压器的作用，因为变压器总是要通过饱和作用对逆变器的三相系统产生干扰。

　　3 变压器功能的实现

　　为了实现没有变压器的UPS，变压器的功能必须用电子元件和特别适合的控制原理来替代。见图4。

　　为了产生每秒50周的名义上的400V输出电压，电路类型和逆变器控制是实质问题。为了产生三相四线制输出的中线，输出滤波器的设汁，特别是对于非线性负载下的理想的动态存储，都必须在700V至800V的直流电压区间进行计算。这一电压必须是在所有的工作模式下都有效(一般工作、电池工作，还有在电池的最后放电电压下工作）。

　　无变压器UPS的一个特殊挑战是三相四线输出的可承载中线的产生。对于这一功能，无变压器UPS的逆变器与使用变压器、或者是驱动应用情况下使用变频器的UPS的逆变器具有相当大的区别。如今，对于这样的逆变器通常有2种电路解决方案。

　　一种解决方案是将逆变器的直流回路用2个开关串联做成。DC回路电容的中心与输出中线相连(见图5)，从而DC的电势被固定并与三相系统相关联。结果是DC回路电压必然处于下列范围：

　　这种中线产生方法是很经济的，因为DC回路总是存在着2个串联的开关电容。不利的是，由于直流回路间电位的高低不同而产生的三次谐波部分比较大，增加了电容负载，因此在设计DC回路电容时，必须以和单相负载一样的方法对待。

　　可供选择的另一个简单的解决方案是用第四个逆变滞环产生中线(见图6）。这种情况下的DC回路的直流电压比较小。

　　这一电路的价格相对比较贵，这是因为第四个逆变滞环必须设计成一个可用于非线性负载的电源，中线电流中的三次谐波不是加在零上，而是加到额定相电流的倍上面，作为中线的逆变滞环的设计必须比三相滞环的设计严格很多。

　　这里还解释了在DC回路中使用较小电压将被受到限制的可能性。通过控制与DC回路的假想中心相关的逆变器第四滞环来改变三相系统的中心(中线)，在输出端中线接地的情况下(主要形式：TN或TT)，将导致DC回路电压相对于地的位移，反之亦然。对于一般工作模式的整流器必须能够做到让DC回路电势的位移成为可能。值得注意的是，输入和输出网点可能变得相互太不对称，因此，这种形式的DC回路位移是临界的。在变压器UPS中，这一电势的位移是通过输出变压器的直流隔离来实现的。见图7。

　　作为输出滤波器一部分的变压器漏电感是比较容易用相同电感量的扼流圈来替代的。然而必须使用单相扼流圈，因为必须让UPS能够向不对称负载馈电。

　　在无变压器UPS中，要特别注意三相对称情况及输出电压的直流组分的随意性。因为这对于设备本身的工作并不是直接必要，但必须假定相连的负载对这些十分敏感，有可能没有任何先兆地随时发生。利用现代的程序控制和高精度的信息电子学控制，可以做到没有任何问题。

　　4 决定无变压器原理的其他元件

　　逆变器的DC回路电压的增加还需要改变与DC回路相连的其他一些电路元件。

　　4.1 电池连接

　　在传统的变压器和SCR整流器UPS中，电池通常直接与DC回路连接，根据DC回路的电压决定电池的充电。当从普通工作状态向电池工作状态变化时，在供电线路上不应该有任何变化。

　　DC回路电压的增加可以用增加电池的数量来调整。尤其在高功率情况下，通常存在的是并联电池组，从并联向串联的变化常常会有一些损耗，如保护元件和电缆必须改变以适合新的电压要求，如果正电池组和负电池组需要分开，还得增加安装成本。

　　由于这一原因，采用比较合适的电池数量是很有意义的，然而，这已经是过去的事情。在这种情况下，需要使用DC-DC变换器来调整电池和逆变器DC回路之间的电压。这个DC变换器必须能够执行2个区的工作，允许电池充电和放电。

　　4.2  整流器

　　在UPS正常工作期间，DC回路的供电*整流器产生，因此，整流器必须能为逆变器提供较高的DC直流电压，整流功能和电压调整功能可以分别执行，也可以同时执行。

　　在小功率无变压器UPS原理中，这些功能通常是分别执行的。一个简单的不可控整流器产生DC电压，再通过升压变换器给逆变器提供DC回路电压。这种形式的整流器的优点是在整个工作区都具有高的功率因素，然而同时伴随的是高达30%的输入电流的失真因子。

　　用于中功率UPS的另一个概念是使用IGBT脉冲整流器(又称为主动调谐器)，它也具有一致的功率因素，同时它的输入电流失真因子低于3%。

　　用于电池连接的新原理是上面所述的不同整流器的功能与DC变换器功能的良好结合，将IGBT整流器(功率因素一致、输入电流失真小于3%)的优良特性与过去通常使用的电池数量调整法同时结合使用。

　　这样，无变压器逆变器所必须的整流器和较高电压的DC回路的成本就可以限制在节省了变压器的限度内。

　　5 高功率UPS电源的其他重要特性

　　如今，高功率UPS已经被认为是一个装置的重要的、不可忽视的组成部分，根据这个事实，有必要对高功率UPS特别提出其他一些重要特性。

　　例如，前些年，对l6A以下UPS的输入电流的谐波分量的限制值已经作出了规定(标准IEC61000-3-2)，而直至现在用于16A以上电流的标准IEC61000-3-4也没有对中、高功率的UPS及其系统进行标准化。

　　然而，一个标准化输入电流的定义并不是最重要的，更重要的是业已存在的对于网格中任意一点的电压畸变的定义(EN50160)。并有必要依据定义确定一个短路功率或是一个对消费者有利的网络(正弦)输入电流。见图8。

　　高功率电源经常是馈电变压器的主要用户，因此他们的特性变得与网格的电压品质有关。具有正弦输入电流的网络友好型UPS可以降低与传统UPS相关的上游部分装置的花费。

　　另一个不可忽视的方面是在突发事件发生，动力电失效的情况下，UPS经常要在它的自主范围以外供电，因此对短路能力有着很多的限制，以至很大的注意力集中在UPS输入的网络友好性，以便在没有大的馈电发生器的条件下获得可接受的电压畸变。

　　再一个在高功率应用中需要特别注意的重要特性是UPS的动力软接入。首先意味着从电池工作向正常工作变化的开通变化要小。对于具有分离整流器和升压变换器的低功率UPS，整流器原理是唯一可限制的因素。因为开通期间功率必须取自于电池或上游网格。

　　还有一个需要特别关注的情况是突变情况下的工作。一种是在工作模式由电池向正常工作变化时，负载在额定输出范围内的非常快的变化，这种情况几乎是不允许发生的，它将导致瞬时的动态效应而损害电源的安全。

　　新的整流器原理利用对输入功率的转换速率进行限制，使得无论是在以正弦波形连续工作时，还是在工作模式发生变化的瞬态过程，对于馈电网络都是友好的。

　　6 结论

　　无变压器UPS在更高功率领域的实现可能是没有什么问题的。早在前些年，就已经在中小功率范围实现了，如今发现它也可以在高功率领域实现。这些概念除了需要改变逆变器电路外，还需要改变电池连接和整流器。人们所熟悉的整流器的进步使得它在高功率范围，无论是稳态还是瞬态的网络友好性成为可能。

　　新一代的UPS，采用了电池阵列与无变压器输入电路相隔离的技术，特别是在过去几年里在逆变器中用IGBT替代SCR，这些发展使得它在UPS的平缓变换的特性方面已经可与具有输入变压器的传统UPS相媲美。随着这些基础技术的进步，进一步的优化潜力已经放在下一代UPS面前。用现代电力电子学代替传统的电工结构元件势必扩展到高功率范围。