Applications of Delta Inverters in UPS
QU Xue-ji
(China Academy of Space Technology, Beijing 100029, China)
Abstract: In this paper, we introduce the basic circuit, operation principles and control methods of Delta inverter, as well as the UPSbased on the Delta inverter. In addition, we analyze the compensation characteristics of the input current and its harmonics as well as voltage input and its harmonics of the mains power.
Keywords: Delta Inverter; UPS; Compensation
1   Delta逆变器的基本电路和工作原理
在物理学中,Delta(Δ)表示物理量的增量,所谓Delta逆变技术用电参量——电压或电流的变化增量作为调制波信号,对PWM逆变器进行控制,使其按比例重现电参量的变化增量数值和波形。这种逆变技术称之为Delta逆变技术。这些电参量的变化增量包括市电电压的波动ΔU和谐波分量Un、阻感负载电流中的无功分量Ix和谐波分量In。通过对这些变化增量的实时补偿,Delta逆变技术可以有效地提高市电的供电质量和对阻感负载电流无功分量进行补偿。因此,Delta逆变技术是颇具前途的逆变技术。
1.1   单相Delta逆变器
单相Delta逆变器的主电路和控制波形如图1所示。图1(a)为主电路,(b)为控制波形。从图中可以看出,主电路是一个单相全桥式逆变电路,Delta逆变器的特色在于控制部分。因为变化增量与基准电参量相比较,是一个可正可负的量,所以,Delta逆变器能同时对变化增量进行正补偿和负补偿,要求Delta逆变器能够双向四象限工作。因此,PWM是以三角波为载波、变化增量为调制波的线性高开关频率的调制器。为能实时跟踪和补偿变化增量,要求能快速线性检测变化增量,即调制波能实时准确地再现变化增量。

假设变化增量为市电电压的波动ΔU,为方便起见,设ΔU=ΔUMsinωt,ΔU作为调制波,载波为半波三角波,如图1(b)所示。ΔU与三角波进行比较,得到SPWM波形。在调制波的正半周,在调制波大于三角波的时段,功率开关管VT1和VT4导通,得到SPWM波的正脉冲部分,其幅值为VCC;在调制波小于三角波的时段,VT1和VT4关断,得到SPWM波的零电平。在调制波的负半周,在调制波小于三角波的时段,功率开关管VT2和VT3导通,得到SPWM波的负脉冲部分,其幅值为-VCC;在调制波大于三角波的时段,VT2和VT3关断,得到SPWM波的零电平。在调制波的下一个周期,重复上述过程。由此可见。SPWM波具有VCC、0和-VCC三个电平,SPWM波是三电平波形,其开关频率与三角形载波相同。
在实际应用中,ΔU等变化增量并不是正弦函数,它是一个不规则的变量。所以,三角形载波的极性应随调制波的极性的变化而变化。
1.2   三相Delta逆变器
三相Delta逆变器的主电路和控制波形如图2所示。图2(a)为主电路,(b)为控制波形。主电路为一典型的三相全桥式逆变器电路。为讨论方便起见,图2(b)中只给出了A相的控制波形,B相与C相的控制波形与此相同。图2(a)中的O点是为讨论方便而虚设的中点。

选择市电电压的变化增量ΔU为调制波,ΔU=ΔUMsinωt，载波为三角波UC，调制波与载波进行比较。在调制波大于载波的时段,功率开关管VT2导通,VT1关断,得到SPWM中的正脉冲部分,其幅值为VCC/2;在调制波小于载波的时段,VT1导通,VT2关断,得到SPWM中的负脉冲部分,其幅值为-VCC/2。由此可见,SPWM波具有VCC/2和-VCC/2两个电平,SPWM波为二电平波,其开关频率与载波频率相同。
1.3   Delta逆变器的控制方式
前面已介绍过,Delta逆变器的主电路比较简单,但要求其控制电路能实时地跟踪变化增量,所以,应采用跟踪型PWM控制方式。在对Delta逆变器进行原理分析时,通常采用SPWM波控制方法,但是SPWM法的补偿精度不够高。下面介绍两种比较实用的跟踪型PWM控制方法。
(1)瞬时值滞环比较法

图3为瞬时值滞环比较法的原理图。
以下仍以市电的变化增量为例结合图3来说明瞬时值滞环比较法的工作原理。
图中,U为补偿量信号,它取自运行中的市电,包含有市电电压的变化增量;U'为补偿量的指令信号,此处应为标准的工频正弦信号。U和U'在比较器中进行比较,得到差值信号ΔU。ΔU作为滞环比较器的输入,滞环比较器产生控制逆变器主电路功率开关管导通或关断的PWM信号。这样,Delta逆变器的输出实时跟踪指令信号。
在瞬时值滞环比较法中,滞环宽度2H对补偿量的实时跟踪有较大的影响。在2H较大时,开关频率较低,跟踪速度也较低,误差较大,但对开关管的要求较低;在2H较小时,开关频率较高,跟踪速度较高,误差减小,但对开关管的要求较高。
在采用瞬时值滞环比较法时,通常选择滞环宽度2H为固定值。由于变化增量的频率不是恒定的,所以逆变器的开关频率也是变化的。特别是在补偿量的变化范围较大时,会出现以下两种情况:
①在补偿量的数值很小时,固定的滞环宽度可能使跟踪误差增大。
②在补偿量的数值很大时,固定的滞环宽度可能使逆变器的开关频率增高,当逆变器开关频率超过开关管允许的最高频率时,可能导致逆变器工作失效。解决此问题的最直观的办法是滞环宽度跟踪补偿量的变化而自动调节,但这种办法会使电路结构复杂化。另一种办法是采用图4所示的定时控制的瞬时值比较法。

在图4中,差值信号ΔU通过一个由时钟控制的比较器,得到PWM信号。时钟控制比较器在时钟脉冲控制下,每个时钟周期对差值信号ΔU判断一次,这样一来,PWM信号最多一个时钟周期才会变化一次,开关管的开关频率不会超过时钟频率的一半。选择适宜的时钟频率,也就限定了最高开关频率,不会出现逆变器工作失败的情况。这种方法的缺点是补偿量的跟踪误差不是固定的,在PWM的波形上,会出现忽大忽小的毛刺。
综上所述,瞬时值滞环比较法的特点如下:
①与SPWM法不同,瞬时值滞环比较法不需要载波,在逆变器的输出中没有特定频率的谐波分量。
②该方法的电路结构简单,比较容易实现。
③能实现实时跟踪闭环控制,跟踪速度较快。
④在滞环宽度固定的情况下,将导致逆变器开关频率是变化的。这可以用定时控制瞬时值比较法来解决。
(2)三角形波比较法
在SPWM法中,将指令信号与三角形载波进行比较。而在三角形波比较法中,指令信号与补偿量信号比较后得到的差值信号,在经过放大器A之后,再与三角形波进行比较(见图5)。这种方法可以视为SPWM法和瞬时值滞环比较法的组合。三角形波比较法的优缺点:
①跟踪误差较大,跟踪速度较慢。
②逆变器的开关频率是固定的,与三角形波的频率相同。
③逆变器输出中的谐波含量较少,但含有与三角形波相同频率的谐波。
④与SPWM法和瞬时值滞环比较法相比较,其电路结构比较复杂。 

             
2   Delta变换UPS的系统结构
在Delta变换UPS出现以前,传统的UPS以单变换UPS和双变换UPS为主。单变换UPS(以在线互动式UPS为主)虽然有较高的变换效率,但在输入和输出之间没有电隔离;而双变换UPS多采用整流器—逆变器—变压器的传统结构,这种与电网相串联的结构,限制了变换效率,并且整流器产生的谐波电流会对电网造成严重污染。在上个世纪末,Delta逆变器的出现,为UPS的发展提供了一条新途径。
Delta变换UPS的原理如图6所示。

从图6可以看出,Delta变换UPS中采用了两个Delta逆变器,Delta逆变器1和Delta逆变器2可以用IGBT作为功率开关的单相半桥式逆变器或单相全桥式逆变器,它们均可双向四象限工作。由于它们分别采取串联和并联的形式,所以Delta变换UPS也称之为串并联补偿式在线UPS。除两个逆变器以外,Delta变换UPS中还包括静电开关、基准正弦电压源、蓄电池、直流电容器和低通滤波器等。以下简介它们在电路中的作用。
(1)Delta逆变器1
Delta逆变器1通过变压器T串联在输入(市电电网)和负载之间,其容量约为UPS总容量的20%,这取决于市电电网电压的波动范围和负载功率因数cosφ。Delta逆变器1是一个电流源,提供正弦波电流。其主要作用是消除市电电网输入电流中的无功分量和谐波分量,并对市电电网电压的波动进行补偿。所以,Delta逆变器1具有有源滤波和交流稳压双重功能。在有源滤波时,可以做到市电电网的输入电流与输入电压接近于同相位,输入功率因数接近于1,输入电流的谐波含量小于3%。此时变压器T作为输出变压器用。在交流稳压时,对市电电网电压的波动进行补偿,与Delta逆变器2一起,可以做到输出电压稳定在1%以内。此时变压器T作为电流互感器用。所以,在设计变压器T时,应考虑其输出变压器和交流互感器的双重功能。
Delta逆变器1采用SPWM控制法,开关频率为15～20kHz。
(2)Delta逆变器2
Delta逆变器2通过低通滤波器L2C2在输出端与负载并联,其容量为UPS的总容量。Delta逆变器2是一个电压源,其主要作用是为负载提供纯净、稳定的正弦波电压;向负载提供无功电流分量和谐波电流分量和向蓄电池提供充电电流。实际上,Delta逆变器2是一个并联式交流纯净稳压电源。它与Delta逆变器1一起对市电电网电压的波动和谐波电流分量进行补偿,使负载上得到纯净、稳定的正弦波电压,电压精度可达±1%,波形失真度小于3%。在市电电网掉电时,Delta逆变器2向负载提供100%的功率。所以,Delta逆变器2是UPS的主功率逆变器,也称之为主逆变器。
Delta逆变器2采用SPWM控制法,开关频率与Delta逆变器1相同,为15～20kHz。
(3)主静电开关S1和旁路静电开关S2
静电开关S1和S2是由两只反向并联的晶闸管组成的。在市电电网正常供电时,主静电开关S1导通,旁路静电开关S2关断,市电电网经Delta逆变器1向负载供电,Delta逆变器2稳定输出电压,并与Delta逆变器1一起对市电电网电压的波动和谐波电流分量进行补偿;当市电电网出现故障或者电网电压超出允许范围时,主静电开关S1关断,防止Delta逆变器2的电流向电网倒灌,UPS立即转入蓄电池供电,由Delta逆变器2向负载供电;当输出超载,或者Delta逆变器1或Delta逆变器2发生故障时,旁路静电开关S2导通,由市电电网直接向负载供电。
(4)基准正弦波电压源
基准正弦波电压源是一个与市电电网电压同步的基准正弦波电压发生器。它在控制电路中提供标准的正弦波电压信号,是电压数值和波形的基准。其输出基准正弦波电压的精度优于0.02%,其输出波形的失真度小于0.5%。
(5)蓄电池
当市电电网出现故障或者电网电压超出允许范围时,蓄电池作为备份电源向负载供电。
(6)直流电容器Cd
直流电容器Cd并联在Delta逆变器1和Delta逆15:08 2013-3-15变器2之间,是两个逆变器直流侧的滤波电容器,也是Delta逆变器1的储能电容器,它还有减小蓄电池动态阻抗的作用。
(7)低通滤波器
低通滤波器由L1和C1、L2和C2组成。低通滤波器L1C1的主要作用是对市电电网和Delta逆变器1中的高次谐波分量进行滤波,其中L1还是市电电网和Delta逆变器2并联向负载供电时的平衡电感器;低通滤波器L2C2的主要作用是对Delta逆变器2中的高次谐波进行滤波,其中L2还是市电电网和Delta逆变器2并联向负载供电时的平衡电感器,也是Delta逆变器2整流运行时的储能电感器。 (未完待续)