基于Delta逆變技術的UPS應用

田建平

摘？要：本文主要闡述了基于Delta逆變技術的UPS的工作原理，重點分析其所采用的Delta變換器的工作過程，搭建了整個系統的測試環境，根據搭建平臺進行了相關實驗。實驗的結果基本驗證了Delta變換型UPS對市電電壓、電流的調節和補償功能。

關鍵詞：Delta逆變技術；電流控制；電壓控制

隨著電力電子技術的發展，出現一種全新的UPS（不間斷電源）拓撲——Delta變換型UPS。這種UPS由兩個變換器構成，既保留了傳統在線式UPS的全部在線功能和高質量輸出電壓，又使得很多關鍵性能指標得到改善，它不僅消除了對電網的污染，更重要的是輸出能力高、可靠性強，可以說是目前比較理想的UPS系統[1]。

基于Delta逆變技術的典型產品是APC公司的Silcon系列UPS，Delta逆變技術保持了傳統雙變換在線式UPS的全部高性能輸出指標的同時，對電網適應能力和輸出能力兩個方面有了重大改進和突破，真正實現了零轉換時間和高輸入功率因數，大大降低了對電網的污染程度[2]。電路結構采用串并聯的高頻雙向變換技術[3]。雖然傳統在線式的技術已經非常成熟，但由于本身帶有許多無法突破的問題，發展受限[4]。高頻化概念的引入，給UPS的發展帶來了許多新的思路和空間，隨著高頻技術和器件的發展，3 kVA（千伏安）及以下的高頻率在線式UPS的技術和產品己經成熟，其功能和可靠性均高于傳統UPS，高頻率對于減小體積、降低成本，以及對非線性負載有更好的響應上起著重要的作用[5]。

雖然Delta變換式UPS具有輸入頻率不可變，抑制浪涌的性能比較差等缺點，但是和雙變換式UPS相比，還是體現了自身的一些特色：Delta變換器相當于一個DVR（串聯型動態電壓調節器），不但可以補償市電和負載的電壓差值，還可以對市電電壓的諧波、閃變、三相不對稱等進行補償，甚至還能對功率因數進行校正。APC公司Silcon系列UPS采用Delta變換器，具有料耗省，效率高等優點，其在性價比上極具優勢。

1 UPS工作原理

在分析該UPS的工作原理之前，必須先了解一種帶串聯電壓補償器的在線互動式UPS，其主電路結構如圖1所示。

變壓器T1從變壓器T2上取電壓，經過隔離后補償Vin，通過觸點S的移動來調節補償電壓的大小和正負，從而穩定Vout。該UPS主要對Vin的過壓和欠壓進行補償，由于電流處于不可控狀態，所以此UPS沒有諧波的抑制能力，沒有很好的過載保護功能，當然也無法對功率因數進行校正，加上Vout的調整是依靠機械觸點來完成的，所以輸出電壓的精度也很差。為了解決以上問題，采用電流可控的Delta變換器，成功地克服了上述缺點，并利用了這種在線式UPS效率高，成本低的優點，其主電路結構如圖2所示。

為了方便控制，不需要把Vout和Vin的差值作為主要的控制對象，而是用主逆變器直接產生輸出電壓Vout，Delta變換器被動補償Vout和Vin的差值，控制輸入電流，起抑制諧波和校正功率因數的作用。為對付不對稱的負載，采用三相獨立控制的策略。

1.1 UPS的系統組成

從主電路可知，UPS由主路和旁路兩個靜態開關、共用直流母線的Delta逆變器和主逆變器、串聯的Delta變壓器組成。主路上的靜態開關STS1控制開機時的電容充電、輸入掉電時的保護、主路和旁路的切換，以及轉電池的工作過程。兩個逆變器的作用如下所述。

主逆變器的作用：

①在Vin頻率和電壓允許波動的范圍內，提供相位和頻率與Vin相同的輸出電壓Vout；

②作為一個電壓源，具有很小的內阻抗，在Delta變換器的作用下，可以被動地補償諧波電流；

③在Vin < Vout和Vin = Vout情況下提供給電池充電的電流；

④在過載情況下提供部分負載電流，實現聯合供電模式；

⑤在電池工作模式下，提供輸出電壓和電流。

Delta逆變器的作用：

①控制輸入電流，實現電池充電、輸出負載電流和主逆變器補償電流之間的平衡；

②控制輸入功率因數為1；

③作為一個電流源，具有很大的阻抗，主逆變器穩壓的作用下，可以被動地補償諧波電壓和輸入波動造成的電壓差；

④輸入過壓時，通過Delta變換器給電池充電，如果電池是滿的，則多余的能量通過主逆變器供給負載；

⑤輸入欠壓時，加大逆變器的輸出電流，讓主逆變器從回路中吸收多余的能量供給電池，并傳遞給delta變換器。

1.2 實現輸入電壓補償、功率因數校正和諧波抑制的Delta變換器

我們先看一下一般變壓器的工作過程，如圖3所示。

如果變壓器二次側Load1為純電阻負載，則Vin和I1、I2同相位，Vin的輸出功率因數為1，能量從Vin向Load1傳遞；如果變壓器二次側為Power，一次側為電阻負載Load2，則I2和I1一樣同相位，能量從Power向Load2傳遞，Power的輸出功率因數仍然為1。

上述變壓器的兩種工況對應于Delta變換器工作時的Vin>Vout和Vin

很明顯，I2和I1的比例就是變壓器的變比，由于Delta變壓器在主電路中只承擔最大15%的額定電壓（取Vout），所以選二次側為升壓的設計，這樣可以取較小的I2，選擇電流較小的功率模塊節約成本。UPS的Delta變壓器變比為1：5，逆變器的功率模塊是MG15Q6ES42（15 A/1200 V）。從Vout為交流220 V可以推算出Delta變壓器的參數：一次側額定電壓33 V，二次側額定電壓165 V，容量為500 VA，鐵心材料為硅鋼片。

諧波的抑制：對一個變壓器而言，要使其輸入消耗的電流最小，只有一種辦法：空載。所以在Vin存在諧波含量的時候，Delta逆變器仍然只輸出基波電流，由于諧波電壓沒有諧波電流的消耗，Delta變壓器一次側的諧波電壓相當于遇到空載勵磁阻抗，諧波電流很小。

1.3 工作過程（能量流分析）

開機過程由以下幾步完成。

①靜態開關STS1的軟啟動：逐漸增大其導通角，主路通過Delta變壓器T的一次側和主逆變器的輸出濾波電感L，以及主逆變器中的續流二極管對電容器C進行充電，直到STS1完全開通，電容器電壓升至±311 V，這個過程Delta逆變器和主逆變器均未工作。

②主逆變器的高頻整流繼續給電容器充電：這個過程是為了滿足64節蓄電池所需的±360 V的電壓要求。

③電容器電壓升到±360 V時，系統通知電池開關合閘，開始進入一分鐘的等待，這時主逆變器繼續整流充電，充電結束時的直流母線電壓與Vin有關，最大不超過設定的438 V。

④一分鐘的等待結束后，系統顯示system off，提示機器可以啟動，這時STS1關斷，如果不按下啟動按鈕，則電容器上的電荷會通過并聯的電阻逐漸消耗，最終出現Low DC Shutdown。（為什么要這么做）

⑤啟動：按下啟動按鈕，電池開始建立Vout（在Vout建立之前，STS1和Delta逆變器仍然是關斷的）。Vout建立起來后，STS1和Delta逆變器開啟，結束開機。

在無電池情況下，下列工況會造成開機失敗。

①Vin < 200 V。這是因為在Vin < Vout條件下開機時，Delta變換器需要從二次側向一次側傳輸能量，這個能量只能由電容器提供，而這時電容器已經給主逆變器提供能量，造成電容器電壓嚴重下降，出現Low DC Warning和Low DC Shutdown關機。

②加了負載。在STS1和delta逆變器開啟之前，電容器的能量無法穩定住Vout，致使直流母線嚴重下降，出現Low DC Warning和Low DC Shutdown關機。

從前面的分析可知Delta變壓器具有能量在兩側雙向流動的功能，I2永遠與Vin同相位，如圖5所示。Delta變換器的運行分四種工況。

Vin > Vout：能量從Delta變壓器一次側向二次側傳輸，Delta逆變器相當于一個純電阻負載，這個負載消耗的能量是給電池充電或者給主逆變器輸出，能量流如圖6所示。

Vin < Vout：能量從Delta變壓器二次側向一次側傳輸，Delta逆變器相當于一個發電機，提供最大15%的補償能量，由于Iin、Vin與Vout嚴格同相位，所以此發電機相當于帶一個電阻負載，Delta逆變器的輸出電流也必然是正弦基波，能量流如圖7所示。

從圖6和圖7可以看出，Delta變換器是用15%的能量控制100%的能量流動。

Vin = Vout ：Delta變壓器兩側電壓為零，電流是基波，有效值由負載電流和電池充電電流決定，Delta變壓器兩側呈現很低的漏阻抗，能量流如圖8所示。

Vin中存在諧波的情況：I2中無諧波電流通過，具體的細節還未測試。

圖9～圖11列出Vout = 220 V，f = 54 Hz，60%對稱阻性負載，Vin從大到小變化時，Delta變換器的電流電壓波形。

其中CH1、CH2為Delta變壓器一次側電流Iin、二次側電流I2波形，CH4為Delta變壓器一次側電壓Vin-Vout。

從圖11可以看出，Iin、I2隨Vin的增大而減小，因Iin還控制著輸出電流和電池充電的平衡，所以Delta逆變器的輸出電流I2的受控量為：Vin-Vout、Iout和電池電壓Vdc。

2 結論

在UPS工作中，Delta逆變器都必須提供與Iin相對應的基波電流I2，否則在主逆變器的作用下，Delta變壓器表現不了所需要的電流源性質，而使能量流發生變化。如果通過I2控制的Iin有效值小于Iout有效值，必使得主逆變器輸出電流加大，這種工況適合于Vin > Vout，或者過載時電池和Vin聯合供電的方式；如果I2控制的Iin有效值大于Vout有效值，則必有Vin < Vout，或者Vin = Vout時電池充電。由于Delta變壓器一次側的額定電壓是33 V，所以在Vin出現短路的情況下，STS1必須盡快關斷，才能穩定Vout。

參考文獻：

[1] 王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2] 劉鳳君.Delta 逆變技術及其在交流電源中的應用[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3] 劉勝利，嚴仰光.現代高頻開關電源實用技術[M].北京：電子工業出版社，2001.

[4] 李勛，戴珂，楊蔭福等.雙變流器串-并聯補償式UPS控制策略研究[J].中國電機工程學報，2003，23（10）：104-108.

[5] 劉鳳君，Delta逆變技術及其在交流電源中的應用[M].北京：機械工業出版社，2003：37-40.