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1  引言
    現代工業的發展對電能質量的要求越來越高，如何為電力用戶提供安全可靠的“綠色”電源是目前電源研究領域的熱點。UPS作為一種不間斷供電電源，是關鍵設備得以正常運行的保證。為適應發展的要求，近年來也在不斷地進行完善和改進。先后出現了后備式、在線式、三端口在線互動式及雙變流器串-并聯補償式等幾種結構類型的UPS。其中由Kamran^[1]和Silva^[2]提出的雙變流器串－并聯補償式UPS^[1~4]，既可以補償非線性負載中的無功電流及諧波電流，同時還可以補償電源電壓的諧波及基波偏差，較傳統雙變換在線式UPS而言，輸入功率因數高，輸出能力強，具有綜合的電能質量調節能力，是一種值得推廣應用的新型UPS。目前國外UPS廠家只有某公司擁有此項專利技術，在市場上已經推出Silcon DP300E系列大功率UPS，國內則剛剛處在研究的初始階段^[5]，還有許多研究工作需要進行。
    本文介紹了雙變流器串-并聯補償式UPS的工作原理，指出了其區別于傳統雙變換在線式UPS的優點所在，提出了一種基于同步旋轉坐標系^[6]下的控制策略，并通過仿真分析了其系統工作特性，結果表明所提控制策略的正確性，實現了雙變流器串－并聯補償式UPS的全部控制功能。
2  雙變流器串-并聯補償式UPS工作原理
    圖1示出雙變流器串-并聯補償式UPS的工作原理圖。圖中變流器Ⅰ和Ⅱ都是雙向AC→←DCSPWM變流器，其直流側接蓄電池E_b（其內阻等效為理想的恒定電阻R_b）和電容C。變流器Ⅰ經電感L₁和變壓器T輸出電壓Dv串接在電源電壓v_s和負載電壓v_L之間，稱之為串聯補償變流器。其輸出的補償電壓由兩部分組成：△v=△v₁+△v_h，△v_h為諧波補償電壓，它與交流電源中的諧波電壓△v_sh大小相等，但方向相反；△v₁為基波電壓補償量，補償電源電壓基波△s₁與負載電壓額定值v_R的偏差。所以變流器Ⅰ提供的補償電壓△v既抵消v_s中的諧波v_sh，又補償基波電壓v_s，使負載電壓v_sh成為與電源基波電壓V_s1同相的正弦波額定電壓v_R。
    變流器Ⅱ經L_2、C₂濾波后并接在負載兩端，稱之為并聯補償變流器。若負載為非線性負載，則負載電流i_L由基波有功電流i_LP、基波無功電流i_LP和諧波電流i_Lh3部分組成。對變流器Ⅱ進行實時控制，可使它輸出至負載的電壓為正弦波額定電壓v_R，并向負載輸出電流i₃=i_LQ+i_Lh+(i_Lp-i_s)。其中i_LQ、i_Lh補償負載無功和諧波電流，使電源僅向負載輸出基波有功電流i_s，而負載的有功電流i_LP則由交流電源(i_s)和變流器Ⅱ(i_2d)共同提供。

    由上述分析可知，在非線性負載、電源電壓高于或低于額定值v_R且含有諧波電壓時，這種UPS通過串、并聯補償變流器的共同作用，可使負載電壓u_L補償到與電源電壓同相的額定正弦電壓u_R，避免了網側諧波電壓對負載的影響；同時電源僅輸入基波有功電流i_s，功率因數近乎為1，克服了傳統雙變換在線式UPS因輸入整流部分所帶來的輸入功率因數較低的缺點。通常電源基波電壓偏離額定值小于±15%，因此變流器Ⅰ僅補償Du≤±15%的額定電壓，其容量僅為系統容量的20%左右。正常時市電與雙變流器共同對負載供電，兩變流器的最大功率強度只有負載功率的20%，相對始終在100%負載功率下工作的傳統雙變換在線式UPS而言，不僅整機效率高，功率器件損耗小，壽命長，可靠性高，而且有足夠的功率裕量去應付特殊的負載（沖擊負載、瞬間過載等），因此輸出能力得到很大的增強，相同容量的造價也降低了。一旦市電停電，變流器Ⅱ從蓄電池獲取電能繼續不間斷的對負載供電；當電網正常后，重新恢復市電與雙變流器共同對負載供電，在正確的控制策略作用下，可以實現輸出電壓無間隙、無突變。
3  雙變流器串-并聯補償式UPS控制策略
3.1  串聯變流器受控為基波正弦電流源
    在圖1所示UPS中，采用雙變流器串-并聯補償后應實現：市電輸入電流i_s是與v_s1同相的正弦有功電流，電源供電的功率因數為1；同時使得負載電壓v_L為基波正弦電壓，且v_L=v_R（額定值）并與v_s1同相。
    串聯變流器Ⅰ作為基波正弦電流源運行，向交流電網注入電壓△v=△v₁+△v_k，△v_k與電源諧波電壓v_sk大小相等、方向相反，△v₁=△vs₁-v_R。同時串聯變流器向電網串聯注入基波正弦電流i_s，i_s與v_s1同相，使交流電源電流中無諧波電流，無功電流，供電功率因數為1，其控制框圖如圖2所示。


的電流控制指令，經dq/ABC變換后獲得三相指令電流再經滯環電流比較后獲得串聯變流器的PWM開關控制信號，使電源電流i_s跟蹤I_S^*，則可實現作為正弦電流源的串聯變流器對電源電流的控制功能和對電源諧波電壓的補償（隔離）功能。由于系統在運行期間始終并接蓄電池工作，維持了直流端電壓的基本恒定，且忽略電池充電功率和系統中電感、電容、開關器件的功率損耗，因此在此控制框圖中沒有添加直流端電壓控制環節。

3.2  并聯變流器受控為基波正弦電壓源
   并聯變流器Ⅱ作為基波正弦電壓源運行，輸出與v_s1同相的額定值正弦波電壓v_R，同時經L₂、C₂后輸出補償電流為

    則由圖1可得到三相靜止ABC系統電流平衡方程為


節器輸出、補償電流前饋及電容電流交叉解耦電流之和，經電流滯環控制作用，使并聯變流器輸出電流i₂包含負載所需要的無功電流i_2q和諧波電流i_2h及恰如其分的有功電流i_2d。

     根據以上控制策略，由于串聯變流器受控為基波正弦電流源，電源電流i_s為與電源基波電壓同相的正弦有功電流，從而使得非線性負載中的無功和諧波電流經并聯變流器得到補償。同時并聯變流器受控為基波正弦電壓源，使負載輸入電壓v_L為與電源基波電壓v_s1同相的正弦波額定電壓v_R，從而使得電源電壓中的諧波與基波偏差經串聯變流器得到補償（或隔離）。
4  系統特性仿真結果
    基于上述控制策略，在MATLAB SIMUlink環境下建立了系統的連續域仿真模型， 并對其工作特性進行了仿真。圖1中交流電源電壓v_s的基波v_s1在其額定值v_R（線電壓380V/相電壓220V）的±15%范圍變化。v_s中的5次諧波電壓v₅、7次諧波電壓v₇各為基波電壓值的5％。負載為三相相控橋整流裝置，R=19.7W，L=50mH，相控角a=30o，直流負載功率10kW。直流端接蓄電池E_b=600V，其內阻R_b=0.1W，直流電容C=4700mf。串聯變壓器變比N=4，濾波電感L₁=1mH， L₂=0.5mH，濾波電容C₂=150mf。
    采用圖2、3所示控制系統和控制策略，圖4、5分別示出在電源基波電壓v_S1=1.15v_R和v_s1=0.85v_R兩種工況下，電源電壓v_s、A相負載電流i_LA、A相串聯變流器電網側補償電壓△v_A(v_CA/N )、A相并聯變流器補償電流i_3A、負載電壓v_L、電源電流i_s及直流電壓V_dc的示波圖。圖6則給出了上述兩種工況下，電網掉電和電網恢復供電切換動作時的A相輸出電壓及輸入電流動態變化波形。

5  結論
    圖4、5、6示出的仿真結果表明：所提出的控制策略可以較好地實現雙變流器串-并聯補償式UPS的全部功能。在電源電壓非額定值、有諧波電壓，負載非線性、有大量無功電流的情況下，這種UPS的交流電源輸入電流i_s為正弦波，且cosf =1，負載電壓v_L為額定值正弦波，且v_L與電源基波電壓v_s1、電源電流i_s同相。當電網掉電或恢復電網供電時，輸出電壓無間隙、無突變。區別于傳統的雙變換在線式UPS，由于雙變流器串－并聯補償式UPS具有輸入功率因數高、輸出能力強的突出優點，因此是一種值得推廣應用的新型UPS。