（1.广东电网责任有限公司河源供电局 广东省河源市 517000
2.中国铁塔股份有限公司河源市分公司 广东省河源市 517000）
摘要：目前，电力系统的继电保护、微机控制和事故照明等设备都需要交流不间断电源供电，根据电力系统的运行特点，UPS作为电源的一个独立领域由最初的飞轮动态储能式到今天的多类型多品种的旋转式、静止式、动静结合式、后备在线交叉式等等。无论是逆变电源还是UPS由于受综合自动化系统种类繁多的通信规约和报文格式的限制或受综合自动化系统通信接口数量的限制而无法实现远程监控。采用UPS同样会有缺点，就是UPS内部含有的蓄电池平时无专人维护，一旦需要电池供电时，很可能由于蓄电池的容量不足或破坏而无法供电。下面在分析不间断供电的原理的基础上，提出本课题的整体设计方案。
关键词：交流不间断电源、整流、逆变、功率变换、蓄电池
1基本概念
电力专用交流不间断电源系统分为电力专用UPS系统和电力专用逆变器电源系统。电力专用是指直流输入取自直流操作电源的蓄电池组，并且直流输入与交流输出之间的绝缘及耐压等需要满足电力系统的要求。
电力专用UPS是指含有整流器和逆变器，正常运行时交流输入经整流器变成为直流电后再经逆变器为标准正弦波输出，电网停电时无间断地切换至蓄电池供电。电力专用UPS适用于在线式运行，在可靠性要求高的场合可采用双机热备份方式。电力专用逆变电源：仅含有逆变器，价格比电力专用UPS要低。逆变器同样也有两种，一种是在线式，另一种时后备式。3kV以下的小容量因为直流输入的电流不大，可以考虑在线式运行。
1.1电力专用UPS的特殊要求
1、对于电力专用交流不间断电源系统的直流输入取自直流操作电源系统，而直流操作电源是个不接地系统，这就要求交流侧的任何故障均不能影响到直流母线，更不可以造成母线接地。
2、由于电力专用交流不间断电源系统是一个集中供电的系统，经配电屏后将有几十回线路的输出，这就要求它不允许某个电力设备的短路故障导致整个系统停电。必须保证足够的容量在负载短路的情况下能使故障回路断路器跳闸，从而保证其它回路的正常供电。这就需要馈出开关选择要有严格满足级差配合。
3、需要配置旁路开关以保障UPS维修以及在更换的过程中系统能正常供电，并且在任何运行状态下操作维修旁路开关均不能损坏设备。
4、信号模拟屏处指示设备运行工况外，还应具有指导操作者的功能。从而保证操作者按信号模拟屏的知识进行操作，不会由于误操作导致停电的事故。
2 UPS电源不间断供电的原理
2.1 负载间断供电的原因
造成负载间断供电的原因有很多，概括起来，主要有:
1）交流输入电源（市电）突然发生停电。造成这种突然停电的原因较多，如：用户发生故障或事故，造成电源跳闸；雷击造成短路而跳闸，或者由于雷击引起输电线断裂；鸟害引起断裂而跳闸；台风或龙卷风将输电线刮断等。
2）交流输入电源发生瞬间停电。
3）电源装置发生故障而中断供电。
2.2电力专用UPS系统组成
UPS系统主要是继电保护和计算机类智能化设备供电，要求高稳定性和高可靠性，因此采用双机热备份供电方式。
2.1.1 UPS电源系统应配置两台UPS电源，构成双机冗余供电系统。
2.1.2 UPS电源系统应采用组屏方式。
2.1.3 UPS电源交流输入、交流输出端应分别配置两台隔离变压器，直流输入端配置防反充电二极管，实现交流输入、直流输入、交流输出三端完全电气隔离。
2.1.4 UPS电源系统输入端宜配置相对地、中性线对地保护模式，标称放电电流不小于10kA(8/20µs)的交流电源限压SPD（交流电源防雷器），所有电源SPD都宜串联相匹配的联动空气开关以便于更换SPD和防止SPD损坏造成的短路，空气开关的额定电流为63A，SPD正常或故障时，应有能正确表示其状态的标志或指示灯。
2.1.6 UPS电源容量配置原则：
(1)每台UPS输出额定功率应不小于1.2倍全部负载额定功率的总和。
(2)UPS 电源容量应满足最大功率负载的起动电流需求。
(3)UPS 电源容量（Sn）与输出额定功率（Pn）关系为：Pn(kW)=0.8Sn(kVA)
UPS电源容量配置：500kV、220kV、110kV变电站每台UPS电源容量可分别按10kVA、5kVA、3kVA对应选取。
2.1.7逆变器核心器件组装成模块化结构装置，可独自取出检修。
2.1.8每台UPS交流输出馈线最多满足30路，其中500kV变电站馈线开关20A 4路、10A 16路、6A 10路；220kV、110kV变电站馈线开关10A 20路、6A 10路。
2.2 整流/充电器设计方案
2.2.1本设计中整流器和充电器合二为一，这主要是从功率大这个因素考虑的。为实现大功率整流和充电的需要，设计中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控桥式整流充电电路，从而大大提高了可靠性、降低了造价。控制电路采用16位INTEL96系列的80C196单片机，控制简洁、方便、可靠。
三相四线380V交流电压经空气开关KK、快速熔断器KRD、整流变压器降压隔离、再经三相全控桥式整流；整流输出经电感L、电容C滤波，LEM霍尔电流传感器，熔断器RD，接触器JQ接至220V蓄电池。微机(80C196单片机系统)控制回路由主控、测量、同步、脉冲输出、信号输入、信号输出及电源等部分组成。
2.2.2.整流/充电器的控制原理
在UPS不间断电源中的整流器，除了供给逆变器直流输入外，还须完成对蓄电池的常规充电、快速充电、浮充电的功能。因此整流器的输出是随着UPS不间断电源工作状态的变化而变化。下面具体说明如何调节整流电路的输出。
从公式2-1可看出，调节晶闸管的控制角即可调节整流输出。
整流器提供给逆变器的直流输入必须是稳定的，这样才能有利于逆变器的正常工作，为此在设计中引入了电压负反馈并采用了PID控制算法。即通过电压传感器对整流输出电压进行取样，与期望值进行比较，根据差值进行PID控制，从而实现整流输出的稳定。
2.3 逆变器设计方案
逆变器的功率单元采用IGBT组成的三相桥式逆变电路；IGBT驱单元采用日本富士公司生产的EXB841驱动芯片组成的驱动电路；逆变控制系统设计采用冗余设计方案：两套由INTEL公司生产的16位微处理器80C196MC组成的控制系统1#和控制系统2# (两者互为备用)共用一组功率单元及其驱动单元。
逆变器的输入来自整流/充电器的直流输出，经三相IGBT全控逆变桥，在逆变控制系统SPWM控制方式下产生SPWM脉冲波输出，再经特殊设计的隔离变压器(原边为三角形接法，副边为星形接法)隔离、滤波后产生稳压稳频的正弦交流电输出。其中K2为快速晶闸管组成的静态开关，是为实现负载不间断供电而设置的转换开关。
1.三相桥式逆变电路
逆变最基本的电路就是桥式电路。三相桥式逆变电路原理电路如下图所示。
图中的开关S1--6代表实际电路中的电力电子功率开关器件。只要开关按照一定的规律断开和闭合就能将直流电变为交流电。
图 三相桥式逆变电路原理图
在实际电路中，开关的切换(换相)通过换相电路或控制脉冲来实现。换相是逆变电路中一个十分重要的概念，因为实际电路中的电力电子开关器件并不是理想开关，它们的开通和关断必须在一定的控制条件下进行。无论是全控型还是半控型电力电子器件,只要给控制极适当的信号，就可以使其导通；但是关断时的情况就不同,全控型器件可以用控制极信号使其关断，而半控型的器件，必须采用一定的外部条件或措施才能使其关断。对于有自关断能力的器件来说，换相可通过自身来完成，称为器件换相；否则要借助其他手段来实现换相，如电网换相、负载换相、电容换相。
在本UPS不间断电源设计中，逆变器的直流输入侧来自整流器的整流输出或者蓄电池的直流输出，属于电压源，因此本设计中的逆变电路属于电压型逆变电路。它一般采用
导电模式，即在一个周期内每个臂导通
。
2.控制方式
电压型逆变电路的典型控制方式有相控和PWM控制两种。
相控是指控制触发脉冲的相位，即脉冲触发时刻来改变输出电压脉冲的宽度，从而得到调节逆变输出电压的作用。这种控制方式输出电压为矩形波，其中含有较多的谐波，对负载有不利的影响；且功率因数不高，调节时动态响应慢。
采用PWM控制方式能够较好地克服上述缺点。
PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使之输出一系列幅值相等、宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按照一定的规则，对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变输出电压的大小，又可改变输出频率。理论和实践证明PWM逆变电路具有很强的谐波抑制能力。同时，它还具有下列特点：
(1)逆变输出波形接近正弦波；
(2)动态响应快；
(3)功率因数高。
随着自关断器件的出现并成熟后，PWM控制技术得到了很快的发展，PWM型逆变电路获得了广泛的应用。如今，PWM控制技术己成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分，它对提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大作用。
2.4旁路电源设计方案
旁路电源是UPS不间断电源不可缺少的部分，它分为静态旁路电源和维修旁路电源。静态旁路是指利用静态开关(一对反并联的快速晶闸管组成)来实现逆变器供电和旁路供电之间的同步切换。因为快速继电器的动作时间至少为几毫秒，不能满足不间断供电的要求，而静态开关的导通和关断时间仅为数十微秒，因此可实现负载的不间断供电。维修旁路电源是为电源装置检修、维修时的备用电源。旁路电源一般取自市电电网。
结论
本UPS不间断电源系统的特点有如下几方面:
1.先进的功率变换技术
(1)整流/充电器采用整流器和充电器合二为一的设计方案。整流/充电主回路采用三相桥式全控整流电路，整流器件采用晶闸管，简化了功率电路设计，虽然增加了控制部分的成本和复杂性，但从整体性价比来考虑，仍节约了成本。
(2)逆变器采用了以绝缘栅双极晶体管IGBT为功率开关器件的正弦脉宽调制SPWM型桥式逆变电路。逆变功率开关器件采用具有自关断能力的复合型器件IGBT，既符合中大功率和SPWM控制的要求，又简化了驱动电路。IGBT作为电压控制元件，更易实现微处理器及数字信号的控制，使逆变器结构简化，也提高了逆变器的可靠性。IGBT的频率开关特性使UPS逆变器的工作频率提高到2KHz--10KHz，极大地改善了逆变器的性能(高频率低噪声、小体积)。
论文作者:杨静1,谭振铨2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/19
标签：电源论文; 逆变器论文; 电路论文; 逆变论文; 旁路论文; 器件论文; 电力论文; 《电力设备》2017年第31期论文;