通信机房高频UPS无功就地补偿方法研究

杨昆，李菡

(1 河北省标准化研究院，石家庄 050000； 2 中移在线服务有限公司河北分公司，石家庄 050000)

1 背景情况

电源系统作为保证通信网络正常运行的关键设备，被誉为通信网络的“心脏”。近年来，随着信息消费、宽带战略、4G等产业政策的全面落实，通信行业飞速发展，通信基础建设规模日益庞大，通信设备单机耗电量大幅增加，目前通信机房（包括各类IDC机房）的用电量占我国建筑能耗15%～20%，并且机房投资规模每年保持在25%的增长，机房耗电所占比例逐年升高，这对通信电源的供电容量、电能质量和可靠性提出了更高要求。

由于通信行业各机房和数据中心耗电量大，为提高供电容量，并方便运营单位管理维护，通信电源供配电系统通常采用图1所示的集中供电方式，在通信建筑群中集中设计高低压变配电室，将10 kV或35 kV高压变换到380 V/220 V，再通过低压配电柜将电能分配到不同建筑、不同楼层的电力电池室或配电室给负载供电。由于通信建筑规模大，电能长距离输送，为避免无功引起的受电端电压波动、三相不平衡等电能质量问题，根据国家标准，需要进行无功补偿。目前主要采取在高低压配电室安装无功补偿电容或SVG的集中补偿方式，补偿回路如图1中回路1所示，无功补偿容量通常为配电变压器容量的30%左右，补偿设备投资高，维护成本大，并且由于配电距离远，无法精确控制受电端电能质量。在负载端安装补偿设备就地补偿无功可以有效解决上述问题，但是由于各类通信机房空间资源有限，在主机房重新安装无功补偿设备经济性、可行性不佳。

通常在通信机房、数据中心每层设置给本层设备供电的电力电池室。电力电池室设置不间断电源（UPS）设备给重要通信设备供电。为了保证供电系统可靠性，UPS采用1+1或2N的方式，正常情况下单台UPS最大负荷小于额定容量的45%，导致系统效率低、容量浪费、运行成本高。随着技术成熟、成本下降，高频UPS已经成为发展趋势，本文提出一种利用高频UPS电源PWM整流器进行无功补偿的方法，利用瞬时无功理论和dq变换，将三相耦合有功、无功解耦分别控制，可以在不改变UPS电路拓扑和有功传递的前提下增加无功补偿功能，提高设备利用率。由于电力电池室靠近负载，这样不需要在通信供配电系统增加设备，仅需在UPS整流侧加入无功控制策略，就可以实现无功的就地补偿，补偿回路如图1中回路2所示。将UPS就地补偿和集中补偿方式结合，可以减少集中补偿设备容量，节省投资、维护成本，同时增加UPS设备利用率，并获得更好的补偿效果。

2 UPS电源系统结构及整流器拓扑分类

常见UPS电源系统由整流器、逆变器、直流滤波电容、蓄电池和旁路开关等组成。通过直流储能装置（蓄电池）和电力电子变换装置（整流器+逆变器）将公共电网侧和通信负载隔离。正常情况下，整流器将电网侧交流电压转换为直流，并控制直流母线电压水平。交流侧逆变器采用先进控制技术输出具有电压稳定、频率固定、波形正弦的交流输出电压给负载供电，保障供电质量。当电网故障停电时，UPS可以在数毫秒内切换工作方式，整流器隔离电网侧故障，逆变器采用直流侧蓄电池对负载进行供电，保证通信设备连续正常工作。由此可见，UPS电源具有稳压、稳频、抗干扰、防止浪涌、不间断供电等功能，可以有效提高通信设备供电质量，在通信电源系统中具有不可或缺的重要地位。

图1 通信电源集中供配电方式

根据整流器的拓扑结构不同，可以将UPS分为相控整流型和PWM整流型两类。相控整流器开关器件为晶闸管（SCR），由于SCR是可以控制开通、不能控制关断的半控型开关器件，SCR导通后关断必须由电网施加反向电压，降低流过开关的电流后自然关断，因此SCR只能以50 Hz的电网工频周期开关工作，所以工业上也被成为工频UPS。PWM整流器开关器件为绝缘栅双极性晶体管（IGBT），由于IGBT可以控制开通和关断，因此器开关频率不受电网影响，其工作开关频率通常为几kHz到几十kHz，以提高整流器输入电压、电流波形质量、降低谐波并减少输入滤波器容量、体积，因此PWM整流型UPS工业上也被成为高频UPS。

常用PWM整流型UPS拓扑为三相半桥整流电路，具体结构如图2所示。整流器由6只IGBT组成，上下两只IGBT为一个桥臂，桥臂重点输出一相交流电压，三个桥臂组成三相系统，工作时采用SPWM（正弦波脉宽调制）控制IGBT。每个桥臂采用单独调制信号与三角载波比较生成开关信号，同一桥臂上下两只IGBT互补导通，三相间调制信号幅值相等，相位相差120°，通过调节调制信号的幅值和相位可以控制整流器交流侧电压幅值和相位，从而控制UPS吸收的有功和无功，改善功率因数，因此不需额外增加功率因数调节电路，并且通过控制调制信号调至比提高整流器直流电压，逆变电路可直接逆变输出市电380 V/220 V，不需体积庞大的工频输出变压，节省空间。

图2 PWM整流型UPS电源拓扑结构

3 PWM整流型UPS整流器无功补偿方法

3.1 PWM整流器无功补偿原理

假设正常工作时PWM整流器直流侧电压稳定在Udc，则整流器直流侧电压、交流侧电压和调制信号关系如式（1）所示，其中M为调制信号调至比，Us为调制信号有效值，ωs为调制信号角频率，控制其与电网角频ω0率相同，即同步运行，δ为调制信号相对于电网的相位角。可见PWM整流器交流侧等效电压Uc可以看作是一个幅值、频率、相位都可以通过调制信号指令控制的可控电压源。通过调节Uc的幅值和相位可以改变交流滤波电抗器端电压，从而改变整流器交流侧输入电流Ic的幅值和相位，达到调节有功和无功的目的。

图3 高频UPS电源PWM整流器工作原理框图

高频UPS电源系统结构和PWM整流器无功补偿工作原理框图如图3所示，可见与普通高频UPS相比，只增加普通负载电流检测传感器和软件控制算法。PWM整流器无功补偿的基本工作原理是通过检测电路获得UPS支路以外负载电流，并通过指令电流运算电路计算负载无功作为无功电流的指令信号据指令电流控制整流器输出负载所需的无功电流，使得电网电流ig中仅含有功成分，无功计算采用瞬时无功理论将负载电流进行dq变换后，q轴电流分量低通滤波获得，本文不再详述。整流器的有功电流指令根据直流侧电压udc计算获得，用来稳定直流侧电压从而保证逆变器正常工作，并输出通信负载所需有功。

3.2 PWM整流器数学模型及控制方法

忽略PWM整流器高频分量，只考虑基波分量，由PWM整流器单相等效电路和功率守恒可得PWM整流器交流侧输入、输出特性方程如式（2）所示，根据公式可知整流器在abc三相静止坐标系下的数学模型为一组时变系数的微分方程，利用同步旋转坐标变换（dq变换）将三相abc静止坐标系统中的时变微分方程变换为dq同步旋转坐标系下的常系数微分方程。

假设电网电压如式（3）所示，Ug为电网电压有效值，将d轴坐标与电网电压相量Ug重合，任意相量X在abc坐标系与dq同步旋转坐标系的变换关系如式（4）所示，变换矩阵Tabc-dq和Tdq-abc为别如式（5）、式（6）所示，其中ω为坐标变换角频率。

根据前面定义的恒功率dq变换，对式（2）进行dq变换并整理，可得PWM整流器在dq同步旋转坐标系下的数学模型为

式中，ugd，q为电网电压的d、q轴分量，由于d轴坐标与电网电压相量Ug重合，因此有ugq= 3Ug，ugq=0 ；ucd，q、icd，q分别为 PWM 整流器交流侧电压和电流的d、q轴分量，其中

可以看到在dq转坐标系下PWM整流器的数学模型变成常系数微分方程，且装置输出电压和电网电压均变换为直流分量，经过推导求解装置补偿电流也为直流分量，这样会方便控制器设计以及提高控制器跟踪精度。根据瞬时功率理论，PWM整流器从电网吸收的瞬时有功功率和无功功率分别为

可知通过调节icd和icq就可以分别控制装置吸收的有功和无功，因此icd和icq分别代表了整流器吸收电流的有功分量和无功分量，与前文分析一致。

利用PWM整流器进行无功补偿，不能影响负载有功需求，即装置视在功率不能超出额定范围，因此需要根据式（10）进行条件判断，从而控制整流器工作方式。式中S、P、Q分别为UPS额定容量、实际输出有功和无功， k为小于1的安全余量系数， P、 Q可以根据式（8）计算。当条件满足时，整流器根据负载无功进行补偿，当条件不满足时，给定无功指令设置为0，整流器停止无功补偿。这样当UPS电源1+1或2N系统发生单机故障时，正常设备仍可以在不影响负载有功需求的前提下，最大限度补偿负载无功。

为方便研究PWM整流器的频率特性，将式（7）进行拉普拉斯变换，可得装置在复频域下的数学模型为

可以看出在dq坐标系下PWM整流器输出的有功电流和无功电流通过滤波电感耦合，同时电网电压扰动也会影响装置的输出电流，采用电流解耦及电压前馈控制，控制原理框图如图4所示，Gid(s)、Giq(s)分别为有功和无功电流控制器。

可以合理的将调制及坐标变换过程看作单位比例环节，则电流解耦及电压前馈后，有功电流Icd和无功电流Icq相互独立，不存在任何耦合联系，因此在保证整流器有功不变的前提下，不需要改变整流器拓扑结构或增加硬件成本，直接叠加无功控制指令就可以实现PWM整流器的无功就地补偿。

3.3 仿真验证

图4 PWM整流器控制原理框图

利用Matlab/Simulink仿真软件搭建高频UPS仿真平台，验证PWM整流器无功补偿方法的可行性，仿真系统结构如图3所示，UPS额定功率300 kVA。仿真开始时后UPS只给通信负载供电，0.2 s时给PWM整流器加入无功补偿控制指令，分别观测负载、高频UPS交流侧和电网功率波形，包括有功P、无功Q和视在功率S。仿真波形和结果分析分别如图5和表1所示。

可见：在0.2 s前，UPS交流侧吸收有功125 kW、无功0 kVAR、视在功率125 kVA；普通负载有功175 kW、无功250 kVAR、视在功率305 kVA；电网输出有功300 kW、无功250 kVAR、视在功率为390 kVA。可见，电网除提供普通负载有功和通信负载的有功外，还要提供普通负载无功，网侧功率因数仅为P/S=0.77，负载无功占用了配电电缆走廊，降低配电能力；在PWM整流器加入无功补偿功能后，负载功率不变，UPS除吸收125 kW有功外，还输出250 kVAR的感性无功，用来补偿负载无功，补偿后，电网只提供有功，因此视在功率和有功功率相等，网侧功率因数达到1。而UPS在进行无功补偿前后，有功功率吸收不受影响，补偿无功后，视在功率达到280 kVA，UPS电源系统利用率从41.7%提升到了93%。

图5 仿真波形

表1 仿真结果

4 结论

本文提出UPS电源PWM整流器无功就地补偿方案只需要增加普通负载检测传感器，并增加软件控制算法，改造成本低。仿真结果证明，本文提出的PWM整流器无功补偿方法在不影响UPS有功功率的前提下，实现负载侧的无功就地补偿，提高配电效率和UPS利用率。由于利用UPS空余容量进行无功就地补偿，根据UPS不同的备用方案，可以不同程度的减少高低压配电室的无功补偿电容容量，节省投资成本和占地面积。