基于Delta逆变技术的UPS应用

田建平

摘？要：本文主要阐述了基于Delta逆变技术的UPS的工作原理，重点分析其所采用的Delta变换器的工作过程，搭建了整个系统的测试环境，根据搭建平台进行了相关实验。实验的结果基本验证了Delta变换型UPS对市电电压、电流的调节和补偿功能。

关键词：Delta逆变技术；电流控制；电压控制

随着电力电子技术的发展，出现一种全新的UPS（不间断电源）拓扑——Delta变换型UPS。这种UPS由两个变换器构成，既保留了传统在线式UPS的全部在线功能和高质量输出电压，又使得很多关键性能指标得到改善，它不仅消除了对电网的污染，更重要的是输出能力高、可靠性强，可以说是目前比较理想的UPS系统[1]。

基于Delta逆变技术的典型产品是APC公司的Silcon系列UPS，Delta逆变技术保持了传统双变换在线式UPS的全部高性能输出指标的同时，对电网适应能力和输出能力两个方面有了重大改进和突破，真正实现了零转换时间和高输入功率因数，大大降低了对电网的污染程度[2]。电路结构采用串并联的高频双向变换技术[3]。虽然传统在线式的技术已经非常成熟，但由于本身带有许多无法突破的问题，发展受限[4]。高频化概念的引入，给UPS的发展带来了许多新的思路和空间，随着高频技术和器件的发展，3 kVA（千伏安）及以下的高频率在线式UPS的技术和产品己经成熟，其功能和可靠性均高于传统UPS，高频率对于减小体积、降低成本，以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用[5]。

虽然Delta变换式UPS具有输入频率不可变，抑制浪涌的性能比较差等缺点，但是和双变换式UPS相比，还是体现了自身的一些特色：Delta变换器相当于一个DVR（串联型动态电压调节器），不但可以补偿市电和负载的电压差值，还可以对市电电压的谐波、闪变、三相不对称等进行补偿，甚至还能对功率因数进行校正。APC公司Silcon系列UPS采用Delta变换器，具有料耗省，效率高等优点，其在性价比上极具优势。

1 UPS工作原理

在分析该UPS的工作原理之前，必须先了解一种带串联电压补偿器的在线互动式UPS，其主电路结构如图1所示。

变压器T1从变压器T2上取电压，经过隔离后补偿Vin，通过触点S的移动来调节补偿电压的大小和正负，从而稳定Vout。该UPS主要对Vin的过压和欠压进行补偿，由于电流处于不可控状态，所以此UPS没有谐波的抑制能力，没有很好的过载保护功能，当然也无法对功率因数进行校正，加上Vout的调整是依靠机械触点来完成的，所以输出电压的精度也很差。为了解决以上问题，采用电流可控的Delta变换器，成功地克服了上述缺点，并利用了这种在线式UPS效率高，成本低的优点，其主电路结构如图2所示。

为了方便控制，不需要把Vout和Vin的差值作为主要的控制对象，而是用主逆变器直接产生输出电压Vout，Delta变换器被动补偿Vout和Vin的差值，控制输入电流，起抑制谐波和校正功率因数的作用。为对付不对称的负载，采用三相独立控制的策略。

1.1 UPS的系统组成

从主电路可知，UPS由主路和旁路两个静态开关、共用直流母线的Delta逆变器和主逆变器、串联的Delta变压器组成。主路上的静态开关STS1控制开机时的电容充电、输入掉电时的保护、主路和旁路的切换，以及转电池的工作过程。两个逆变器的作用如下所述。

主逆变器的作用：

①在Vin频率和电压允许波动的范围内，提供相位和频率与Vin相同的输出电压Vout；

②作为一个电压源，具有很小的内阻抗，在Delta变换器的作用下，可以被动地补偿谐波电流；

③在Vin < Vout和Vin = Vout情况下提供给电池充电的电流；

④在过载情况下提供部分负载电流，实现联合供电模式；

⑤在电池工作模式下，提供输出电压和电流。

Delta逆變器的作用：

①控制输入电流，实现电池充电、输出负载电流和主逆变器补偿电流之间的平衡；

②控制输入功率因数为1；

③作为一个电流源，具有很大的阻抗，主逆变器稳压的作用下，可以被动地补偿谐波电压和输入波动造成的电压差；

④输入过压时，通过Delta变换器给电池充电，如果电池是满的，则多余的能量通过主逆变器供给负载；

⑤输入欠压时，加大逆变器的输出电流，让主逆变器从回路中吸收多余的能量供给电池，并传递给delta变换器。

1.2 实现输入电压补偿、功率因数校正和谐波抑制的Delta变换器

我们先看一下一般变压器的工作过程，如图3所示。

如果变压器二次侧Load1为纯电阻负载，则Vin和I1、I2同相位，Vin的输出功率因数为1，能量从Vin向Load1传递；如果变压器二次侧为Power，一次侧为电阻负载Load2，则I2和I1一样同相位，能量从Power向Load2传递，Power的输出功率因数仍然为1。

上述变压器的两种工况对应于Delta变换器工作时的Vin>Vout和Vin

很明显，I2和I1的比例就是变压器的变比，由于Delta变压器在主电路中只承担最大15%的额定电压（取Vout），所以选二次侧为升压的设计，这样可以取较小的I2，选择电流较小的功率模块节约成本。UPS的Delta变压器变比为1：5，逆变器的功率模块是MG15Q6ES42（15 A/1200 V）。从Vout为交流220 V可以推算出Delta变压器的参数：一次侧额定电压33 V，二次侧额定电压165 V，容量为500 VA，铁心材料为硅钢片。

谐波的抑制：对一个变压器而言，要使其输入消耗的电流最小，只有一种办法：空载。所以在Vin存在谐波含量的时候，Delta逆变器仍然只输出基波电流，由于谐波电压没有谐波电流的消耗，Delta变压器一次侧的谐波电压相当于遇到空载励磁阻抗，谐波电流很小。

1.3 工作过程（能量流分析）

开机过程由以下几步完成。

①静态开关STS1的软启动：逐渐增大其导通角，主路通过Delta变压器T的一次侧和主逆变器的输出滤波电感L，以及主逆变器中的续流二极管对电容器C进行充电，直到STS1完全开通，电容器电压升至±311 V，这个过程Delta逆变器和主逆变器均未工作。

②主逆变器的高频整流继续给电容器充电：这个过程是为了满足64节蓄电池所需的±360 V的电压要求。

③电容器电压升到±360 V时，系统通知电池开关合闸，开始进入一分钟的等待，这时主逆变器继续整流充电，充电结束时的直流母线电压与Vin有关，最大不超过设定的438 V。

④一分钟的等待结束后，系统显示system off，提示机器可以启动，这时STS1关断，如果不按下启动按钮，则电容器上的电荷会通过并联的电阻逐渐消耗，最终出现Low DC Shutdown。（为什么要这么做）

⑤启动：按下启动按钮，电池开始建立Vout（在Vout建立之前，STS1和Delta逆变器仍然是关断的）。Vout建立起来后，STS1和Delta逆变器开启，结束开机。

在无电池情况下，下列工况会造成开机失败。

①Vin < 200 V。这是因为在Vin < Vout条件下开机时，Delta变换器需要从二次侧向一次侧传输能量，这个能量只能由电容器提供，而这时电容器已经给主逆变器提供能量，造成电容器电压严重下降，出现Low DC Warning和Low DC Shutdown关机。

②加了负载。在STS1和delta逆变器开启之前，电容器的能量无法稳定住Vout，致使直流母线严重下降，出现Low DC Warning和Low DC Shutdown关机。

从前面的分析可知Delta变压器具有能量在两侧双向流动的功能，I2永远与Vin同相位，如图5所示。Delta变换器的运行分四种工况。

Vin > Vout：能量从Delta变压器一次侧向二次侧传输，Delta逆变器相当于一个纯电阻负載，这个负载消耗的能量是给电池充电或者给主逆变器输出，能量流如图6所示。

Vin < Vout：能量从Delta变压器二次侧向一次侧传输，Delta逆变器相当于一个发电机，提供最大15%的补偿能量，由于Iin、Vin与Vout严格同相位，所以此发电机相当于带一个电阻负载，Delta逆变器的输出电流也必然是正弦基波，能量流如图7所示。

从图6和图7可以看出，Delta变换器是用15%的能量控制100%的能量流动。

Vin = Vout ：Delta变压器两侧电压为零，电流是基波，有效值由负载电流和电池充电电流决定，Delta变压器两侧呈现很低的漏阻抗，能量流如图8所示。

Vin中存在谐波的情况：I2中无谐波电流通过，具体的细节还未测试。

图9～图11列出Vout = 220 V，f = 54 Hz，60%对称阻性负载，Vin从大到小变化时，Delta变换器的电流电压波形。

其中CH1、CH2为Delta变压器一次侧电流Iin、二次侧电流I2波形，CH4为Delta变压器一次侧电压Vin-Vout。

从图11可以看出，Iin、I2随Vin的增大而减小，因Iin还控制着输出电流和电池充电的平衡，所以Delta逆变器的输出电流I2的受控量为：Vin-Vout、Iout和电池电压Vdc。

2 结论

在UPS工作中，Delta逆变器都必须提供与Iin相对应的基波电流I2，否则在主逆变器的作用下，Delta变压器表现不了所需要的电流源性质，而使能量流发生变化。如果通过I2控制的Iin有效值小于Iout有效值，必使得主逆变器输出电流加大，这种工况适合于Vin > Vout，或者过载时电池和Vin联合供电的方式；如果I2控制的Iin有效值大于Vout有效值，则必有Vin < Vout，或者Vin = Vout时电池充电。由于Delta变压器一次侧的额定电压是33 V，所以在Vin出现短路的情况下，STS1必须尽快关断，才能稳定Vout。

参考文献：

[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] 刘凤君.Delta 逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3] 刘胜利，严仰光.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.

[4] 李勋，戴珂，杨荫福等.双变流器串-并联补偿式UPS控制策略研究[J].中国电机工程学报，2003，23（10）：104-108.

[5] 刘凤君，Delta逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京：机械工业出版社，2003：37-40.