刘 晖,靳青松

（1.合肥联信电源有限公司,合肥 230088;2.中国交通建设股份有限公司,北京 100088）

引言

随着社会的发展，应急电源在城市的建筑中得到越来越广泛的应用，它对国民经济的保障、人们生活条件的改善产生越来越大的影响。EPS（emergency power supply）的优点是显著的：无噪声、无污染、易维护等优点。由于EPS是在城市供电出现故障时才应急工作，城市供电出现故障的时间与正常时间相比，毕竟较为短暂，提高应急电源的利用率，也为实施节约型社会提供保障。在供电条件不发达地区，用电高峰时市电欠压的情况频繁发生，有些设备在严重欠压时不能运行，在GB17945《消防应急灯具》标准中，市电低于187 V作为启动应急电源的界限，在应急状态时，应急电源电路系统将带100%的负载，城市供电中欠压和故障是应急供电重要的考虑方面。

本文将Delta逆变技术融入应急电源之中，不仅可以保障城市供电故障时的应急供电，而且在城市欠压供电时，实现市电的补偿，保障市电的正常输出，通过增加Delta逆变单元，一方面提高了应急电源的利用率，另一方面，可以改善市电供电的质量。该装置还起到夜间储能和白天调节峰荷的作用。这种装置可以对影响配电质量的一些问题——无功电流和电压谐波、电压波动和闪变等都有很好改善。

1 系统主要结构

补偿式应急电源是在串并联补偿式UPS技术基础上进行的优化改进，它是将原有的应急电源电路中增加了Delta逆变器，其电路原理图如图1。

图1 补偿式应急电源电路原理图

与串并联补偿式UPS[1]的主电路相比，它们的结构基本相同，串并联补偿式UPS系统有两个逆变器连接到公共的蓄电池上，其中补偿逆变器通常被称为Delta逆变器，另一个应急逆变器称为并联逆变器，补偿式应急电源电路不同之处在于增加K1转换开关与充电器，这是针对其控制原理的不同而设计的。

在串并联补偿式UPS中，两个逆变器都为四象限工作的PWM逆变器，四象限PWM逆变器可以工作于正向/逆变模式（第1，3象限）或反向/整流模式（第2，4象限）。在第一或第三象限，逆变器的电压和电流方向相同（同时为正或同时为负），此时逆变器输出功率，即为正向/逆变工作模式。在第二或第四象限，逆变器的电压和电流方向相反（电压为正电流为负或电压为负电流为正），因此从输出端吸收功率，即为反向/整流模式。

串并联补偿式UPS的优点在于[2]：（1）对输入、输出电压差进行补偿，使输出电压稳定在±1%精度内，改善供电质量。（2）串并联逆变器一起控制电池充电。（3）功率一般只有 UPS总功率的 15%～20%等优点，但是无论市电正常与否，串并联补偿式UPS的逆变单元一直在线工作，这样无疑存在着空载和轻载的损耗，对于电能质量要求不高的场合是一种浪费。

补偿式应急电源的控制原理是针对于供电欠压和故障这些主要问题而设计的：在市电正常时，补偿逆变器与应急逆变器不工作，负载的供电实际是市电供电；当市电欠压时，补偿逆变器将蓄电池的直流电能进行逆变，补偿市电电源，供负载使用，应急逆变器不工作；当市电故障时，补偿逆变器不工作，主电路通过转换开关将电路切换到应急逆变器供电。

补偿式应急电源的优点在于：（1）市电正常范围时，两个逆变器都不运行，没有逆变空载损耗。（2）当欠压时，补偿逆变器工作，功率一般只有 UPS总功率的 15%～20%。（3）供电故障时，能够保障城市供电故障时的应急供电。

2 系统总体方案

应急逆变原理为逆变原理，已经多有论述，本文重点为补偿逆变器的设计，补偿逆变器通常被称为Delta逆变器，Delta逆变器仅处理市电电压与输出电压的差值及相应的功率。当市电处于欠压状态时，Delta逆变器工作于正向/逆变模式，输出电流与输出电压同相，功率从逆变器流出，用于补偿欠压市电。

图2 补偿原理图

如果市电电压为小于额定电压15%，ui=Uimaxsin（314t+φ1），通过补偿逆变器的电压 Ue补偿，负载两端最终为:UR=311sin（314t+φ1）的稳定电压。 即：

其中实数、虚数部分如下：

通过上式可见， 只有当 ω3=ω2=ω1与，φ3=φ2=φ1时，才能实现基波电压的叠加，当ω2≠ω1或ω2≠ω1时，负载两端将形成新的谐波电压，由此可见，通过补偿逆变器实现市电电压基波补偿有两个重要条件：

（1）补偿逆变器的输出频率与市电一致。

（2）补偿逆变器的输出相位角与市电一致。

鉴于此分析，补偿逆变器的输出应是与市电输出频率一致、与市电同步的不同幅值的正弦波。

当补偿逆变器的输出频率和相位与市电输出一致时，补偿逆变器的电压输出可以简化为：

3 系统控制方法与策略

鉴于以上分析，为实现补偿逆变器与市电输出频率与相位的一致，实现应急电源的市电基波电压补偿功能，必须实现补偿逆变器输出与市电同频与同相。在硬件电路必须设计市电过零点采样电路，进行市电频率与相位的检测[3]。

当锁定市电频率与相位后，市电在电压210～185 V区间时，补偿逆变器开始工作。通过式（4）计算补偿电压，调整PWM波形，改变补偿逆变器的输出电压。为实现补偿逆变器具有好的输出特性，补偿逆变器的控制策略采用电压与电流双环控制，电压环补偿市电的欠压，电流环用于维持输入电流的恒定。控制框如图3所示：

图3 补偿逆变器控制框图

当市电低于185 V或停电时，控制系统停止补偿逆变器工作，应急逆变器启动工作，K1断开，K2闭合，向负载提供应急电源。应急逆变器的逆变控制原理不再叙述。

4 硬件电路设计

TMS320 LF2407是美国TI公司一种16位DSP，集高性能的DSP内核和微控制器外设功能于一体。它有以下资源：

两个事件管理器EVA和EVB，各自含有3个全比较单元，每个比较单元有两个可设置死区事件的PWM输出。

图4 TMS320 LF2407核心芯片的硬件结构框图

每个事件管理器有两个独立的定时器，每个事件管理器有三路独立的捕获单元。

共有16路通道 10位ADC电路，还有SCI，CAN总线等资源。

所以，设计时选用TMS320 LF2407作为控制的核心芯片，能够满足设计的需要。基于TMS320 LF2407作为控制的核心芯片的硬件结构框图如图4所示。

EVA的PWM1-PWM4由定时器1为时基，向应急逆变器提供PWM信号。EVB的PWM7-PWM10以定时器3为时基，向补偿逆变器提供PWM信号。CAP3用定时器4为时基。

在补偿逆变器控制中，同频与同相技术是利用数字锁相的技术实现的。首先将市电电压经过过零检测电路转换为方波信号，并送入DSP的捕获单元的CAP3入口，锁相过程是在捕捉中断程序中完成的。在每个过零方波上升沿的开始，进行市电频率计算和确定市电相位。

当市电在欠压210～185 V区间时，补偿逆变器开始工作，在一定周期完成经过双环反馈控制算法，控制实现市电的补偿。

5 试验结果

针对以上分析，本文对补偿式EPS电源系统进行了研究，并进行样机实验，系统参数如下：输入直流母线电压220 V；交流输入160～230 V可调电压；输出交流 220 V±2%/50 Hz；开关频率 10 kHz；输出滤波电感2 mH；滤波电容20 μF；输出功率 1 kW，串联变压器变比为240：60，并联变压器变比为120：240；负载为1 kW阻性负载；采用的控制芯片为TI公司的TMS320LF2407，其补偿逆变器的调试输出波形如图5。

图5 为补偿逆变器单独调试波形图。当市电经调压器输入时，补偿逆变器输出波形，其中A是交流市电调压至190 V，B是补偿逆变器输出。

图6 为补偿逆变器输出波形图，其中B为市电经调压器输入波形，A是经补偿后的有效值为220 V电压的波形图，其中CH1为探头10倍衰减，CH2为探头2倍衰减测得数据。

图5 补偿逆变器调试波形图

图6 补偿逆变器输出波形图

6 结论

具有补偿功能的EPS是在应急电源基础上，通过增加设置补偿逆变器，改进核心控制系统的控制方法，从而实现应急供电与补偿供电的统一，通过试验证明：具有补偿功能的EPS不仅能够满足电网停电时，对于应急供电的需要，而且当欠压时，通过补偿逆变器工作，输出功率一般只有逆变总功率的15%～20%，可以提高应急电源设备的使用效率，所以，对于具有补偿功能的EPS的研究，具有很好的经济效益和社会效益。

[1]孟丽婵.基于DSP的串并联补偿式UPS研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[2]李逸洋.DP300E系列UPS的性能特点.第十四届全国电源技术年会论文集，2002，269-275.

[3]段善旭，雄健，康勇等.一种UPS的数字化锁相及旁路检测和切换控制技术 [j].电工电能新技术，2004，（1）：7-10.