广义软开关串并联补偿在线UPS

令K′=代入上式则得

u_ab1=2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt

由于市电电压u与逆变器Ⅱ的输出电压u_ab1通过它们各自的滤波电感L_F1和L_F2，在电路的A点并联后向负载供电如图1所示，故根据电工学中节点电压法可知

u_L=

u_L=/

如果取L_F1=L_F2，则负载电压u_L为

u_L==

将u=U_1msinωt＋U_nmsinnωt与

u_ab1=2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt

代入上式得

u_L=(2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt＋U_1msinωt＋U_nmsinnωt)=U_msinωt=u_r

此式说明，按着图1中逆变器Ⅱ的控制方法，即使市电电压中含有谐波，也可以使负载电压u_L，成为等于基准电压u_r的不变的稳定纯净正弦波电压。

5 对市电电压波动的补偿

由于负载电压u_L在逆变器Ⅱ的控制下保持u_L=u_r稳定不变，因而UPS的输入与输出端之间就会出现电压差，这个电压差反映的是有功功率之差，需要靠逆变器Ⅰ和Ⅱ的联合工作，并通过逆变器Ⅰ进行补偿。逆变器Ⅰ有两个反馈信号，一个是市电输入电流，另一个是蓄电池电压U_d的变化ΔU_d。由于ΔU_d是直流，故将其加到了控制电路的g上，g代表的是与市电电压同相位的市电输入有功电流。

市电电压波动的补偿过程，与逆变器Ⅰ和Ⅱ的工作状态如图1所示。

当市电电压u大于负载电压u_L时，由于u的升高使A点电压上升，逆变器Ⅱ的控制电路为保持u_L=u_r不变，使输出电压u_ab1下降，迫使逆变器Ⅱ工作在整流状态，给蓄电池充电，使u_d上升到U_dr＋ΔU_d>U_dr，＋ΔU_d使逆变器Ⅰ在T_r次级产生一个负补偿电压－u_c，方向与电流相反，以减少市电电压的升高，使u－u_c=u_L=u_r。变压器T_r次级阻抗Z产生的压降为zi与u方向相反，－u_c也与u方向相反，故u加到T_r次级的压降为Δu=zi＋u_c>u_c，使逆变器Ⅰ处于整流状态。对于逆变器Ⅱ，由于补偿后u_L=u_r(1＋1％)>u_r=u_ab1，故逆变器Ⅱ也处于整流状态，使蓄电池电压上升。当u_d上升到某一值，使u_ab1大于u_L时，逆变器Ⅱ由整流变换到逆变状态。此时，逆变器Ⅰ吸收功率，逆变器Ⅱ输出功率，当吸收功率等于输出功率时达到平衡，使蓄电池多存储了一些能量，U_d比补偿前稍高一些，以维持负补偿电压－u_c的存在。

当市电电压小于负载电压u_L时，A点电压下降，逆变器Ⅱ的控制电路为保持u_L=u_r不变而使u_ab1上升，使u_Lu_ab1，迫使逆变器Ⅱ处于逆变状态，电池电压下降，当降到U_dr－ΔU_d时，－ΔU_d使逆变器Ⅰ在T_r次级产生一个正补偿电压＋u_c，使u＋u_c=u_L=u_r。市电加到T_r次级上的电压Δu=u_c－izu_c，使逆变器Ⅰ工作在逆变状态。对于逆变器Ⅱ，补偿后u_L=u_r(1－1％)u_r=u_ab1，逆变器Ⅱ处于逆变状态，使蓄电池电压下降，当降到使u_ab1低于u_L时逆变器Ⅱ由逆变转换到整流状态。逆变器Ⅰ输出功率，逆变器Ⅱ吸收功率，当输出与输入功率相等时达到功率平衡。蓄电池多输出了一些能量，故电池电压比补偿前低一些，以维持正补偿电压＋u_c的存在。

6 负载无功与谐波电流的供给

由图1可知，逆变器Ⅱ在A点与市电并联后共同向负载供电。由于市电输入电流只是有功电流，根据基尔霍夫节点电流为零的定律，在节点A负载所需的电流i_L=i_p＋i_q＋i_h，因而逆变器Ⅱ的输出电流为i_L－i=i_p＋i_q＋i_h－i_p=i_q＋i_h。

7 在线UPS所采用的广义软开关

上面以单相串并联补偿在线USP为例，介绍了它的组成，各部分功能，原理与控制方式。下面介绍在线UPS中逆变器Ⅰ和Ⅱ的广义软开关电路。

串并联补偿在线UPS中的逆变器Ⅰ和Ⅱ，实际普遍采用的电路是单相半桥、单相全桥、三相半桥和三相全桥电路。下面选用具有代表性的单相半桥、单相全桥或三相半桥电路为例进行介绍。

7.1 单相半桥逆变器的广义软开关电路

单相半桥逆变器的广义软开关电路如图2所示，其中图2(a)为电路图，图2(b)为开关波形图。在图2(a)中，S₁、S₂为主逆变开关，S₁的无损关断缓冲电路由二极管D_s1、D_s2、D_s3、缓冲电容C_s1、C_s2(C_s1=C_s2)和谐振电感L_s1组成。L_F为滤波电感，Z_为负载（阻性或感性），C_d1=C_d2为直流分压电容，U_d为直流电源电压，u_s为S₁两端的电压，i_s为流过S₁的电流。

(a) 电 路 图

（b) 开 关S₁的 开 关 波 形

图2 单 相 半 桥 逆 变 器 的 无 损 缓 冲 电 路

电路的原始状态为：S₁、S₂关断，C_s1、C_s2上电压uc_s1=u_cs2=0。当开关S₁开通后，C_d1上电压U_d/2通过S₁、L_F向负载供电，直流电源U_d通过开关S₁、谐振电感L_s1、二极管D_s2，沿着虚线所示路径，对缓冲电容C_s1、C_s2充电。其等效电路如图3(a)所示，其中u_cs1=u_cs2为缓冲电容C_s1、C_s2上的电压，u_L为L_s1上电压，R_L为L_s1中的电阻，i_L为流过L_s1的电流。在选定的电压和电流方向下，根据基尔霍夫定律（考虑C_s1=C_s2）可得

u_L＋u_RL＋u_cs1＋u_cs2=u_L＋u_RL＋2u_cs1=U_d

由于i_L==

u_RL=i_LR_L=R_L

u_L=L_s1=L_s1

则

L_s1＋R_L＋2u_cs1=U_d

由于R_L2，所以电路是谐振的。

对上式求解可得

2u_cs1=U_d－U_de^－δt((δ/ω)sinωt＋cosω t)

式中：δ=；ω=；ω₀=。

当ω t=π时，sinωt=0；cosωt=－1

则2u_cs1=U_d＋U_de^－δt

当R_L=0时，2u_cs1=2U_d，u_cs1=U_d。

充电过程中，u_cs1和i_L的波形如图3(c)所示。当ω t=π时，u_cs1=U_d，i_L=0。

当S₁关断时，由于C_s1、C_s2上电压u_cs1=u_cs2=U_d，开关S₁上电压u_s=U_d－u_cs1=0，所以S₁是零电压关断。S₁关断后，C_s1、C_s2上电压u_cs1=u_cs2=U_d通过滤波电感L_F、负载Z_L和直流分压电容C_dz，沿着图2(a)中点划线所示的路径放电，其等效电路如图3(b)所示。由基尔霍夫定律得

－u_cs1＋u_L＋u_R－U_d/2=0

设R为负载电阻，L_FZ为滤波与负载电感，由于i_z=－2C_s1；u_R=Ri_z=－2RC_s1

u_L=L_FZ=－2L_FZC_s1

代入上式得

2L_FZC_s1＋2RC_s1＋u_cs1－U_d/2=0

对于多数情况R2，所以电路是谐振的。

求解上式可得u_cs1－U_d/2=e^－δ′t(sinωt＋cosω t)

式中：δ′=；ω=；ω₀=。

当ω t=π时，sinωt=0；cosωt=－1

则u_cs1－U_d/2=－e^－δ′t

当R=0时，u_cs1－U_d/2=－U_d/2，u_cs1=0

放电过程中u_cs1和i_z的波形如图3(c)所示。

(a) 充 电 过 程 (b) 放 电 过 程