1  引言
    现代工业的发展对电能质量的要求越来越高，如何为电力用户提供安全可靠的“绿色”电源是目前电源研究领域的热点。UPS作为一种不间断供电电源，是关键设备得以正常运行的保证。为适应发展的要求，近年来也在不断地进行完善和改进。先后出现了后备式、在线式、三端口在线互动式及双变流器串-并联补偿式等几种结构类型的UPS。其中由Kamran^[1]和Silva^[2]提出的双变流器串－并联补偿式UPS^[1~4]，既可以补偿非线性负载中的无功电流及谐波电流，同时还可以补偿电源电压的谐波及基波偏差，较传统双变换在线式UPS而言，输入功率因数高，输出能力强，具有综合的电能质量调节能力，是一种值得推广应用的新型UPS。目前国外UPS厂家只有某公司拥有此项专利技术，在市场上已经推出Silcon DP300E系列大功率UPS，国内则刚刚处在研究的初始阶段^[5]，还有许多研究工作需要进行。
    本文介绍了双变流器串-并联补偿式UPS的工作原理，指出了其区别于传统双变换在线式UPS的优点所在，提出了一种基于同步旋转坐标系^[6]下的控制策略，并通过仿真分析了其系统工作特性，结果表明所提控制策略的正确性，实现了双变流器串－并联补偿式UPS的全部控制功能。
2  双变流器串-并联补偿式UPS工作原理
    图1示出双变流器串-并联补偿式UPS的工作原理图。图中变流器Ⅰ和Ⅱ都是双向AC→←DCSPWM变流器，其直流侧接蓄电池E_b（其内阻等效为理想的恒定电阻R_b）和电容C。变流器Ⅰ经电感L₁和变压器T输出电压Dv串接在电源电压v_s和负载电压v_L之间，称之为串联补偿变流器。其输出的补偿电压由两部分组成：△v=△v₁+△v_h，△v_h为谐波补偿电压，它与交流电源中的谐波电压△v_sh大小相等，但方向相反；△v₁为基波电压补偿量，补偿电源电压基波△s₁与负载电压额定值v_R的偏差。所以变流器Ⅰ提供的补偿电压△v既抵消v_s中的谐波v_sh，又补偿基波电压v_s，使负载电压v_sh成为与电源基波电压V_s1同相的正弦波额定电压v_R。
    变流器Ⅱ经L_2、C₂滤波后并接在负载两端，称之为并联补偿变流器。若负载为非线性负载，则负载电流i_L由基波有功电流i_LP、基波无功电流i_LP和谐波电流i_Lh3部分组成。对变流器Ⅱ进行实时控制，可使它输出至负载的电压为正弦波额定电压v_R，并向负载输出电流i₃=i_LQ+i_Lh+(i_Lp-i_s)。其中i_LQ、i_Lh补偿负载无功和谐波电流，使电源仅向负载输出基波有功电流i_s，而负载的有功电流i_LP则由交流电源(i_s)和变流器Ⅱ(i_2d)共同提供。

    由上述分析可知，在非线性负载、电源电压高于或低于额定值v_R且含有谐波电压时，这种UPS通过串、并联补偿变流器的共同作用，可使负载电压u_L补偿到与电源电压同相的额定正弦电压u_R，避免了网侧谐波电压对负载的影响；同时电源仅输入基波有功电流i_s，功率因数近乎为1，克服了传统双变换在线式UPS因输入整流部分所带来的输入功率因数较低的缺点。通常电源基波电压偏离额定值小于±15%，因此变流器Ⅰ仅补偿Du≤±15%的额定电压，其容量仅为系统容量的20%左右。正常时市电与双变流器共同对负载供电，两变流器的最大功率强度只有负载功率的20%，相对始终在100%负载功率下工作的传统双变换在线式UPS而言，不仅整机效率高，功率器件损耗小，寿命长，可靠性高，而且有足够的功率裕量去应付特殊的负载（冲击负载、瞬间过载等），因此输出能力得到很大的增强，相同容量的造价也降低了。一旦市电停电，变流器Ⅱ从蓄电池获取电能继续不间断的对负载供电；当电网正常后，重新恢复市电与双变流器共同对负载供电，在正确的控制策略作用下，可以实现输出电压无间隙、无突变。
3  双变流器串-并联补偿式UPS控制策略
3.1  串联变流器受控为基波正弦电流源
    在图1所示UPS中，采用双变流器串-并联补偿后应实现：市电输入电流i_s是与v_s1同相的正弦有功电流，电源供电的功率因数为1；同时使得负载电压v_L为基波正弦电压，且v_L=v_R（额定值）并与v_s1同相。
    串联变流器Ⅰ作为基波正弦电流源运行，向交流电网注入电压△v=△v₁+△v_k，△v_k与电源谐波电压v_sk大小相等、方向相反，△v₁=△vs₁-v_R。同时串联变流器向电网串联注入基波正弦电流i_s，i_s与v_s1同相，使交流电源电流中无谐波电流，无功电流，供电功率因数为1，其控制框图如图2所示。


的电流控制指令，经dq/ABC变换后获得三相指令电流再经滞环电流比较后获得串联变流器的PWM开关控制信号，使电源电流i_s跟踪I_S^*，则可实现作为正弦电流源的串联变流器对电源电流的控制功能和对电源谐波电压的补偿（隔离）功能。由于系统在运行期间始终并接蓄电池工作，维持了直流端电压的基本恒定，且忽略电池充电功率和系统中电感、电容、开关器件的功率损耗，因此在此控制框图中没有添加直流端电压控制环节。

3.2  并联变流器受控为基波正弦电压源
   并联变流器Ⅱ作为基波正弦电压源运行，输出与v_s1同相的额定值正弦波电压v_R，同时经L₂、C₂后输出补偿电流为

    则由图1可得到三相静止ABC系统电流平衡方程为


节器输出、补偿电流前馈及电容电流交叉解耦电流之和，经电流滞环控制作用，使并联变流器输出电流i₂包含负载所需要的无功电流i_2q和谐波电流i_2h及恰如其分的有功电流i_2d。

     根据以上控制策略，由于串联变流器受控为基波正弦电流源，电源电流i_s为与电源基波电压同相的正弦有功电流，从而使得非线性负载中的无功和谐波电流经并联变流器得到补偿。同时并联变流器受控为基波正弦电压源，使负载输入电压v_L为与电源基波电压v_s1同相的正弦波额定电压v_R，从而使得电源电压中的谐波与基波偏差经串联变流器得到补偿（或隔离）。
4  系统特性仿真结果
    基于上述控制策略，在MATLAB SIMUlink环境下建立了系统的连续域仿真模型， 并对其工作特性进行了仿真。图1中交流电源电压v_s的基波v_s1在其额定值v_R（线电压380V/相电压220V）的±15%范围变化。v_s中的5次谐波电压v₅、7次谐波电压v₇各为基波电压值的5％。负载为三相相控桥整流装置，R=19.7W，L=50mH，相控角a=30o，直流负载功率10kW。直流端接蓄电池E_b=600V，其内阻R_b=0.1W，直流电容C=4700mf。串联变压器变比N=4，滤波电感L₁=1mH， L₂=0.5mH，滤波电容C₂=150mf。
    采用图2、3所示控制系统和控制策略，图4、5分别示出在电源基波电压v_S1=1.15v_R和v_s1=0.85v_R两种工况下，电源电压v_s、A相负载电流i_LA、A相串联变流器电网侧补偿电压△v_A(v_CA/N )、A相并联变流器补偿电流i_3A、负载电压v_L、电源电流i_s及直流电压V_dc的示波图。图6则给出了上述两种工况下，电网掉电和电网恢复供电切换动作时的A相输出电压及输入电流动态变化波形。

5  结论
    图4、5、6示出的仿真结果表明：所提出的控制策略可以较好地实现双变流器串-并联补偿式UPS的全部功能。在电源电压非额定值、有谐波电压，负载非线性、有大量无功电流的情况下，这种UPS的交流电源输入电流i_s为正弦波，且cosf =1，负载电压v_L为额定值正弦波，且v_L与电源基波电压v_s1、电源电流i_s同相。当电网掉电或恢复电网供电时，输出电压无间隙、无突变。区别于传统的双变换在线式UPS，由于双变流器串－并联补偿式UPS具有输入功率因数高、输出能力强的突出优点，因此是一种值得推广应用的新型UPS。