【正文】 件，既有單極性電壓驅(qū)動的22 MOSFET 得優(yōu)點，又有雙極性器件 BJT 耐高壓、電流大的優(yōu)點。功率 MOSFET 晶體管多用于電壓為 500V 以下的低功率高頻率能量變換裝置。一般來說， MOSFET 驅(qū)動電路比 BJT 簡單。如圖 25 圖 25 SCR外形圖 MOSFET 功率 MOSFET 是一種全控型三端器件。由于工作頻率低，關(guān)斷電路復(fù)雜，效率低，功耗大，因此在 PWM 調(diào)制中產(chǎn)生的正弦波還不夠完善，而且噪音較大。其功率最大，使用最廣泛，在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域中占有很重要的地位。 21 在 PWM 波形中，要改變等效輸出正弦波的幅值只要按同一 比例改變各脈沖的寬度即可。對于正弦負半周，可用同樣的方法得到相應(yīng)的 PWM 波形。從中可看出 PWM 各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。如果此脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，并且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積即沖量相等，就得到了如圖 24b 所示的脈沖序列。 (a） (b) 圖 24 PWM控制的基本原理示意圖 如圖 24 所示，在圖 24a 中，將正弦半波分成 N 等份，把正弦半波看成由N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。這個結(jié)論是PWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。 下面詳述 PWM 逆變器的基本 原理。如今， PWM 控制技術(shù)己成為電力電子技術(shù)中一個非常重要的組成部分，它對提高電力電子裝置的性能，推動電力電子技術(shù)的發(fā)展起著巨大作用。同時，它還具有下列特點： (1)逆變輸出波形接近正弦波； (2)動態(tài)響應(yīng)快； (3)功率因數(shù)高。按照一定的規(guī)則，對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變輸出電壓的大小，又可改變輸出頻率。 采用 PWM 控制方式能夠較好地克服上述缺點。 相控是指控制觸發(fā)脈沖的相位，即脈沖觸發(fā)時刻來改變輸出電壓脈沖的寬度，從而得到調(diào)節(jié)逆變輸出電壓的作用。它一般采用 ?180 導(dǎo)電模式，即在一個周期內(nèi)每個臂導(dǎo)通 ?180 。對于有自關(guān)斷能力的器件來說，換相可通過自身來完成，稱為器件換相；否則要借助其他手段來實現(xiàn)換相，如電網(wǎng)換相、負載換相、電容換相。換相是逆變電路中一個十分重要的概念，因為實際電路中的電力電子開關(guān)器件并不是理想開關(guān)，它們的開通和關(guān)斷必須在一定的控制條件下進行。只要開關(guān)按照一定的規(guī)律斷開和閉合就能將直流電變?yōu)榻涣麟?。三相橋式?變電路原理電路如圖 31 所示。 在光伏 /風力互補系統(tǒng)選用逆變器時，首要的是確定逆變器如下幾個最主要的技術(shù)參數(shù)： 輸入直流電壓范圍，如 DC24V、 48V、 110V、 220V 等； 額定輸出電壓，如19 三相 380V，還是單相 220V； 輸出電壓波形，如正弦波、梯形波或方波。 （ 15）噪聲 不經(jīng)常操作、監(jiān)視和維護的逆變器，應(yīng)≤ 95db； 經(jīng)常操作 、監(jiān)視和維護的逆變器，應(yīng)≤ 80db。 （ 14）干擾與抗干擾 逆變器應(yīng)在規(guī)定的正常工作條件下，能承受一般環(huán)境下的電磁干擾。 （ 12）起動特性 在正常工作條件下，逆變器在滿載負載和空載運行條件下，應(yīng)能連續(xù) 5 次正常起動。 （ 10）負載的非對稱性 在 10%的非對稱負載下，固定頻率的三相逆變器輸出電壓的非對稱性應(yīng)≤10%。 （ 8）效率 在額定輸出電壓、輸出、電流和規(guī)定的負載功率因數(shù)下，逆變器輸出有功功率與輸入有功功率 (或直流功率 )之比。 （ 7）過載能力 在規(guī)定的條件下，在較短時間內(nèi)，逆變器輸出超過額定電流值的能力。 2%。 （ 4）額定輸出電流 在規(guī)定的輸出頻率和負載功率因數(shù)下，逆變器應(yīng)輸出的額定電流值。 5%，三相 380177。 （ 3）額定輸出電壓 在規(guī)定的輸入電源條件下，輸出額定電流時，逆變器應(yīng)輸出的額定電壓值。 （ 2）直流輸入電源條件 輸入直流電壓波動范圍：蓄電池組額定電壓值的177。 、逆變電路主要性能參數(shù) 描述逆變器性能的參量和技術(shù)條件很多，這里僅就評價逆變器時常用的技術(shù)參數(shù)做一扼要說明。 UPS 不間斷電源的負載就是那些對電源的電壓和頻率的穩(wěn)定性、波形畸變等有著嚴格的要求，且絕不允許瞬時停電的特殊負載。 UPS 不間斷電源的交流輸出側(cè)直接和負載相連，其中的逆變電路屬于無源逆變。因此，逆變器的設(shè)計在整個 UPS 設(shè)計中顯得尤為重要。 綜上所述，不間斷供電的原理實質(zhì)就是從電源裝置的組成結(jié)構(gòu)上考慮如何實現(xiàn)負載的不間斷供電 :采用冗余結(jié)構(gòu)或者其他可靠性設(shè)計方案。 (4)電源裝置根據(jù)實際情況需要定期檢修，這時必須斷開逆變器和靜態(tài)旁路，但仍然要保證負載供電的不間斷，這時可采用增加維修旁路電源的方案。當交流輸入恢復(fù)正?；蛘吣孀兤鞴收吓懦ㄟ^靜態(tài)旁路電源向負載供電；或者通過逆變器向負載供電。一旦逆變器故障排除，即可恢復(fù)運行。 解決的辦法有兩個：一是提供逆變器的備用單元；二是提供靜態(tài)旁路輔助電源。當市電恢復(fù)正常或者整流器故障排除后，恢復(fù)整流器供電，這樣負載得到連續(xù)供電，不會產(chǎn)生間斷供電的現(xiàn)象。 開關(guān)電源由最初的低頻開 關(guān)電源發(fā)展到高頻開關(guān)電源，其開關(guān)頻率越來越高，控制技術(shù)也越來越完善，在蓄電池充電裝置的設(shè)計中，正是由于開關(guān)電源的性能越來越完善，已逐步成為充電功率主電路設(shè)計的首選。七十年代，出現(xiàn)了使用高頻變換技術(shù)的整流器，它使交流電不經(jīng)過工頻變換器，而是直接整流再逆變?yōu)楦哳l交流，再整流濾波變?yōu)樗璧闹绷?。由于調(diào)整管16 上的損耗功率較大，所以需要采用大功率調(diào)整管并需要裝配體積很大的散熱器。 (2)線性電源是另一種常見的電源，它是通過串聯(lián)調(diào)整管，可以連續(xù)控制的電源。而且該類電源動態(tài)響應(yīng)差、可靠性低。 (1)相控電源是比較傳統(tǒng)的電源，它將市電直接經(jīng)過整流濾波后輸出直流，通過改變可控硅整流器的導(dǎo)通相位角，來控制電源的輸出電壓。蓄電池充電本質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)換的過程，蓄電池充電裝置實際上是一個充電電源，該充電電源通過一定的控制算法使得輸出電壓和輸出電流與蓄電池充電曲線相吻合。 (2)逆變器是 UPS 輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電的核心組成，也是整個 UPS 核心，采用冗余備用單元也是為了保證負載供電的不間斷； (3)旁路輔助電源是為維修、檢修 UPS，或者逆變器故障的情況下實現(xiàn)不間斷供電的輔助電源。 系統(tǒng)工作原 理 UPS 不間斷電源設(shè)計的基本原理是將輸入的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。實施在線維護管理可避免傳統(tǒng)方式的不足之 處，獲得良好效益。 15 UPS 和 直流電源 是企業(yè)重要的供電保障設(shè)備，傳統(tǒng)的維護管理包括：①日常巡檢外觀，定期更換電池、濾波電容、風機等易損件，大修時做電池活化等；②改造或采用換代設(shè)備，使用高級工具測試電池性能。直流電源，是維持電 路中形成穩(wěn)恒電流的裝置。 在市電質(zhì)量較差時，通過整流濾波電路，提高改善市電質(zhì)量，保證負載輸入穩(wěn)定，或者在市電不穩(wěn)定時 ，切換 UPS 系統(tǒng)回路，使用備用回路或放電回路，用電池儲備電能在一定時間內(nèi)替代市電輸出，輸出穩(wěn)定的正弦電，保證生產(chǎn)工作一定時間內(nèi)正常進行，減少因電網(wǎng)崩潰帶來的損失。另外 ,頻率下降 ,將引起電鐘不準 ,電氣測量儀器誤差增大 ,安全自動裝置及繼電保護誤動作等。其中影響最 大的是高壓給水泵和磨煤機 ,由于出力的下降 ,使電網(wǎng)有功電源更加缺乏 ,致使頻率進一步下降 ,造成惡性循環(huán)。 (4)對廠用電安全運行的影響。 (3)使發(fā)電機機端電壓下降。當?shù)皖l率運行時 ,末級葉片可能發(fā)生共振或接近于共振 ,從而使葉片振動應(yīng)力大大增加 ,如時間過長 ,葉片可能損傷甚至斷裂。在運行中 ,汽輪機葉片由于受不均勻汽流沖擊而發(fā)生振動。影響電子設(shè)備工作精度 ,使精密機械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低 。 (5)諧波將使得繼電保護和自動裝置出現(xiàn)誤動作 ,并使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差 。 (3)諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振 .工頻下 ,系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多 ,不會產(chǎn) 生諧振 ,但諧波頻率時 ,感抗值成倍增加而容抗值成倍減少 ,這就有可能出現(xiàn)諧振 ,諧振將放大諧波電流 ,導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀 。 (2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作 .對如發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機械振動和噪聲 。 無論哪一種變頻器 ,都大量使用了晶閘管等 非線性電力電子元件 ,不管采用哪種整流方式 ,變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波 ,而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流 ,這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上 ,使電壓發(fā)生畸變 ,經(jīng)過傅里葉級數(shù)分析可知 ,這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成 . 諧波的危害 一般來講 ,變頻器對容量相對較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯 ,而對容量小的系統(tǒng) ,諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視 ,它對公用電網(wǎng)是一種污染 .諧波污染對電力系統(tǒng)的危害是嚴重的 ,主要表現(xiàn)在 : (1)諧波對供電線路產(chǎn) 生了附加損耗 .由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng) ,使線路電阻隨頻率增加而提高 ,造成電能的浪費 。 3）電源裝置發(fā)生故障而中斷供電 電網(wǎng)諧波危害 諧波的產(chǎn)生 諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致 .當電流流經(jīng)負載時 ,與所加的電壓不呈線性關(guān)系 ,就形成非正弦電流 ,從而產(chǎn)生諧波 .諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù) ,根據(jù)法國數(shù)學家傅立葉分析原理證明 ,任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量 .諧波是正弦波 ,每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角 .諧波可以區(qū)分為偶次諧波與奇次諧波 ,第 7 次編號的為奇次諧波 ,而 8 等為偶次諧波 ,如基波為 50Hz 時 ,2 次諧波為100Hz,3 次諧波則是 ,奇次諧波引起的危害比偶 次諧波更多更大 .在平衡的三相系統(tǒng)中 ,由于對稱關(guān)系 ,偶次諧波已經(jīng)被消除了 ,只有奇次諧波存在 .對于三相整流負載 ,出現(xiàn)的諧波電流是 6n 次諧波 ,例如 1 1 1 19 等 ,變頻器主要產(chǎn)生 7 次諧波 . 從結(jié)構(gòu)上來看 ,變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分 .間接變頻器將工頻電流通過整流器變成直流 ,然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流 .而直接變頻器是將工頻電流直接變換成可控頻率的交流 ,沒有中間的直流環(huán)節(jié) .它的每相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆電路 .正反兩組按一定周期相互13 切換 ,在負荷上就獲得了交變輸出 的電壓 U0,U0 的幅值決定于各整流裝置的控制角 ,頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率 .目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器 . 間接變頻器有三種不同的結(jié)構(gòu)方式 : (1)用可控整流器變壓 ,用逆變器變頻 ,調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個環(huán)節(jié)上進行 ,兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合 ?？傞l、分閘等內(nèi)部設(shè)備故障，樓內(nèi)線斷線、空氣開關(guān)跳閘等都會造成停電。 供電線路突發(fā)性故障停電 電從發(fā)電廠經(jīng)過輸電 線路，變配電站一直到用戶家中的許多環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)出了故障，遭到外力破壞，或遇到不可抗拒的自然災(zāi)害，都會造成停電事故。 12 圖 21 UPS 簡化結(jié)構(gòu) 1）交流輸入電源突然發(fā)生停電。另一方面，因為我國國土幅員遼闊，供電半徑要比美洲國家大，出于降低能耗，減少農(nóng)村、山區(qū)用電成本的目的，我國采用的是比美洲發(fā)達國家更高的市電電壓制度。新中國成立后，統(tǒng)一了全國的電網(wǎng)電壓標準為 220V 50Hz。在不同地區(qū)， 110V 和 220V 市電都有使用的經(jīng)歷。 我國最早的電廠由英商旗昌洋行于 1882 年開辦的，最初為粵恒電燈公司，被 官商合股收購。 我國作為裝機容量和年發(fā)電量均居世界第二位的電力大國，由于國土遼闊、動力資源與用電中心相距遙遠、城鄉(xiāng)家用電器設(shè)備的大量普及，對用戶端電力電壓的穩(wěn)定性提出了更高的要求。 電網(wǎng)中斷及不穩(wěn)定情況 隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的蓬勃發(fā)展，社會對電力資源的需求日益增長，用戶對電力系統(tǒng)的要求也越來越高。 第 2章 系統(tǒng)背景知識及理論基礎(chǔ) UPS 系統(tǒng)應(yīng)世界科技發(fā)展局勢要求，特別是信息技術(shù)的高速發(fā)展，迫切需要保證電能質(zhì)量，在電能發(fā)生不穩(wěn)定或者中斷時，能及時保障用戶的利益。實踐證明，過 大和過頻地出現(xiàn)電源干擾，輕者會導(dǎo)致的傳輸速率下降，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)丟包率增大等隱性故障，從而導(dǎo)致設(shè)備被迫進入“降額使用”狀態(tài)，嚴11 重時會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。在此需說明的是 :電源干擾不僅來源于普通的市電電網(wǎng)，它還來源于設(shè)計不完善的 UPS 本身及用戶的設(shè)備本身。 (2)高抗干擾性 UPS 供電系統(tǒng)能使設(shè)備獲得高“可利用率”，并可為其創(chuàng)造優(yōu)良的運行環(huán)境。 允許在 UPS 逆變電源連續(xù)供電的條件下，執(zhí)行不停電的維護和檢修操作。 采用具有高度容錯功能的“ N+1”型 UPS 冗余并機系統(tǒng)來進一步提高 UPS 供電系統(tǒng)的可靠性 (“ 1+l”型冗余并機系統(tǒng)的典型 MTBF 值可達 140 萬～ 200 萬小時 )。這就意味著，在 UPS 供電系統(tǒng)的運行中，既不允許出現(xiàn)任何瞬間供電中斷 /停電事故，也不允許出現(xiàn)由普通的市電經(jīng)交流旁路直接向用戶負載供電的情況。 表 11 國內(nèi)外供電情況對比 配電網(wǎng)運行、管理 國內(nèi)現(xiàn)狀 國際先進水平 供電可靠率（ PS1）