摘 要：對三相不間斷電源系統的各模塊電路拓撲、整機電路結構以及各種流行控制策略做了一個概括性評析，指出了不間斷電源設計和應用中存在的問題及當前研究的新熱點，最后對UPS的發展動向做出了預言
關鍵詞：三相不間斷電源；逆變器并聯；數字控制

O 引言

在今后相當長的一段時間內，我國市電電網供電不足，電壓波動大，干擾嚴重的局面仍將存在。而各行業、各領域的快速發展對供電質量提出了越來越高的要求，尤其是實時性很強的重要系統、重要部門和重要的用電設備對供電質量的要求和我國的電網實際狀況的矛盾日益尖銳。因此，不間斷電源(UPS)作為一種穩壓穩頻純凈化的綠色電源越來越成為人們關注的焦點。為了不斷提高UPS的性能，科研人員對UPS系統做了大量的研究，提出了很多的電路拓撲與控制策略。

1 UPS的電路拓撲

UPS的可靠運行離不開各模塊的協調工作，下面就UPS主要功能模塊電路拓撲進行簡要分析。

1．1 整流和功率因數校正電路

整流電路在應用中構成直流電源裝置，是公共電網與電力電子裝置的接口電路，其性能將影響公共電網的運行和用電質量。高性能的UPS要求有較高的輸入功率因數，并盡量減少輸入電流的諧波分量。傳統單相UPS多采用模擬方法，三相UPS多采用相控式整流電路和電壓型單管整流電路。

1．1．1 傳統三相相控式整流電路和電壓型單管整流電路

相控式整流電路采用半控式功率器件作為開關，存在著以下問題：

1)網側諧波電流的存在將降低設備網側功率因數，增加無功功率；
2)相控整流換流方式，導致換流期中電網電壓畸變，不僅使自身電路性能受到影響，而且對電網產生干擾，對同一接地點的網間其他設備帶來不良影響；
3)相控整流環節是一個時滯環節，無法實現輸出電壓的快速調節。

電壓型單管整流電路是三相不控整流橋加Boost電路的簡稱，它的缺點是：電流峰值大，不僅妨礙系統功率的提高，也增加了導通損耗和開關損耗；為了保持網側功率因數的提高，Boost電路必須有一定的升壓比，這對三相電路會導致直流輸出電壓過高。

1．1．2 電流型三相橋式整流電路

電流型三相橋式整流電路如圖1所示，其優點是反饋控制簡單，不需要在控制電路中加入電流反饋，只須調節各開關管的占空比就可以實現輸入電流正弦化；直流側的電壓較低。缺點是輸入電流正弦度不是很好，在輸入側必須加入并聯電容，實現移相。這種電路現在開始成為研究的熱點之一。這種電路適用于大功率整流電路且對功率因數要求不高的場合。

1．1．3 電壓型三相橋式整流電路

電壓型三相橋式整流電路如圖2所示，其特點是采用高頻PWM整流技術，器件處于高頻開關狀態，由于器件的開通和關斷狀態可以控制，所以整流器的電流波形是可控制的。這種電路的優點是可以得到與輸入電壓同相位的輸入電流，也就是輸入功率因數為1，輸入電流的諧波含量可以接近為零；能量可以雙向流動，正常時能量從交流側向直流側流動，直流輸出電壓高于給定值時，能量從直流側向交流側流動，具有較高的轉換效率。缺點是屬于Boost型整流電路，直流側電壓要求較高。這種電路也是近年來研究的一個熱點。

1．2 蓄電池組和充放電電路

蓄電池組是UPS的儲能單元，市電正常時它吸收來自市電的能量并以化學能的形式儲存起來，一旦市電中斷，它把儲存的化學能轉換為電能向逆變器供電，維持負載供電的連續性。在中小功率的UPS系統中，電池組的電壓通常比較低，因此，通常使用能量能夠雙向流動的充放電電路[4]。大功率系統中為了提高效率，簡化電路通常直接把電池組并接在直流母線上。

1．3 逆變電路

逆變器是UPS的核心，它把直流電能轉換成用戶所需的穩壓穩頻的交流電能。下面仍以三相逆變器為對象分析近年來逆變器的研究熱點。

1．3．1 三相半橋式逆變電路

在三相逆變電路中以三相半橋橋式電路應用最為普遍，這種電路的特點是采用全控型器件組成逆變器，存在著功率密度高，性能好，小型輕量化等優點。這種電路便于使用新的控制策略以提高逆變器的質量。但是，要實現帶100％的獨立負載是比較困難的。

1．3．2 H橋逆變器

對于超大容量的逆變器，由于功率等級的大幅度提高，對逆變器的結構提出了新的要求，H橋臂逆變器便是選擇之一。這種逆變器輸出變壓器采用多繞組接法，輸出變壓器的原邊采用3個獨立的繞組，逆變器輸出采用3個獨立的H橋。這樣控制方便，但是成本較高。

1．3．3 三相四橋臂變換技術

由于三相電路中，三橋臂逆變器本身存在著固有的缺陷，人們開始尋求新的電路結構，于是出現了三相四橋臂逆變器，如圖3所示。這種電路結構輸出為三相四線制，三相電壓可以獨立控制，控制方法靈活，但是這種拓撲的算法比較復雜，PWM矢量在三維空間中旋轉，必須采用數字控制方法才能實現空間PWM波形的生成，這種電路成為了近年來研究的熱點之一。

1.4 三相UPS整機電路

1.4．1 傳統三相UPS電路結構

傳統的三相UPS結構，輸入采用晶閘管整流，輸出采用逆變器，電池直接掛接于直流母線，整流器同時作為充電器。輸出采用變壓器隔離，可以實現輸入輸出完全隔離，確保電網的擾動不會對負載造成干擾。市電斷電時，電池通過逆變器輸出穩定的交流電；在逆變器出現故障時，通過旁路輸出電壓，保證了供電的可靠性。這種結構的主要缺點是體積和重量都比較大。

1．4．2高頻鏈式三相UPS

為了降低成本，減小UPS的體積和重量，出現了高頻鏈式三相UPS，如圖4所示。這種電路省去了龐大的工頻變壓器，輸入采用高頻整流，可以獲得較高的輸入功率因數和較低的輸入諧波電流。其缺點是輸入輸出沒有變壓器隔離，電網的擾動可能會給UPS的輸出造成擾動；輸出三相電壓靠電池和電容中點形成中線，所以在控制中必須保持正負直流電壓幅值的相等，否則輸出中線會有較大的直流成分，對負載和負載中的變壓器不利；輸入采用三相四線制，中線有電流流過，可能會造成中線電位偏移，對負載造成干擾；輸入輸出不隔離，并聯時的環流問題較難解決。