楊昆，李菡

(1 河北省標準化研究院，石家莊 050000； 2 中移在線服務有限公司河北分公司，石家莊 050000)

1 背景情況

電源系統作為保證通信網絡正常運行的關鍵設備，被譽為通信網絡的“心臟”。近年來，隨著信息消費、寬帶戰(zhàn)略、4G等產業(yè)政策的全面落實，通信行業(yè)飛速發(fā)展，通信基礎建設規(guī)模日益龐大，通信設備單機耗電量大幅增加，目前通信機房（包括各類IDC機房）的用電量占我國建筑能耗15%～20%，并且機房投資規(guī)模每年保持在25%的增長，機房耗電所占比例逐年升高，這對通信電源的供電容量、電能質量和可靠性提出了更高要求。

由于通信行業(yè)各機房和數據中心耗電量大，為提高供電容量，并方便運營單位管理維護，通信電源供配電系統通常采用圖1所示的集中供電方式，在通信建筑群中集中設計高低壓變配電室，將10 kV或35 kV高壓變換到380 V/220 V，再通過低壓配電柜將電能分配到不同建筑、不同樓層的電力電池室或配電室給負載供電。由于通信建筑規(guī)模大，電能長距離輸送，為避免無功引起的受電端電壓波動、三相不平衡等電能質量問題，根據國家標準，需要進行無功補償。目前主要采取在高低壓配電室安裝無功補償電容或SVG的集中補償方式，補償回路如圖1中回路1所示，無功補償容量通常為配電變壓器容量的30%左右，補償設備投資高，維護成本大，并且由于配電距離遠，無法精確控制受電端電能質量。在負載端安裝補償設備就地補償無功可以有效解決上述問題，但是由于各類通信機房空間資源有限，在主機房重新安裝無功補償設備經濟性、可行性不佳。

通常在通信機房、數據中心每層設置給本層設備供電的電力電池室。電力電池室設置不間斷電源（UPS）設備給重要通信設備供電。為了保證供電系統可靠性，UPS采用1+1或2N的方式，正常情況下單臺UPS最大負荷小于額定容量的45%，導致系統效率低、容量浪費、運行成本高。隨著技術成熟、成本下降，高頻UPS已經成為發(fā)展趨勢，本文提出一種利用高頻UPS電源PWM整流器進行無功補償的方法，利用瞬時無功理論和dq變換，將三相耦合有功、無功解耦分別控制，可以在不改變UPS電路拓撲和有功傳遞的前提下增加無功補償功能，提高設備利用率。由于電力電池室靠近負載，這樣不需要在通信供配電系統增加設備，僅需在UPS整流側加入無功控制策略，就可以實現無功的就地補償，補償回路如圖1中回路2所示。將UPS就地補償和集中補償方式結合，可以減少集中補償設備容量，節(jié)省投資、維護成本，同時增加UPS設備利用率，并獲得更好的補償效果。

2 UPS電源系統結構及整流器拓撲分類

常見UPS電源系統由整流器、逆變器、直流濾波電容、蓄電池和旁路開關等組成。通過直流儲能裝置（蓄電池）和電力電子變換裝置（整流器+逆變器）將公共電網側和通信負載隔離。正常情況下，整流器將電網側交流電壓轉換為直流，并控制直流母線電壓水平。交流側逆變器采用先進控制技術輸出具有電壓穩(wěn)定、頻率固定、波形正弦的交流輸出電壓給負載供電，保障供電質量。當電網故障停電時，UPS可以在數毫秒內切換工作方式，整流器隔離電網側故障，逆變器采用直流側蓄電池對負載進行供電，保證通信設備連續(xù)正常工作。由此可見，UPS電源具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抗干擾、防止浪涌、不間斷供電等功能，可以有效提高通信設備供電質量，在通信電源系統中具有不可或缺的重要地位。

圖1 通信電源集中供配電方式

根據整流器的拓撲結構不同，可以將UPS分為相控整流型和PWM整流型兩類。相控整流器開關器件為晶閘管（SCR），由于SCR是可以控制開通、不能控制關斷的半控型開關器件，SCR導通后關斷必須由電網施加反向電壓，降低流過開關的電流后自然關斷，因此SCR只能以50 Hz的電網工頻周期開關工作，所以工業(yè)上也被成為工頻UPS。PWM整流器開關器件為絕緣柵雙極性晶體管（IGBT），由于IGBT可以控制開通和關斷，因此器開關頻率不受電網影響，其工作開關頻率通常為幾kHz到幾十kHz，以提高整流器輸入電壓、電流波形質量、降低諧波并減少輸入濾波器容量、體積，因此PWM整流型UPS工業(yè)上也被成為高頻UPS。

常用PWM整流型UPS拓撲為三相半橋整流電路，具體結構如圖2所示。整流器由6只IGBT組成，上下兩只IGBT為一個橋臂，橋臂重點輸出一相交流電壓，三個橋臂組成三相系統，工作時采用SPWM（正弦波脈寬調制）控制IGBT。每個橋臂采用單獨調制信號與三角載波比較生成開關信號，同一橋臂上下兩只IGBT互補導通，三相間調制信號幅值相等，相位相差120°，通過調節(jié)調制信號的幅值和相位可以控制整流器交流側電壓幅值和相位，從而控制UPS吸收的有功和無功，改善功率因數，因此不需額外增加功率因數調節(jié)電路，并且通過控制調制信號調至比提高整流器直流電壓，逆變電路可直接逆變輸出市電380 V/220 V，不需體積龐大的工頻輸出變壓，節(jié)省空間。

圖2 PWM整流型UPS電源拓撲結構

3 PWM整流型UPS整流器無功補償方法

3.1 PWM整流器無功補償原理

假設正常工作時PWM整流器直流側電壓穩(wěn)定在Udc，則整流器直流側電壓、交流側電壓和調制信號關系如式（1）所示，其中M為調制信號調至比，Us為調制信號有效值，ωs為調制信號角頻率，控制其與電網角頻ω0率相同，即同步運行，δ為調制信號相對于電網的相位角。可見PWM整流器交流側等效電壓Uc可以看作是一個幅值、頻率、相位都可以通過調制信號指令控制的可控電壓源。通過調節(jié)Uc的幅值和相位可以改變交流濾波電抗器端電壓，從而改變整流器交流側輸入電流Ic的幅值和相位，達到調節(jié)有功和無功的目的。

圖3 高頻UPS電源PWM整流器工作原理框圖

高頻UPS電源系統結構和PWM整流器無功補償工作原理框圖如圖3所示，可見與普通高頻UPS相比，只增加普通負載電流檢測傳感器和軟件控制算法。PWM整流器無功補償的基本工作原理是通過檢測電路獲得UPS支路以外負載電流，并通過指令電流運算電路計算負載無功作為無功電流的指令信號據指令電流控制整流器輸出負載所需的無功電流，使得電網電流ig中僅含有功成分，無功計算采用瞬時無功理論將負載電流進行dq變換后，q軸電流分量低通濾波獲得，本文不再詳述。整流器的有功電流指令根據直流側電壓udc計算獲得，用來穩(wěn)定直流側電壓從而保證逆變器正常工作，并輸出通信負載所需有功。

3.2 PWM整流器數學模型及控制方法

忽略PWM整流器高頻分量，只考慮基波分量，由PWM整流器單相等效電路和功率守恒可得PWM整流器交流側輸入、輸出特性方程如式（2）所示，根據公式可知整流器在abc三相靜止坐標系下的數學模型為一組時變系數的微分方程，利用同步旋轉坐標變換（dq變換）將三相abc靜止坐標系統中的時變微分方程變換為dq同步旋轉坐標系下的常系數微分方程。

假設電網電壓如式（3）所示，Ug為電網電壓有效值，將d軸坐標與電網電壓相量Ug重合，任意相量X在abc坐標系與dq同步旋轉坐標系的變換關系如式（4）所示，變換矩陣Tabc-dq和Tdq-abc為別如式（5）、式（6）所示，其中ω為坐標變換角頻率。

根據前面定義的恒功率dq變換，對式（2）進行dq變換并整理，可得PWM整流器在dq同步旋轉坐標系下的數學模型為

式中，ugd，q為電網電壓的d、q軸分量，由于d軸坐標與電網電壓相量Ug重合，因此有ugq= 3Ug，ugq=0 ；ucd，q、icd，q分別為 PWM 整流器交流側電壓和電流的d、q軸分量，其中

可以看到在dq轉坐標系下PWM整流器的數學模型變成常系數微分方程，且裝置輸出電壓和電網電壓均變換為直流分量，經過推導求解裝置補償電流也為直流分量，這樣會方便控制器設計以及提高控制器跟蹤精度。根據瞬時功率理論，PWM整流器從電網吸收的瞬時有功功率和無功功率分別為

可知通過調節(jié)icd和icq就可以分別控制裝置吸收的有功和無功，因此icd和icq分別代表了整流器吸收電流的有功分量和無功分量，與前文分析一致。

利用PWM整流器進行無功補償，不能影響負載有功需求，即裝置視在功率不能超出額定范圍，因此需要根據式（10）進行條件判斷，從而控制整流器工作方式。式中S、P、Q分別為UPS額定容量、實際輸出有功和無功， k為小于1的安全余量系數， P、 Q可以根據式（8）計算。當條件滿足時，整流器根據負載無功進行補償，當條件不滿足時，給定無功指令設置為0，整流器停止無功補償。這樣當UPS電源1+1或2N系統發(fā)生單機故障時，正常設備仍可以在不影響負載有功需求的前提下，最大限度補償負載無功。

為方便研究PWM整流器的頻率特性，將式（7）進行拉普拉斯變換，可得裝置在復頻域下的數學模型為

可以看出在dq坐標系下PWM整流器輸出的有功電流和無功電流通過濾波電感耦合，同時電網電壓擾動也會影響裝置的輸出電流，采用電流解耦及電壓前饋控制，控制原理框圖如圖4所示，Gid(s)、Giq(s)分別為有功和無功電流控制器。

可以合理的將調制及坐標變換過程看作單位比例環(huán)節(jié)，則電流解耦及電壓前饋后，有功電流Icd和無功電流Icq相互獨立，不存在任何耦合聯系，因此在保證整流器有功不變的前提下，不需要改變整流器拓撲結構或增加硬件成本，直接疊加無功控制指令就可以實現PWM整流器的無功就地補償。

3.3 仿真驗證

圖4 PWM整流器控制原理框圖

利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建高頻UPS仿真平臺，驗證PWM整流器無功補償方法的可行性，仿真系統結構如圖3所示，UPS額定功率300 kVA。仿真開始時后UPS只給通信負載供電，0.2 s時給PWM整流器加入無功補償控制指令，分別觀測負載、高頻UPS交流側和電網功率波形，包括有功P、無功Q和視在功率S。仿真波形和結果分析分別如圖5和表1所示。

可見：在0.2 s前，UPS交流側吸收有功125 kW、無功0 kVAR、視在功率125 kVA；普通負載有功175 kW、無功250 kVAR、視在功率305 kVA；電網輸出有功300 kW、無功250 kVAR、視在功率為390 kVA?？梢姡娋W除提供普通負載有功和通信負載的有功外，還要提供普通負載無功，網側功率因數僅為P/S=0.77，負載無功占用了配電電纜走廊，降低配電能力；在PWM整流器加入無功補償功能后，負載功率不變，UPS除吸收125 kW有功外，還輸出250 kVAR的感性無功，用來補償負載無功，補償后，電網只提供有功，因此視在功率和有功功率相等，網側功率因數達到1。而UPS在進行無功補償前后，有功功率吸收不受影響，補償無功后，視在功率達到280 kVA，UPS電源系統利用率從41.7%提升到了93%。

圖5 仿真波形

表1 仿真結果

4 結論

本文提出UPS電源PWM整流器無功就地補償方案只需要增加普通負載檢測傳感器，并增加軟件控制算法，改造成本低。仿真結果證明，本文提出的PWM整流器無功補償方法在不影響UPS有功功率的前提下，實現負載側的無功就地補償，提高配電效率和UPS利用率。由于利用UPS空余容量進行無功就地補償，根據UPS不同的備用方案，可以不同程度的減少高低壓配電室的無功補償電容容量，節(jié)省投資成本和占地面積。