通信機(jī)房高頻UPS無功就地補(bǔ)償方法研究

楊昆，李菡

(1 河北省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，石家莊 050000； 2 中移在線服務(wù)有限公司河北分公司，石家莊 050000)

1 背景情況

電源系統(tǒng)作為保證通信網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，被譽(yù)為通信網(wǎng)絡(luò)的“心臟”。近年來，隨著信息消費(fèi)、寬帶戰(zhàn)略、4G等產(chǎn)業(yè)政策的全面落實(shí)，通信行業(yè)飛速發(fā)展，通信基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模日益龐大，通信設(shè)備單機(jī)耗電量大幅增加，目前通信機(jī)房（包括各類IDC機(jī)房）的用電量占我國建筑能耗15%～20%，并且機(jī)房投資規(guī)模每年保持在25%的增長(zhǎng)，機(jī)房耗電所占比例逐年升高，這對(duì)通信電源的供電容量、電能質(zhì)量和可靠性提出了更高要求。

由于通信行業(yè)各機(jī)房和數(shù)據(jù)中心耗電量大，為提高供電容量，并方便運(yùn)營(yíng)單位管理維護(hù)，通信電源供配電系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(fù)載供電。由于通信建筑規(guī)模大，電能長(zhǎng)距離輸送，為避免無功引起的受電端電壓波動(dòng)、三相不平衡等電能質(zhì)量問題，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。目前主要采取在高低壓配電室安裝無功補(bǔ)償電容或SVG的集中補(bǔ)償方式，補(bǔ)償回路如圖1中回路1所示，無功補(bǔ)償容量通常為配電變壓器容量的30%左右，補(bǔ)償設(shè)備投資高，維護(hù)成本大，并且由于配電距離遠(yuǎn)，無法精確控制受電端電能質(zhì)量。在負(fù)載端安裝補(bǔ)償設(shè)備就地補(bǔ)償無功可以有效解決上述問題，但是由于各類通信機(jī)房空間資源有限，在主機(jī)房重新安裝無功補(bǔ)償設(shè)備經(jīng)濟(jì)性、可行性不佳。

通常在通信機(jī)房、數(shù)據(jù)中心每層設(shè)置給本層設(shè)備供電的電力電池室。電力電池室設(shè)置不間斷電源（UPS）設(shè)備給重要通信設(shè)備供電。為了保證供電系統(tǒng)可靠性，UPS采用1+1或2N的方式，正常情況下單臺(tái)UPS最大負(fù)荷小于額定容量的45%，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低、容量浪費(fèi)、運(yùn)行成本高。隨著技術(shù)成熟、成本下降，高頻UPS已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，本文提出一種利用高頻UPS電源PWM整流器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)姆椒?，利用瞬時(shí)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?fù)浜陀泄鬟f的前提下增加無功補(bǔ)償功能，提高設(shè)備利用率。由于電力電池室靠近負(fù)載，這樣不需要在通信供配電系統(tǒng)增加設(shè)備，僅需在UPS整流側(cè)加入無功控制策略，就可以實(shí)現(xiàn)無功的就地補(bǔ)償，補(bǔ)償回路如圖1中回路2所示。將UPS就地補(bǔ)償和集中補(bǔ)償方式結(jié)合，可以減少集中補(bǔ)償設(shè)備容量，節(jié)省投資、維護(hù)成本，同時(shí)增加UPS設(shè)備利用率，并獲得更好的補(bǔ)償效果。

2 UPS電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及整流器拓?fù)浞诸?/h2>

常見UPS電源系統(tǒng)由整流器、逆變器、直流濾波電容、蓄電池和旁路開關(guān)等組成。通過直流儲(chǔ)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(wǎng)側(cè)和通信負(fù)載隔離。正常情況下，整流器將電網(wǎng)側(cè)交流電壓轉(zhuǎn)換為直流，并控制直流母線電壓水平。交流側(cè)逆變器采用先進(jìn)控制技術(shù)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(fù)載供電，保障供電質(zhì)量。當(dāng)電網(wǎng)故障停電時(shí)，UPS可以在數(shù)毫秒內(nèi)切換工作方式，整流器隔離電網(wǎng)側(cè)故障，逆變器采用直流側(cè)蓄電池對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，保證通信設(shè)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(shè)備供電質(zhì)量，在通信電源系統(tǒng)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(jù)整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)器件為晶閘管（SCR），由于SCR是可以控制開通、不能控制關(guān)斷的半控型開關(guān)器件，SCR導(dǎo)通后關(guān)斷必須由電網(wǎng)施加反向電壓，降低流過開關(guān)的電流后自然關(guān)斷，因此SCR只能以50 Hz的電網(wǎng)工頻周期開關(guān)工作，所以工業(yè)上也被成為工頻UPS。PWM整流器開關(guān)器件為絕緣柵雙極性晶體管（IGBT），由于IGBT可以控制開通和關(guān)斷，因此器開關(guān)頻率不受電網(wǎng)影響，其工作開關(guān)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(zhì)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?fù)錇槿喟霕蛘麟娐?，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。整流器由6只IGBT組成，上下兩只IGBT為一個(gè)橋臂，橋臂重點(diǎn)輸出一相交流電壓，三個(gè)橋臂組成三相系統(tǒng)，工作時(shí)采用SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）控制IGBT。每個(gè)橋臂采用單獨(dú)調(diào)制信號(hào)與三角載波比較生成開關(guān)信號(hào)，同一橋臂上下兩只IGBT互補(bǔ)導(dǎo)通，三相間調(diào)制信號(hào)幅值相等，相位相差120°，通過調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)的幅值和相位可以控制整流器交流側(cè)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(shù)，因此不需額外增加功率因數(shù)調(diào)節(jié)電路，并且通過控制調(diào)制信號(hào)調(diào)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 PWM整流型UPS整流器無功補(bǔ)償方法

3.1 PWM整流器無功補(bǔ)償原理

假設(shè)正常工作時(shí)PWM整流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定在Udc，則整流器直流側(cè)電壓、交流側(cè)電壓和調(diào)制信號(hào)關(guān)系如式（1）所示，其中M為調(diào)制信號(hào)調(diào)至比，Us為調(diào)制信號(hào)有效值，ωs為調(diào)制信號(hào)角頻率，控制其與電網(wǎng)角頻ω0率相同，即同步運(yùn)行，δ為調(diào)制信號(hào)相對(duì)于電網(wǎng)的相位角?？梢奝WM整流器交流側(cè)等效電壓Uc可以看作是一個(gè)幅值、頻率、相位都可以通過調(diào)制信號(hào)指令控制的可控電壓源。通過調(diào)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(cè)輸入電流Ic的幅值和相位，達(dá)到調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)和PWM整流器無功補(bǔ)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(fù)載電流檢測(cè)傳感器和軟件控制算法。PWM整流器無功補(bǔ)償?shù)幕竟ぷ髟硎峭ㄟ^檢測(cè)電路獲得UPS支路以外負(fù)載電流，并通過指令電流運(yùn)算電路計(jì)算負(fù)載無功作為無功電流的指令信號(hào)據(jù)指令電流控制整流器輸出負(fù)載所需的無功電流，使得電網(wǎng)電流ig中僅含有功成分，無功計(jì)算采用瞬時(shí)無功理論將負(fù)載電流進(jìn)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(jù)直流側(cè)電壓udc計(jì)算獲得，用來穩(wěn)定直流側(cè)電壓從而保證逆變器正常工作，并輸出通信負(fù)載所需有功。

3.2 PWM整流器數(shù)學(xué)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(cè)輸入、輸出特性方程如式（2）所示，根據(jù)公式可知整流器在abc三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為一組時(shí)變系數(shù)的微分方程，利用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換（dq變換）將三相abc靜止坐標(biāo)系統(tǒng)中的時(shí)變微分方程變換為dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的常系數(shù)微分方程。

假設(shè)電網(wǎng)電壓如式（3）所示，Ug為電網(wǎng)電壓有效值，將d軸坐標(biāo)與電網(wǎng)電壓相量Ug重合，任意相量X在abc坐標(biāo)系與dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換關(guān)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(biāo)變換角頻率。

根據(jù)前面定義的恒功率dq變換，對(duì)式（2）進(jìn)行dq變換并整理，可得PWM整流器在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

式中，ugd，q為電網(wǎng)電壓的d、q軸分量，由于d軸坐標(biāo)與電網(wǎng)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(cè)電壓和電流的d、q軸分量，其中

可以看到在dq轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PWM整流器的數(shù)學(xué)模型變成常系數(shù)微分方程，且裝置輸出電壓和電網(wǎng)電壓均變換為直流分量，經(jīng)過推導(dǎo)求解裝置補(bǔ)償電流也為直流分量，這樣會(huì)方便控制器設(shè)計(jì)以及提高控制器跟蹤精度。根據(jù)瞬時(shí)功率理論，PWM整流器從電網(wǎng)吸收的瞬時(shí)有功功率和無功功率分別為

可知通過調(diào)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(jìn)行無功補(bǔ)償，不能影響負(fù)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(jù)式（10）進(jìn)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(shí)際輸出有功和無功， k為小于1的安全余量系數(shù)， P、 Q可以根據(jù)式（8）計(jì)算。當(dāng)條件滿足時(shí)，整流器根據(jù)負(fù)載無功進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)條件不滿足時(shí)，給定無功指令設(shè)置為0，整流器停止無功補(bǔ)償。這樣當(dāng)UPS電源1+1或2N系統(tǒng)發(fā)生單機(jī)故障時(shí)，正常設(shè)備仍可以在不影響負(fù)載有功需求的前提下，最大限度補(bǔ)償負(fù)載無功。

為方便研究PWM整流器的頻率特性，將式（7）進(jìn)行拉普拉斯變換，可得裝置在復(fù)頻域下的數(shù)學(xué)模型為

可以看出在dq坐標(biāo)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(shí)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)也會(huì)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(diào)制及坐標(biāo)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(dú)立，不存在任何耦合聯(lián)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)或增加硬件成本，直接疊加無功控制指令就可以實(shí)現(xiàn)PWM整流器的無功就地補(bǔ)償。

3.3 仿真驗(yàn)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(tái)，驗(yàn)證PWM整流器無功補(bǔ)償方法的可行性，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，UPS額定功率300 kVA。仿真開始時(shí)后UPS只給通信負(fù)載供電，0.2 s時(shí)給PWM整流器加入無功補(bǔ)償控制指令，分別觀測(cè)負(fù)載、高頻UPS交流側(cè)和電網(wǎng)功率波形，包括有功P、無功Q和視在功率S。仿真波形和結(jié)果分析分別如圖5和表1所示。

可見：在0.2 s前，UPS交流側(cè)吸收有功125 kW、無功0 kVAR、視在功率125 kVA；普通負(fù)載有功175 kW、無功250 kVAR、視在功率305 kVA；電網(wǎng)輸出有功300 kW、無功250 kVAR、視在功率為390 kVA?？梢?，電網(wǎng)除提供普通負(fù)載有功和通信負(fù)載的有功外，還要提供普通負(fù)載無功，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅為P/S=0.77，負(fù)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(bǔ)償功能后，負(fù)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(bǔ)償負(fù)載無功，補(bǔ)償后，電網(wǎng)只提供有功，因此視在功率和有功功率相等，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達(dá)到1。而UPS在進(jìn)行無功補(bǔ)償前后，有功功率吸收不受影響，補(bǔ)償無功后，視在功率達(dá)到280 kVA，UPS電源系統(tǒng)利用率從41.7%提升到了93%。

圖5 仿真波形

表1 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出UPS電源PWM整流器無功就地補(bǔ)償方案只需要增加普通負(fù)載檢測(cè)傳感器，并增加軟件控制算法，改造成本低。仿真結(jié)果證明，本文提出的PWM整流器無功補(bǔ)償方法在不影響UPS有功功率的前提下，實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)的無功就地補(bǔ)償，提高配電效率和UPS利用率。由于利用UPS空余容量進(jìn)行無功就地補(bǔ)償，根據(jù)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(bǔ)償電容容量，節(jié)省投資成本和占地面積。