哈尔滨工业大学电器教研室 王宇虹 张文义 陈向阳 袁瑞铭 徐会明
摘要：本文针对采用SPWM逆变技术 的UPS存在的缺点，提出了将特定消谐式PWM技术应用于UPS的逆变器中，理论分析表明它将明显改善输出波形的质量，并设计了一种采用该技术的UPS逆变器的原理框图，实验结果表明该技术的引入是成功的。
关键词：不间断电源（UPS） 逆变器 SPWM 特定消谐式谐波抑制技术（SHET）
随着电力电子技术的发展，UPS的应用领域愈来愈广，它使供电系统的可靠性和质量大大提高，使投资和运行费用降低，是信息时代不可缺少的能源系统。与此同时对UPS的性能要求也越来越高，要求输出电源电压更加稳定，电源波形失真更小等。
1 UPS的逆变技术 简介
UPS中的逆变技术是其核心技术 之一。目前市场上供应的UPS，其逆变技术普遍采用的是SPWM技术 。正弦PWM即SPWM技术是建立在每一个特定时间间隔内脉冲的能量等效于正弦波所包含的能量的概念上发展起来的一种脉冲宽度调制技术。这种PWM的脉冲宽带按正弦规律变化，因此 能有效地抑次谐波。分析表明，采用原始SPWM法的逆变器的输出波形中，谐波的分布及数值呈现以下特点：
（1）谐波分量主要分布在载波信号（三角波）频率f△的一倍频率区、二倍频率区及其后的所有整数保频率区内，形成一个个的谐波簇的包络区，其谐波成分是较丰富的；
（2）其谐波包络区的谐波幅值以一倍频率区为最大，二倍频率区次之，以后随倍频值的增加而减少；
（3）在变频过程中，谐波的次数将发生变化；
（4）在变压过程中，谐波分量幅值与输出基波分量幅值之比将发生变化，该比值随着电压调制比的降低而升高。
可见，要使谐波向高频方向迁移，则必须提高频率调制比。另一方面，一旦正弦波（调制波）的幅值超过了三角波的幅值，低次谐波就开始增加，所以原始SPWM法的最大调制深度为1，即电压利用率较低。
因此，在实际应用当中SPWM存在以下一些缺点：
（1）随着电压调制比的降低，输出正弦波的波形质量明显下降；
（2）开关频率猛增，在此情况下对功率开关器件的要求更加苛刻；
（3）产生本不存在的高频谐波分量；
（4）PWM波形中所需的基波分量有所衰减，电压利用率较低。
由于SPWM逆变技术存在以上这些缺点，所以我们考虑将性能更优的特定消谐PWM技术应用于UPS中。特定消谐PWM技术，即SHET（Selective Harmonic Elimination Technique），是七十年代由美国密苏里大学的H.S.Patel和R.G.Hoft首先提出的，它是直接利用输出电压的数字模型来求解开关角，从而达到消除指定次谐波的目的。理论分析和实验结果已经表明特定消谐PWM技术具有以下SPWM技术所不具备的优点；
（1）功率开关管的开关频率下降约三分之一，这使得功率开关管理和吸收电路的开关损耗降低，逆变器的效率提高，电磁干扰减少，并使得在大功率的采用普通主电路型式的逆变器上使用GTO作为功率开关管成为可能；
（2）在功率开关管的开关次数相等的情况下，输出电压、电流的质量提高，这可降低对输入和输出滤波器的要求，特别是在三相电源系统当中，效果更为明显；
（3）通过过调以提高逆变器的利用效率，节约能源，其基波电压最大幅值可以达到1.15倍的直流侧电压，而SPWM技术一般只能达到1倍，若SPWM技术要实现过调制，则会大大降低输出波形的质量。
（4）可以有效地消除低次谐波，因此电流脉动大大减少，使逆变器的性能得到较大提高。
由此可以看出，特定消谐PWM技术比SPWM技术 具有更大的优越性，将其应用于UPS当中的前景是光明的。
2硬件实现
UPS电源主要由整流器、逆变器和蓄电池等部分组成。逆变器是UPS的核心，其性能的优劣也决定着UPS整机性能优劣。
3 结论
实验结果表明，UPS逆变器可以实现变频、变压和稳压的功能，在其三相负载上得到的电流波形要明显优于同类情况下开关角个数相同时使用SPWM方法得到的电流波形，在调制比变化时负载电流波形的变化也低于SPWM方法。同时该装置还有操作简单，运行可靠，维修方便等优点，所以特定消谐式UPS极具推广和使用价值。
摘自《中外电源》2000.11
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