三相不間斷電源的新進(jìn)展
在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),我國(guó)市電電網(wǎng)供電不足,電壓波動(dòng)大,干擾嚴(yán)重的局面仍將存在。而各行業(yè)、各領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)供電質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求,尤其是實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的重要系統(tǒng)、重要部門(mén)和重要的用電設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量的要求和我國(guó)的電網(wǎng)實(shí)際狀況的矛盾日益尖銳。因此,不間斷電源(UPS)作為一種穩(wěn)壓穩(wěn)頻純凈化的綠色電源越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了不斷提高UPS的性能,科研人員對(duì)UPS系統(tǒng)做了大量的研究,提出了很多的電路拓?fù)渑c控制策略。
1 UPS的電路拓?fù)?/STRONG>
UPS的可靠運(yùn)行離不開(kāi)各模塊的協(xié)調(diào)工作,下面就UPS主要功能模塊電路拓?fù)溥M(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
1.1 整流和功率因數(shù)校正電路
整流電路在應(yīng)用中構(gòu)成直流電源裝置,是公共電網(wǎng)與電力電子裝置的接口電路,其性能將影響公共電網(wǎng)的運(yùn)行和用電質(zhì)量。高性能的UPS要求有較高的輸入功率因數(shù),并盡量減少輸入電流的諧波分量
1.1.1 傳統(tǒng)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(kāi)關(guān),存在著以下問(wèn)題:
1)網(wǎng)側(cè)諧波電流的存在將降低設(shè)備網(wǎng)側(cè)功率因數(shù),增加無(wú)功功率;
2)相控整流換流方式,導(dǎo)致?lián)Q流期中電網(wǎng)電壓畸變,不僅使自身電路性能受到影響,而且對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾,對(duì)同一接地點(diǎn)的網(wǎng)間其他設(shè)備帶來(lái)不良影響;
3)相控整流環(huán)節(jié)是一個(gè)時(shí)滯環(huán)節(jié),無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。
電壓型單管整流電路是三相不控整流橋加Boost電路的簡(jiǎn)稱(chēng),它的缺點(diǎn)是:電流峰值大,不僅妨礙系統(tǒng)功率的提高,也增加了導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗;為了保持網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的提高,Boost電路必須有一定的升壓比,這對(duì)三相電路會(huì)導(dǎo)致直流輸出電壓過(guò)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(yōu)點(diǎn)是反饋控制簡(jiǎn)單,不需要在控制電路中加入電流反饋,只須調(diào)節(jié)各開(kāi)關(guān)管的占空比就可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化;直流側(cè)的電壓較低。缺點(diǎn)是輸入電流正弦度不是很好,在輸入側(cè)必須加入并聯(lián)電容,實(shí)現(xiàn)移相。這種電路現(xiàn)在開(kāi)始成為研究的熱點(diǎn)之一。這種電路適用于大功率整流電路且對(duì)功率因數(shù)要求不高的場(chǎng)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(diǎn)是采用高頻PWM整流技術(shù),器件處于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài),由于器件的開(kāi)通和關(guān)斷狀態(tài)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(yōu)點(diǎn)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(shù)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(dòng),正常時(shí)能量從交流側(cè)向直流側(cè)流動(dòng),直流輸出電壓高于給定值時(shí),能量從直流側(cè)向交流側(cè)流動(dòng),具有較高的轉(zhuǎn)換效率。缺點(diǎn)是屬于Boost型整流電路,直流側(cè)電壓要求較高。這種電路也是近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
1.2 蓄電池組和充放電電路
蓄電池組是UPS的儲(chǔ)能單元,市電正常時(shí)它吸收來(lái)自市電的能量并以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存起來(lái),一旦市電中斷,它把儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能向逆變器供電,維持負(fù)載供電的連續(xù)性。在中小功率的UPS系統(tǒng)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(dòng)的充放電電路[4]。大功率系統(tǒng)中為了提高效率,簡(jiǎn)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(zhuǎn)換成用戶所需的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電能。下面仍以三相逆變器為對(duì)象分析近年來(lái)逆變器的研究熱點(diǎn)。
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(yīng)用最為普遍,這種電路的特點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)。這種電路便于使用新的控制策略以提高逆變器的質(zhì)量。但是,要實(shí)現(xiàn)帶100%的獨(dú)立負(fù)載是比較困難的。
1.3.2 H橋逆變器
對(duì)于超大容量的逆變器,由于功率等級(jí)的大幅度提高,對(duì)逆變器的結(jié)構(gòu)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(gè)獨(dú)立的繞組,逆變器輸出采用3個(gè)獨(dú)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(shù)
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(kāi)始尋求新的電路結(jié)構(gòu),于是出現(xiàn)了三相四橋臂逆變器,如圖3所示。這種電路結(jié)構(gòu)輸出為三相四線制,三相電壓可以獨(dú)立控制,控制方法靈活,但是這種拓?fù)涞乃惴ū容^復(fù)雜,PWM矢量在三維空間中旋轉(zhuǎn),必須采用數(shù)字控制方法才能實(shí)現(xiàn)空間PWM波形的生成,這種電路成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。
1.4 三相UPS整機(jī)電路
1.4.1 傳統(tǒng)三相UPS電路結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的三相UPS結(jié)構(gòu),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(shí)作為充電器。輸出采用變壓器隔離,可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出完全隔離,確保電網(wǎng)的擾動(dòng)不會(huì)對(duì)負(fù)載造成干擾。市電斷電時(shí),電池通過(guò)逆變器輸出穩(wěn)定的交流電;在逆變器出現(xiàn)故障時(shí),通過(guò)旁路輸出電壓,保證了供電的可靠性。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是體積和重量都比較大。
1.4.2高頻鏈?zhǔn)饺郩PS
為了降低成本,減小UPS的體積和重量,出現(xiàn)了高頻鏈?zhǔn)饺郩PS,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(shù)和較低的輸入諧波電流。其缺點(diǎn)是輸入輸出沒(méi)有變壓器隔離,電網(wǎng)的擾動(dòng)可能會(huì)給UPS的輸出造成擾動(dòng);輸出三相電壓靠電池和電容中點(diǎn)形成中線,所以在控制中必須保持正負(fù)直流電壓幅值的相等,否則輸出中線會(huì)有較大的直流成分,對(duì)負(fù)載和負(fù)載中的變壓器不利;輸入采用三相四線制,中線有電流流過(guò),可能會(huì)造成中線電位偏移,對(duì)負(fù)載造成干擾;輸入輸出不隔離,并聯(lián)時(shí)的環(huán)流問(wèn)題較難解決。
1.4.3 新的在線互動(dòng)式UPS
由于以上兩種UPS都要經(jīng)過(guò)兩次滿功率變換,因此系統(tǒng)的效率較低,從提高系統(tǒng)效率的角度出發(fā),出現(xiàn)了一種串并聯(lián)補(bǔ)償式的大容量結(jié)構(gòu),是一種新的在線互動(dòng)式結(jié)構(gòu),如圖5所示。這種拓?fù)漭斎胼敵鐾瑯記](méi)有變壓器隔離,所以會(huì)有高頻鏈?zhǔn)経PS的缺點(diǎn)。這種UPS的輸出頻率必須保持與電網(wǎng)一致,而且對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)的抑制能力不強(qiáng),因而供電質(zhì)量比傳統(tǒng)的三相UPS差。它的特點(diǎn)是從輸入到輸出間的能量不是經(jīng)過(guò)滿功率的變換,同樣是由兩個(gè)高頻變換器組成,但是變換器1最大只承受20%的功率,從成本上講,這種結(jié)構(gòu)的成本更低。在控制方法上,變換器1是一個(gè)電壓補(bǔ)償器,用于補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的畸變;變換器2是一個(gè)電流補(bǔ)償器,用于補(bǔ)償負(fù)載的諧波電流,并且在市電斷電時(shí)作為滿功率電壓型逆變器向負(fù)載供電。
1.4.4 輸入輸出隔離的高頻鏈UPS
由于傳統(tǒng)工頻UPS的輸入輸出帶有隔離變壓器,輸出有很好的隔離特性,高頻鏈?zhǔn)降腢PS有很好的輸入特性,因此,出現(xiàn)了這種帶有輸入輸出隔離的高頻鏈?zhǔn)降腢PS如圖6所示。由于高頻整流的缺點(diǎn),在輸入側(cè)必須接一個(gè)自耦變壓器降壓,增加了整機(jī)的重量和成本;另外,由于輸入采用了高頻變換器,整機(jī)的效率比高頻鏈?zhǔn)胶蛡鹘y(tǒng)式UPS的效率都低。但是,由于輸入功率因數(shù)是1,沒(méi)有諧波電流,所以所消耗的總電能低于傳統(tǒng)三相UPS。
1.4.5輸入輸出并聯(lián)的UPS
這種電路中,輸入端由多個(gè)整流器并聯(lián)而成,給直流母線供電,同時(shí)直流母線給多個(gè)逆變器提供直流電壓,多個(gè)逆變器的輸出端直接連接同時(shí)給負(fù)載供電。這種方式可以增強(qiáng)UPS的容量,增加系統(tǒng)的可靠性,成本下降,可維護(hù)性增強(qiáng),但是,并聯(lián)模塊越多,各模塊間的均流問(wèn)題越難解決。
2 不間斷電源的控制技術(shù)
隨著控制理論和功能豐富,性能優(yōu)良的各種微控制器的迅猛發(fā)展,出現(xiàn)了多種離散化控制方法。從控制反饋回路的數(shù)目可分為單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán)控制。在硬件允許的條件下盡可能地提高反饋回路數(shù)目,可以提高控制效果。從控制原理上看包括數(shù)字PID控制、狀態(tài)反饋控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)路控制、空間矢量控制等方法。
數(shù)字PID控制控制的適應(yīng)性好,具有較強(qiáng)的魯棒性;算法簡(jiǎn)單明了,便于用單片機(jī)或DSP實(shí)現(xiàn)。但是存在兩方面的局限性:一方面是系統(tǒng)的采樣量化誤差降低了算法的控制精度;另一方面,采樣和計(jì)算延時(shí)使得被控系統(tǒng)成為一個(gè)具有純時(shí)間滯后的系統(tǒng),造成PID控制器穩(wěn)定域減少,增加了設(shè)計(jì)難度。
預(yù)測(cè)控制可以實(shí)現(xiàn)很小的輸出電流畸變,抗噪音能力強(qiáng),但是,這種算法要求知道精確的負(fù)載模型和電路參數(shù),因此魯棒性差,而且由于數(shù)值計(jì)算造成的延時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中也是一個(gè)問(wèn)題。滯環(huán)控制具有快速的響應(yīng)速度,較高的穩(wěn)定性,但是滯環(huán)控制的開(kāi)關(guān)頻率不固定,使電路工作可靠性下降,輸出電壓的頻譜變差,對(duì)系統(tǒng)性能不利。
無(wú)差拍控制的基本思想是根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號(hào)推算出下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的PWM脈沖寬度,因此,從理論上可以使輸出電壓在相位和幅值上都非常接近參考電壓,由負(fù)載變化或非線性負(fù)載引起的輸出電壓誤差可在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)得到校正。但是,無(wú)差拍控制是一種基于被控制對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的控制方法,魯棒性很差。
滑摸控制是一種非線性控制,這種控制的特點(diǎn)是控制的非連續(xù)性。這種控制既可以用于線性系統(tǒng)也可用于非線性系統(tǒng)。這種控制方法具有很強(qiáng)的魯棒性。缺點(diǎn)是要得到一個(gè)令人滿意的滑模面是很困難的。
重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法。逆變器采用重復(fù)控制的目的是為了消除因整流橋負(fù)載引起的輸出電壓波形周期性的畸變。重復(fù)控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差,但是,由于重復(fù)控制延時(shí)一個(gè)工頻周期的控制特點(diǎn),使得單獨(dú)使用重復(fù)控制的UPS逆變器動(dòng)態(tài)特性極差。
模糊控制屬于智能控制的范疇。模糊控制器的設(shè)計(jì)不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,因此具有很強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性。模糊控制類(lèi)似于傳統(tǒng)的PD控制,因而這種控制有很快的響應(yīng)速度,但是其靜態(tài)特性不令人滿意。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制是模擬人腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動(dòng)的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力、并行計(jì)算能力和較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn),已廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域,尤其是非線性系統(tǒng)領(lǐng)域。目前在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)算法等方面已取得了一定成果。但是,由于硬件系統(tǒng)的限制,目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓波形進(jìn)行在線控制,多數(shù)應(yīng)用都是采用離線學(xué)習(xí)獲得優(yōu)化的控制規(guī)律,然后利用得到的規(guī)律實(shí)現(xiàn)在線控制。
諧波注入式PWM技術(shù),直流母線電壓的利用率基本上可以達(dá)到loo%。這種方法對(duì)于電壓開(kāi)環(huán)的控制系統(tǒng)非常有效,但在閉環(huán)控制系統(tǒng)中由于諧波注入的初始相位必須與基波保持一致,在電壓瞬時(shí)值控制中電壓基波的初始相位無(wú)法精確定位而難以應(yīng)用。
空間矢量PWM具有電流畸變小、直流母線電壓利用率高以及易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),因此近年來(lái)得到了較多的應(yīng)用。這種控制方式也需要電路的精確模型。
上述各種控制方案都有其優(yōu)勢(shì),但是也有其不足。同時(shí)采用不同的控制方法形成復(fù)合控制的控制方案在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用,取得了較好的效果。
3 不間斷電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在的問(wèn)題
美國(guó)UPS廠商APC.公司,總結(jié)并歸納了UPS供電系統(tǒng)當(dāng)前面臨的、也是今后必須解決的5個(gè)方面的問(wèn)題:
1)生命成本周期問(wèn)題;
2)不間斷電源系統(tǒng)的可適應(yīng)性及可擴(kuò)展性問(wèn)題;
3)提高不間斷電源的可用性問(wèn)題;
4)不間斷電源對(duì)供電系統(tǒng)的可管理性問(wèn)題;
5)可服務(wù)性問(wèn)題。
4 不間斷電源的最新發(fā)展動(dòng)向
不間斷電源的發(fā)展動(dòng)向是UPS的多機(jī)并聯(lián)冗余化,采用冗余并機(jī)技術(shù)提高UPS的容量和可靠性;采用功能更豐富的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制,使各種先進(jìn)的復(fù)雜控制算法得以運(yùn)用而不斷提高UPS的性能,即向數(shù)字化和高頻化發(fā)展;UPS的進(jìn)一步智能化和網(wǎng)絡(luò)化,使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成為不間斷網(wǎng)絡(luò)。
4.1 UPS的多機(jī)并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)冗余化
UPS的并聯(lián)技術(shù)可以帶來(lái)以下幾個(gè)方面的好處:
1)可以靈活地?cái)U(kuò)大電源系統(tǒng)的容量;
2)可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運(yùn)行的可靠性:
3)極高的系統(tǒng)可維修性,當(dāng)單臺(tái)電源出現(xiàn)故障時(shí),可以很方便地通過(guò)熱插拔的方式進(jìn)行更換和維修。
采用并聯(lián)技術(shù)可以形成具有容錯(cuò)功能的冗余式供電系統(tǒng),從目前掌握的資料來(lái)看,主要有以下幾種冗余配置方案:
1)集中式并聯(lián)控制;
2)主從式并聯(lián)控制;
3)分散式并聯(lián)控制;
4)環(huán)鏈?zhǔn)讲⒙?lián)控制;
5)無(wú)線式并聯(lián)控制。
這幾種并聯(lián)方式,從可靠性的角度看,集中式最差,無(wú)線式控制最好,也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
4.2 UPS的數(shù)字化、高頻化
最初的UPS采用模擬控制方法有很多局限性。隨著數(shù)字處理器計(jì)算速度的不斷提高,使得各種先進(jìn)的數(shù)字控制方法得以實(shí)現(xiàn),使UPS的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性,設(shè)計(jì)周期縮短,性能大為提高。UPS高頻化,有效地減小了裝置的體積和重量,并可消除變壓器和電感的音頻噪音,同時(shí)改善了輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。數(shù)字化控制方法成了當(dāng)今交流電源領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn),一種必然的發(fā)展趨勢(shì)是各種方法相互滲透,互相結(jié)合形成復(fù)合控制方案。數(shù)字化復(fù)合控制是UPS控制的一個(gè)發(fā)展方向。
4.3 UPS的智能化、網(wǎng)絡(luò)化
為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,UPS中已經(jīng)開(kāi)始配置RS232接口、RS485接口、USB接口、SNMP卡和MODEM結(jié)合,成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一部分,具有以下優(yōu)異的智能化、網(wǎng)絡(luò)化特性。
1)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能它對(duì)UPS各模擬參量和表示工作狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)高速采樣,實(shí)現(xiàn)數(shù)字式監(jiān)控。
2)自診斷、自保護(hù)功能 UPS將實(shí)時(shí)采集來(lái)的各項(xiàng)模擬參量和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)中的關(guān)鍵硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)與正常值進(jìn)行分析比較,以判斷UPS是否有故障隱患存在。如果有故障,根據(jù)相應(yīng)的故障信息級(jí)別在控制面板的顯示屏上以友好的圖形界面、文字提示方式報(bào)警,或者在現(xiàn)場(chǎng)和控制室以指示燈燈光、報(bào)警器嗚叫方式報(bào)警、也可以用自動(dòng)撥通電話等方式報(bào)警,并做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。
3)人機(jī)對(duì)話的控制方式 大型UPS可向用戶提供監(jiān)控器液晶顯示屏,以圖形和文字方式顯示工作流程和參數(shù)信息。可以提供讓用戶操作的可視化菜單。并以幫助和不斷提示的方式引導(dǎo)用戶按照既定方式處理故障,有效防止誤操作。
4)遠(yuǎn)程控制功能在網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代,UPS不僅應(yīng)能向由它直接供電的硬件設(shè)備提供保護(hù),還應(yīng)該對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸途徑進(jìn)行全面地保護(hù),使之成為不間斷網(wǎng)絡(luò)。這就意味著UPS應(yīng)配置相應(yīng)的電源監(jiān)控軟件、SNMP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)管理器,使其具有遠(yuǎn)程管理能力,用戶可執(zhí)行UPS與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信操作,使UPS成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要組成部分。這樣,由網(wǎng)管員通過(guò)網(wǎng)管軟件監(jiān)控多臺(tái)UPS,而且被管理的UPS可以在同一個(gè)LAN也可以在不同的LAN,甚至可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng),納入網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)來(lái)管理UPS。
由于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的廣泛化和全球化,必然帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化,多種形式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接在一起。作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分,要求UPS能夠?qū)崿F(xiàn)在各種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的監(jiān)控,而且隨著Internet、Intranet和電子商務(wù)的超高速發(fā)展,用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可用性要求會(huì)越來(lái)越高,使UPS從對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備的保護(hù)延伸至對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路徑的保護(hù)。
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