多制式模塊化綠色UPS電源技術(shù)

在逆變電路的控制電路設(shè)計中，我們基于現(xiàn)代控制理論建立逆變器的數(shù)學(xué)模型，從而得出了閉環(huán)控制器的最優(yōu)化參數(shù)，使逆變器的性能達(dá)到了最優(yōu)化。此外，通過采用基于高性能32位數(shù)字信號處理器TMS320F2810實現(xiàn)了控制的全數(shù)字化。使得逆變器輸出電壓失真率在線性負(fù)載時小于2%，非線形負(fù)載時≤5%。

圖4 三相逆變器主電路圖

在逆變器的并聯(lián)均流控制中，我采用了基于數(shù)字信號處理器(DSP)的數(shù)字化瞬時均流技術(shù)，它很好地實現(xiàn)了“分布式邏輯均流控制方式”。對于逆變器并機(jī)系統(tǒng)中的各個模塊，均都處于完全平等的調(diào)控狀態(tài)之中，能實時動態(tài)地調(diào)節(jié)逆變模塊所帶的負(fù)載百分比，實現(xiàn)高精度的負(fù)載均分。以高速微處理器為基礎(chǔ)的全數(shù)字化設(shè)計，使得UPS模塊之間只采用環(huán)路通訊電纜連接來傳遞實時信號便可實現(xiàn)多達(dá)20個模塊的直接并機(jī)。負(fù)載電流的不均衡度小于3%。UPS的各模塊可實現(xiàn)熱插拔，熱更換。每個UPS模塊可動態(tài)插入UPS系統(tǒng)或從UPS系統(tǒng)中動態(tài)拔出。插拔過程中不影響其它模塊的正常運行。

逆變器均流的思想來源于電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)，即以有功功率調(diào)頻，以無功功率調(diào)壓的下垂方式為主，如式(1)、(2)所示，因此也稱外特性下垂方式。

在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，這種下垂方式在感性的線路阻抗時工作也是較好的，對于阻性線路阻抗則效果較差，當(dāng)線路阻抗不再為純感性時，電壓頻率，幅值都同時影響有功功率與無功功率，從而產(chǎn)生了很強(qiáng)的耦合，使得并聯(lián)效果并不理想，因此，在無互連線的并聯(lián)控制中，通常通過對P，Q進(jìn)行座標(biāo)變換，形成新的變量P’，Q’，其目的是消除或減輕P’，Q’之間的耦合，再基于P’，Q’進(jìn)行輸出電壓的頻率，幅值的下垂控制。

傳統(tǒng)的并聯(lián)均流控制是基于相量的，每個工頻周期調(diào)節(jié)一次環(huán)流，對環(huán)流的瞬間沖擊是沒有抑制作用的，這使得UPS須采用并機(jī)電抗，并在容量上考慮較大的富余度。為解決這一問題，我們通過研究，在國內(nèi)外首次提出了環(huán)流阻抗的概念，并基于環(huán)流阻抗實現(xiàn)了瞬時均流方案，如圖5所示。在瞬時均流方案中，各個模塊的均流控制器對負(fù)載電流的瞬時值進(jìn)行采樣，對環(huán)流進(jìn)行瞬時調(diào)控。而傳統(tǒng)的均流方案中只對負(fù)載電流的基波分量進(jìn)行處理，一個正弦周期(20ms)只能調(diào)節(jié)一次。瞬時均流方案大大改善了UPS模塊之間的動態(tài)均流特性，能有效地抑制并聯(lián)逆變器之間的環(huán)流沖擊，減小了UPS容量的富余度。同時，基于瞬時均流技術(shù)，通過合理的軟件算法，可實現(xiàn)“虛擬并機(jī)電感”，使得每個UPS模塊不再需要并機(jī)電感，從而進(jìn)一步降低了體積、損耗及成本。提升了整個UPS的效率及功率密度，

圖5 逆變器的瞬時均流控制方案

該UPS電源可實現(xiàn)多制式運行，可單相或三相市電輸入、對單相或三相負(fù)載供電。同時，為確保對國際上50Hz及60Hz兩種頻率電網(wǎng)的適用性，UPS的輸入電壓可適應(yīng)50Hz及60Hz兩種電網(wǎng)，而輸出電壓可50Hz與60Hz任意切換。

該UPS采用了集中旁路控制技術(shù)，使得逆變、旁路切換更加安全穩(wěn)定，同時也簡化了各UPS模塊的結(jié)構(gòu)，降低了各模塊的體積。如需提高旁路的可靠性，該UPS可實現(xiàn)雙旁路模塊并聯(lián)冗余運行。

該UPS基于DSP技術(shù)，針對模塊化運行，開發(fā)了完善的智能管理功能，可以自檢到電路的各種狀態(tài)及故障;在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方面具有優(yōu)異的功能，能支持靈活的網(wǎng)絡(luò)化管理，強(qiáng)大的智能監(jiān)控功能，提供RS232、RS422及干接點、接口，內(nèi)置Modem接口及SNMP卡，滿足TCP/IP協(xié)議，適應(yīng)LAN、WAN的網(wǎng)絡(luò)化管理。

整個UPS系統(tǒng)控制框圖如圖6所示。

圖6 UPS模塊主電路原理圖

整個控制系統(tǒng)基于1片高性能的32位DSP(TMS320FS2810，主頻150Hz)實現(xiàn)了全數(shù)字化集成控制，將高頻整流器、三電平逆變器、瞬時均流、故障診斷、邏輯切換、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能集成在軟件中，一方面大幅提高了系統(tǒng)的性能及可靠性，另一方面最大限度地減少了硬件數(shù)量，從而大幅簡化了生產(chǎn)流程。