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計中，我們基于現代控制理論建立逆變器的數學(xué)模型，從而得出了閉環(huán)控制器的最優(yōu)化參數，使逆變器的性能達到了最優(yōu)化。此外，通過(guò)采用基于高性能32位數字信號處理器TMS320F2810實(shí)現了控制的全數字化。使得逆變器輸出電壓失真率在線(xiàn)性負載時(shí)小于2%，非線(xiàn)形負載時(shí)≤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，我采用了基于數字信號處理器(DSP)的數字化瞬時(shí)均流技術(shù)，它很好地實(shí)現了“分布式邏輯均流控制方式”。對于逆變器并機系統中的各個(gè)模塊，均都處于完全平等的調控狀態(tài)之中，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調節逆變模塊所帶的負載百分比，實(shí)現高精度的負載均分。以高速微處理器為基礎的全數字化設計，使得UPS模塊之間只采用環(huán)路通訊電纜連接來(lái)傳遞實(shí)時(shí)信號便可實(shí)現多達20個(gè)模塊的直接并機。負載電流的不均衡度小于3%。UPS的各模塊可實(shí)現熱插拔，熱更換。每個(gè)UPS模塊可動(dòng)態(tài)插入UPS系統或從UPS系統中動(dòng)態(tài)拔出。插拔過(guò)程中不影響其它模塊的正常運行。

逆變器均流的思想來(lái)源于電力系統中同步發(fā)電機的功率調節，即以有功功率調頻，以無(wú)功功率調壓的下垂方式為主，如式(1)、(2)所示，因此也稱(chēng)外特性下垂方式。

在逆變器并聯(lián)系統中，這種下垂方式在感性的線(xiàn)路阻抗時(shí)工作也是較好的，對于阻性線(xiàn)路阻抗則效果較差，當線(xiàn)路阻抗不再為純感性時(shí)，電壓頻率，幅值都同時(shí)影響有功功率與無(wú)功功率，從而產(chǎn)生了很強的耦合，使得并聯(lián)效果并不理想，因此，在無(wú)互連線(xiàn)的并聯(lián)控制中，通常通過(guò)對P，Q進(jìn)行座標變換，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。

傳統的并聯(lián)均流控制是基于相量的，每個(gè)工頻周期調節一次環(huán)流，對環(huán)流的瞬間沖擊是沒(méi)有抑制作用的，這使得UPS須采用并機電抗，并在容量上考慮較大的富余度。為解決這一問(wèn)題，我們通過(guò)研究，在國內外首次提出了環(huán)流阻抗的概念，并基于環(huán)流阻抗實(shí)現了瞬時(shí)均流方案，如圖5所示。在瞬時(shí)均流方案中，各個(gè)模塊的均流控制器對負載電流的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，對環(huán)流進(jìn)行瞬時(shí)調控。而傳統的均流方案中只對負載電流的基波分量進(jìn)行處理，一個(gè)正弦周期(20ms)只能調節一次。瞬時(shí)均流方案大大改善了UPS模塊之間的動(dòng)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(shí)，基于瞬時(shí)均流技術(shù)，通過(guò)合理的軟件算法，可實(shí)現“虛擬并機電感”，使得每個(gè)UPS模塊不再需要并機電感，從而進(jìn)一步降低了體積、損耗及成本。提升了整個(gè)UPS的效率及功率密度，

圖5 逆變器的瞬時(shí)均流控制方案

該UPS電源可實(shí)現多制式運行，可單相或三相市電輸入、對單相或三相負載供電。同時(shí)，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定，同時(shí)也簡(jiǎn)化了各UPS模塊的結構，降低了各模塊的體積。如需提高旁路的可靠性，該UPS可實(shí)現雙旁路模塊并聯(lián)冗余運行。

該UPS基于DSP技術(shù)，針對模塊化運行，開(kāi)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，強大的智能監控功能，提供RS232、RS422及干接點(diǎn)、接口，內置Modem接口及SNMP卡，滿(mǎn)足TCP/IP協(xié)議，適應LAN、WAN的網(wǎng)絡(luò )化管理。

整個(gè)UPS系統控制框圖如圖6所示。

圖6 UPS模塊主電路原理圖

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