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        科華UPS的電路拓撲
        發布時間:2022-12-26   瀏覽次數:1310

        對三相不間斷電源系統的各模塊電路拓撲、整機電路結構以及各種流行控制策略做了一個概括性評析,指出了不間斷電源設計和應用中存在的問題及當前研究的新熱點,最后對UPS的發展動向做出了預言。 [1] 在今后相當長的一段時間內,我國市電電網供電不足,電壓波動大,干擾嚴重的局面仍將存在。而各行業、各領域的快速發展對供電質量提出了越來越高的要求,尤其是實時性很強的重要系統、重要部門和重要的用電設備對供電質量的要求和我國的電網實際狀況的矛盾日益尖銳。因此,不間斷電源(UPS)作為一種穩壓穩頻純凈化的綠色電源越來越成為人們關注的焦點。為了不斷提高UPS的性能,科研人員對UPS系統做了大量的研究,提出了很多的電路拓撲與控制策略。


        UPS的電路拓撲

        UPS的可靠運行離不開各模塊的協調工作,下面就UPS主要功能模塊電路拓撲進行簡要分析。

        一、 整流和功率因數校正電路

        整流電路在應用中構成直流電源裝置,是公共電網與電力電子裝置的接口電路,其性能將影響公共電網的運行和用電質量。高性能的UPS要求有較高的輸入功率因數,并盡量減少輸入電流的諧波分量。傳統單相UPS多采用模擬方法,三相UPS多采用相控式整流電路和電壓型單管整流電路。

        1、傳統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關,存在著以下問題:

        (1)網側諧波電流的存在將降低設備網側功率因數,增加無功功率;

        (2)相控整流換流方式,導致換流期中電網電壓畸變,不僅使自身電路性能受到影響,而且對電網產生干擾,對同一接地點的網間其他設備帶來不良影響;

        (3)相控整流環節是一個時滯環節,無法實現輸出電壓的快速調節。

        電壓型單管整流電路是三相不控整流橋加Boost電路的簡稱,它的缺點是:電流峰值大,不僅妨礙系統功率的提高,也增加了導通損耗和開關損耗;為了保持網側功率因數的提高,Boost電路必須有一定的升壓比,這對三相電路會導致直流輸出電壓過高。

        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,其優點是反饋控制簡單,不需要在控制電路中加入電流反饋,只須調節各開關管的占空比就可以實現輸入電流正弦化;直流側的電壓較低。缺點是輸入電流正弦度不是很好,在輸入側必須加入并聯電容,實現移相。這種電路現在開始成為研究的熱點之一。這種電路適用于大功率整流電路且對功率因數要求不高的場合。

        圖一.jpg

        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,其特點是采用高頻PWM整流技術,器件處于高頻開關狀態,由于器件的開通和關斷狀態可以控制,所以整流器的電流波形是可控制的。這種電路的優點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,正常時能量從交流側向直流側流動,直流輸出電壓高于給定值時,能量從直流側向交流側流動,具有較高的轉換效率。缺點是屬于Boost型整流電路,直流側電壓要求較高。這種電路也是研究的熱點。

        圖二.jpg

        二、蓄電池組和充放電電路

        蓄電池組是UPS的儲能單元,市電正常時它吸收來自市電的能量并以化學能的形式儲存起來,一旦市電中斷,它把儲存的化學能轉換為電能向逆變器供電,維持負載供電的連續性。在中小功率的UPS系統中,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的充放電電路[4]。大功率系統中為了提高效率,簡化電路通常直接把電池組并接在直流母線上。

        三、逆變電路

        逆變器是UPS的核心,它把直流電能轉換成用戶所需的穩壓穩頻的交流電能。下面仍以三相逆變器為對象分析逆變器的研究熱點。

        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用最為普遍,這種電路的特點是采用全控型器件組成逆變器,存在著功率密度高,性能好,小型輕量化等優點。這種電路便于使用新的控制策略以提高逆變器的質量。但是,要實現帶100%的獨立負載是比較困難的。

        2、H橋逆變器

        對于超大容量的逆變器,由于功率等級的大幅度提高,對逆變器的結構提出了新的要求,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個獨立的繞組,逆變器輸出采用3個獨立的H橋。這樣控制方便,但是成本較高。

        3、三相四橋臂變換技術

        由于三相電路中,三橋臂逆變器本身存在著固有的缺陷,人們開始尋求新的電路結構,于是出現了三相四橋臂逆變器,如圖3所示。這種電路結構輸出為三相四線制,三相電壓可以獨立控制,控制方法靈活,但是這種拓撲的算法比較復雜,PWM矢量在三維空間中旋轉,必須采用數字控制方法才能實現空間PWM波形的生成,這種電路成為了研究的熱點之一。

        圖三.jpg

        四、三相UPS整機電路

        1、傳統三相UPS電路結構

        傳統的三相UPS結構,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,整流器同時作為充電器。輸出采用變壓器隔離,可以實現輸入輸出完全隔離,確保電網的擾動不會對負載造成干擾。市電斷電時,電池通過逆變器輸出穩定的交流電;在逆變器出現故障時,通過旁路輸出電壓,保證了供電的可靠性。這種結構的主要缺點是體積和重量都比較大。

        2、高頻鏈式三相UPS

        為了降低成本,減小UPS的體積和重量,出現了高頻鏈式三相UPS,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和較低的輸入諧波電流。其缺點是輸入輸出沒有變壓器隔離,電網的擾動可能會給UPS的輸出造成擾動;輸出三相電壓靠電池和電容中點形成中線,所以在控制中必須保持正負直流電壓幅值的相等,否則輸出中線會有較大的直流成分,對負載和負載中的變壓器不利;輸入采用三相四線制,中線有電流流過,可能會造成中線電位偏移,對負載造成干擾;輸入輸出不隔離,并聯時的環流問題較難解決。

        圖四.jpg

        3、新的在線互動式UPS

        由于以上兩種UPS都要經過兩次滿功率變換,因此系統的效率較低,從提高系統效率的角度出發,出現了一種串并聯補償式的大容量結構,是一種新的在線互動式結構,如圖5所示。這種拓撲輸入輸出同樣沒有變壓器隔離,所以會有高頻鏈式UPS的缺點。這種UPS的輸出頻率必須保持與電網一致,而且對電網的擾動的抑制能力不強,因而供電質量比傳統的三相UPS差。它的特點是從輸入到輸出間的能量不是經過滿功率的變換,同樣是由兩個高頻變換器組成,但是變換器1最大只承受20%的功率,從成本上講,這種結構的成本更低。在控制方法上,變換器1是一個電壓補償器,用于補償電網電壓的畸變;變換器2是一個電流補償器,用于補償負載的諧波電流,并且在市電斷電時作為滿功率電壓型逆變器向負載供電。

        圖五.jpg

        4、輸入輸出隔離的高頻鏈UPS

        由于傳統工頻UPS的輸入輸出帶有隔離變壓器,輸出有很好的隔離特性,高頻鏈式的UPS有很好的輸入特性,因此,出現了這種帶有輸入輸出隔離的高頻鏈式的UPS如圖6所示。由于高頻整流的缺點,在輸入側必須接一個自耦變壓器降壓,增加了整機的重量和成本;另外,由于輸入采用了高頻變換器,整機的效率比高頻鏈式和傳統式UPS的效率都低。但是,由于輸入功率因數是1,沒有諧波電流,所以所消耗的總電能低于傳統三相UPS。

        圖六.jpg

        5、輸入輸出并聯的UPS

        這種電路中,輸入端由多個整流器并聯而成,給直流母線供電,同時直流母線給多個逆變器提供直流電壓,多個逆變器的輸出端直接連接同時給負載供電。這種方式可以增強UPS的容量,增加系統的可靠性,成本下降,可維護性增強,但是,并聯模塊越多,各模塊間的均流問題越難解決。


        五、不間斷電源的控制技術

        • 隨著控制理論和功能豐富,性能優良的各種微控制器的迅猛發展,出現了多種離散化控制方法。從控制反饋回路的數目可分為單環、雙環、多環控制。在硬件允許的條件下盡可能地提高反饋回路數目,可以提高控制效果。從控制原理上看包括數字PID控制、狀態反饋控制、無差拍控制、重復控制、滑模變結構控制、模糊控制、神經網路控制、空間矢量控制等方法。

        • 數字PID控制控制的適應性好,具有較強的魯棒性;算法簡單明了,便于用單片機或DSP實現。但是存在兩方面的局限性:

          1、一方面是系統的采樣量化誤差降低了算法的控制精度;

          2、另一方面,采樣和計算延時使得被控系統成為一個具有純時間滯后的系統,造成PID控制器穩定域減少,增加了設計難度。

        • 預測控制可以實現很小的輸出電流畸變,抗噪音能力強,但是,這種算法要求知道精確的負載模型和電路參數,因此魯棒性差,而且由于數值計算造成的延時在實際應用中也是一個問題。滯環控制具有快速的響應速度,較高的穩定性,但是滯環控制的開關頻率不固定,使電路工作可靠性下降,輸出電壓的頻譜變差,對系統性能不利。

        • 無差拍控制的基本思想是根據逆變器的狀態方程和輸出反饋信號推算出下一個開關周期的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,由負載變化或非線性負載引起的輸出電壓誤差可在一個開關周期內得到校正。但是,無差拍控制是一種基于被控制對象精確數學模型的控制方法,魯棒性很差。

        • 滑摸控制是一種非線性控制,這種控制的特點是控制的非連續性。這種控制既可以用于線性系統也可用于非線性系統。這種控制方法具有很強的魯棒性。缺點是要得到一個令人滿意的滑模面是很困難的。

        • 重復控制是一種基于內模原理的控制方法。逆變器采用重復控制的目的是為了消除因整流橋負載引起的輸出電壓波形周期性的畸變。重復控制器可以消除周期性干擾產生的穩態誤差,但是,由于重復控制延時一個工頻周期的控制特點,使得單獨使用重復控制的UPS逆變器動態特性極差。

        • 模糊控制屬于智能控制的范疇。模糊控制器的設計不需要被控對象的精確數學模型,因此具有很強的魯棒性和自適應性。模糊控制類似于傳統的PD控制,因而這種控制有很快的響應速度,但是其靜態特性不令人滿意。神經元網絡控制是模擬人腦神經中樞系統智能活動的一種控制方式。神經網絡具有非線性映射能力、并行計算能力和較強的魯棒性等優點,已廣泛地應用于控制領域,尤其是非線性系統領域。在神經網絡結構的設計、學習算法等方面已取得了一定成果。但是,由于硬件系統的限制,神經網絡控制還無法實現對逆變器輸出電壓波形進行在線控制,多數應用都是采用離線學習獲得優化的控制規律,然后利用得到的規律實現在線控制。

        • 諧波注入式PWM技術,直流母線電壓的利用率基本上可以達到loo%。這種方法對于電壓開環的控制系統非常有效,但在閉環控制系統中由于諧波注入的初始相位必須與基波保持一致,在電壓瞬時值控制中電壓基波的初始相位無法精確定位而難以應用。

        • 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字化實現等優點,因此得到了較多的應用。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勢,但是也有其不足。同時采用不同的控制方法形成復合控制的控制方案在實踐中得到了廣泛的應用,取得了較好的效果。

        • 不間斷電源設計和應用中存在的問題

        • 美國UPS廠商APC公司,總結并歸納了UPS供電系統當前面臨的、也是今后必須解決的5個方面的問題:

        (1)生命成本周期問題;

        (2)不間斷電源系統的可適應性及可擴展性問題;

        (3)提高不間斷電源的可用性問題;

        (4)不間斷電源對供電系統的可管理性問題;

        (5)可服務性問題。

        1、不間斷電源的最新發展動向

        不間斷電源的發展動向是UPS的多機并聯冗余化,采用冗余并機技術提高UPS的容量和可靠性;采用功能更豐富的硬件設備實現全數字控制,使各種先進的復雜控制算法得以運用而不斷提高UPS的性能,即向數字化和高頻化發展;UPS的進一步智能化和網絡化,使計算機網絡成為不間斷網絡。

        2、UPS的多機并聯技術實現冗余化

        UPS的并聯技術可以帶來以下幾個方面的好處:

        (1)可以靈活地擴大電源系統的容量;

        (2)可以組成并聯冗余系統以提高運行的可靠性:

        (3)極高的系統可維修性,當單臺電源出現故障時,可以很方便地通過熱插拔的方式進行更換和維修。

        采用并聯技術可以形成具有容錯功能的冗余式供電系統,從掌握的資料來看,
        主要有以下幾種冗余配置方案:

        (1)集中式并聯控制;

        (2)主從式并聯控制;

        (3)分散式并聯控制;

        (4)環鏈式并聯控制;

        (5)無線式并聯控制。

        這幾種并聯方式,從可靠性的角度看,集中式最差,無線式控制最好,也成為研究熱點。

        3、 UPS的數字化、高頻化

        最初的UPS采用模擬控制方法有很多局限性。隨著數字處理器計算速度的不斷提高,使得各種先進的數字控制方法得以實現,使UPS的設計具有很大的靈活性,設計周期縮短,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,同時改善了輸出電壓的動態響應能力。數字化控制方法成了當今交流電源領域的一個研究熱點,一種必然的發展趨勢是各種方法相互滲透,互相結合形成復合控制方案。數字化復合控制是UPS控制的一個發展方向。

        4、 UPS的智能化、網絡化

        為了適應計算機網絡的發展,UPS中已經開始配置RS232接口、RS485接口、USB接口、SNMP卡和MODEM結合,成為計算機網絡的一部分,具有以下優異的智能化、網絡化特性。

        (1)實時監控功能它對UPS各模擬參量和表示工作狀態的開關量進行實時高速采樣,實現數字式監控。

        (2)自診斷、自保護功能 UPS將實時采集來的各項模擬參量和工作狀態數據以及系統中的關鍵硬件設備的數據與正常值進行分析比較,以判斷UPS是否有故障隱患存在。如果有故障,根據相應的故障信息級別在控制面板的顯示屏上以友好的圖形界面、文字提示方式報警,或者在現場和控制室以指示燈燈光、報警器嗚叫方式報警、也可以用自動撥通電話等方式報警,并做出相應的保護動作。

        (3)人機對話的控制方式大型UPS可向用戶提供監控器液晶顯示屏,以圖形和文字方式顯示工作流程和參數信息??梢蕴峁┳層脩舨僮鞯目梢暬藛?。并以幫助和不斷提示的方式引導用戶按照既定方式處理故障,有效防止誤操作。

        (4)遠程控制功能在網絡化時代,UPS不僅應能向由它直接供電的硬件設備提供保護,還應該對整個網絡中的運行程序和數據以及數據的傳輸途徑進行全面地保護,使之成為不間斷網絡。這就意味著UPS應配置相應的電源監控軟件、SNMP(簡單網絡管理協議)管理器,使其具有遠程管理能力,用戶可執行UPS與網絡平臺之間的遠程監控和數據的網絡通信操作,使UPS成為網絡系統中的重要組成部分。這樣,由網管員通過網管軟件監控多臺UPS,而且被管理的UPS可以在同一個LAN也可以在不同的LAN,甚至可以通過互聯網,納入網絡管理系統來管理UPS。


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