不间断电源关键技术及其相应故障诊断研究

间断电源 到了广泛的应用。同时， 这些都为 但是 ， 国内的 即便是国内生产 ， 其核心技术往往是从国外购买 ， 单机 并联的 导致大量利润外流 ， 同时也严重拖慢了国内 因此对大功率的数字化并联 阅读大量国内外相关领域研究文献的基础上，本文致力于大功率数字化并联 通过理论分析 ， 相关仿真 ， 软硬件设计以及样机测试等大量的实验工作，成功得到了一些有用的理论成果和实践经验。本论文属于华南理工大学电子与信息学院与广东创电电源公司的合作项目的部分内容。依托该项目的研究及完成，本文对大功率三相 相，在线式 并联故障诊断等进行了深入的研究 ， 论文的主要工作有 ：介绍了采用传统 时介绍了一种并机锁相控制追踪的 在大功率单相 结果表明了该控制方法的有效性和可靠性 ； 三相式并联系统的研制 。 使用环流功率控制方法 ， 实现了良好的均流控制 ， 附有硬件及软件框图 。 同时 ， 加载时直接针对各台 最后 ，在 30 验证了该方案的可行性和有效性 ； 对本论文设计的并联系统的故障检测 。 因系统的数学模型是已知的 ， 就可以通过测量 ， 估计系统的状态和参数 ， 确定状态变量和系统参量是否变化 。 采用基于系统数学模型的故障诊断方法 ， 可以从较少的测量点去估计系统的多个状态量或系统参数，从而实现故障诊断。最后，对全文进行了总结，同时提出了未来研究的工作方向。关键词：障诊断；锁相环；并联of in is as it in or In of as PS of is of be by by So its of of is on is on of of on of of a It of of in to of in 0in SP is as a to . . 引言 . . . . 相技术. . 文的结构安排 . 言. 相的原理及算法. . . . 相环的软件实现与实验验证. . 章小 . . . . . . 实验验证. 章小 . 神经网络的结构和学习规则. 经网络的结构.经网络常用的学习法则. . . . 加动量法.适应学习率调整法. . . 章小 . . 45总结与展望. 三相 . 54附录 2. 55攻读硕士学位期间取得的研究成果.引言随着信息技术 、 计算机技术等现代先进科学技术的快速发展 ， 特别是各种精密仪器 、电子设备的广泛应用 ， 对供电系统的连续性 、 可靠性要求也越来越高 。 由于电网存在电涌、高压尖脉冲、电压和频率不稳定和市电中断等现象，会造成电子设备的运行中断 ，使得未保存的数据丢失甚至是硬件损坏 1。 因此，如何给各种电子设备提供稳定可靠的电源成为工业领域的一个重要课题。不间断电源（ 能够在市电故障或正常情况下为负载提供干净、稳定、可靠的电源 的电力设备 ，因而受到人们的广泛关注。近年来，市场对 需求出现大幅度增长，而且使用者对 量 和功能的要求也持续加强。 最开始的仅仅为设备提供后备电源发展到如今的兼顾改善供电质量 、 提供干净稳定电源的多重功能 ， 并且在防止计算机数据的丢失 、 防止停电等方面起着十分重要的作用 。 其功能越来越完善 ， 性能得到大幅度提升 。现阶段，以 技术核心的 经在电信 、 交通 、 军事等各个领域得到了广泛应用 ， 而以 技术即将或已经应用于新型 得其性能进一步提升 2以，各地的各大相关企业以及生产厂家 ，还有相关的科研院所均在对其大力的开发。 目前，在 众多厂商中，著名的厂商如 特（ 、梅兰日兰（ 、台达（ 、艾默生（ 、西力（ ，这些公司先后推出最多可以实现 9 10台并联的 及较为成熟的模块化 如山特公司的 机柜内可装 1 6个 块 ， 单个模块功 率4里的每个模块其实均为独立 用领先，创新的并机技术及通讯技术将其并起来 ， 从而达到了随意组合同时支持热插拔等功能 ， 以及配置 N+ 山特的三 进三出 采用先进的 N+ 单个模块功率为 15个机柜内最多可并联 8个模块。 司的三相在线式 列功率范围为 10 80可以实现 9台的并联使用 。 在国内厂商中 ， 如厦门科华华南理工大学硕士学位论文2推出的 三进三出专业加强型 F R - U K 系列 U P S ，功率为 20- 320K V A ，采用了有 自主专利的无主从自适应并联技术。国内的高校和科研机构中 ， 如华中科技大学 、 浙江大学 、 西安交通大学 ， 南京航空航天大学等 ， 在 U P S 并机冗余和模块化技术方面作了大量的研究 ， 取得了重大的成果 ，发表了很多重大价值的论文，取得了一些专利，有的还与企业合作形成了相关产品。但是， 对于 U P S 并联和 模块化，就 是国外著名 厂商，在产 品的稳定性 和可靠性等方面，还有许多工作要做，国内的厂商更是如此。近年来， A P F C 技术 取得了长 足的发展，单相 A P F C 技术已趋 于成熟，并广泛 应用 U P S 等设备 中，但是三 相 A P F C 很复杂 ，在建模、 控制策略等 方面尚未成 熟，还有很多工作要做。1 . 2 . 2 U P P S 是集模 拟电路、数 字控制、电 力电子技术 、微处理器 控制、高精 度检测技术、自控控制原理、即时通信等为一体的电源设备 4 。随着近年来一些新技术的发展和更高性能的元器件和处理器的出现，更加促进了 U P S 的大力发展 ； 现代 U P S 逆变电源主要朝着以下几个方向发展 5- 8 ：1 智能化和网络化U P S 的智能化包括系统运行状态自动识别和控制 、 系统故障自我诊断 、 蓄电池自动检测与管 理、智能化内部 信息检测与显示等 。 U P S 的异常远 程监控系统将 U P S 系统作为网络的一个节点，通过专用 R S 232/ 485 通信接口与监控 P C 机之间实现交互控制 。 网络化有 两个方面的 含义：一是 U P S 及其监 控系统与其 所保护的负 载之间的交 互作用；另一方面是指把 U P S 当作广域网络的一个独立节点并装上通信适配器，给 U P S 分配独立的 I P 地址，这样就可以对 U P S 进行远程实时监控 9 。U P S 的智能化 和网络化可以实 现 U P S 系统的实 时监控、管理， 可以将故障通过人机交互及时反馈，并很快做出相应的处理保护工作，以避免造成重大损失。2 高频化采用全 控型器件（ M O S F E T 和 I G B T ） ，现代 U P S 的性能 随着 I G B T 的发展 拥有更好的性能 。 I G B T 作为逆变功率器件有着很多优点 ： 开关频率为 20 52K H z ， 明显提高了逆变器的性能 ， 使输出电压谐波含量减少 ， 动态响应更好 ； 高频化 ， 使得输出交流滤波器的尺寸进一步减小 ， 损耗也就相应减小了 ， 使得整机的体积更小 ， 噪声更低 ； 可以提高 U P S 的可靠性和使用寿命。总结与展望33 绿色化现代 U P S 不仅仅 强调对其负 载的保护， 而且越来越 注重对于公 共电网的环 境保护意识。因此， U P S 在谐波污染、无功损耗等各方面对电网的影响也越来越受到重视。在降低 U P S 对电网 的干扰影响 方面可以采 取的措施和 电路结构总 类有很多， 比较常见的方法有 ： 采用高频整流技术以减小整流器对电网的影响 ； 避免采用传统的整流加逆变的串联级联模式 ， 可以克服功率较大的相控整流器对电网的影响和干扰 。 对于小功率的 U P S 主要 采用功率 因数校正 （ P ow e r F a c t or r e c t i o n, P F C ）技 术和高频 P W M 整流器以 及相应的控 制技术，对 于大功率的 U P S 采用串 联功率变换 器加并联功 率变换器的结构 1 0 。4 数字化相对于模拟控制技术 ， 数字技术的应用简化了传统 U P S 设备制造方面的线路设计 ，优化了产品本身的设计 ， 从稳定度 、 失真度 、 超载能力等各方面改善了设备的技术指标 。近年来 ， 随着数字信号处理技术 （ D S P ） 的发展 ， 处理速度的提高 ， 各种高性能的先进控制 算法能够很好的 实现，使得 U P S 的数字化 程度不断提高， 这不但减小了 U P 重量 ，还可以增加其稳定性和抗干扰能力。5 并联冗余技术当一台 单机 U P S 的容量 已经不能满 足用户的要 求时可以有 两种做法， 一是换购一台更大容量的 U P S ，另外就是采用并联冗余技术实现扩容。然而对于大部分用户而言 ，换购大 功率的 U P S 所花费 的显然要比 扩容花费高 ，而采用并 联冗余技术 仅仅需要买 相同容量的 U P S 并联到原有的供电系统就可以了，这样既能增加 U P S 系统的灵活性，又能减少不必要的浪费。所谓的并联冗余技 术，是指将多台 U P S 并联在一起运行， 参与并联的各 U P S 单机在系统中具有相同的地位 ， 共同承担负荷 ， 当其中任何一台单机出现故障时 ， 其他单机能够自动均匀承担多出来的负荷 ， 而故障单机也能够自动脱离并联系统 , 这样的并联冗余技术显然能够大大的提高 U P S 系统的可靠性 11 - 1 3 。6 模块化U P S 的模块化实际上就是将 U P S 高频小型化 ， U P S 的各个模块本身就是一个 U P S ，拥有整 机 U P S 功能。 将各个模块 并联在一起 工作，实际 上就是并联 冗余技术， 但是模块化的 U P S 能够实 现热插拔， 可以根据负 载的情况， 在不停机的 情况下进行 组建的热插拔 ， 以方便拥护进行系统扩容和器件的维修 。 U P S 模块化能够极大地减小其设计和生华南理工大学硕士学位论文4产周期，便于在生产过程中实现规模化和自动化 1 4 。 P 3 . 1锁相技术锁相技 术 也 就 是 平常所 说的 锁相环 技术 ， 在 U P S 中，为 了在任何故 障情况下进 行逆变器 / 旁路切换时平滑而连续 ， 就必须做到逆变器输出电压和旁路电压同频率 、 同相位 、同幅度 。若在切换 过程中，频 率或相位不 一致将导致 U P S 内部环 流高达几千 安培，这对逆变器和静态开关将是致命的危险。在 U P S 技术中明确的将 U P S 输出电压和旁路电压步电路称为 “ 锁相环 ” ， 以强调同相的重要性 。 U P S 并联运行供电时 ， 必须保证各单机之间输出电压的严格的同频、同相，所以锁相技术也是解决 U P S 并机问题的关键。传统的 U P S 锁相方 法通过检测 市电电压的 过零点得到 相位差的信 号，通过硬 件或软件而实现锁相 。 但由于在一个工频周期内只能检测到市电电压两个过零点 ， 限制了锁相速度 。 当市电存在跌落 、 闪变等畸变 ， 或由于非线性负载等引起的三相输入电压不平衡时，就难于准确检测到输入市电的过零点，从而影响了锁相的精度甚至失锁。因此 ，解决输入电压畸变条件下 U P S 输出电压锁相特别是三相 U P S 锁相问题，近年来已成为研究热点。锁相性能是衡量 U P S 性能优劣的一个 重要指标。在市电正常时 ( 可允许 + 5% 的频率波动 ) ，为避免旁路 / 逆变切换时产生过大的环流， U P S 输出电压必须实时跟踪市电 ， 使U P S 与市电同 步运行，保证 U P S 向负载提 供不间断、稳定 的电能，且不对负 载产生过大的 冲击； 当市 电频率 波动超 过 + 5% 的精 度要求 范围或 电网发 生故障 时 ，则 跟踪 U P 0H z 标准信号 。 旁路 / 逆变切换 要平稳连续 ， 市电和 自振标准信号 两个同步源之间的转换也要平稳，以免造成转换过程中 U P S 工作频率的剧烈抖动。数字锁相 环（简称 D P L L ）除具有 数字电路的优点外 ，还解决了模拟 锁相环 D P L 如直流零点漂移 、 元器件饱和 、 必须进行初始校准等 ， 并且具有对离散采样值的实时处理能力，因此， D P L L 在电力电子领域已获得了广泛的应用。目前已提出了各种鉴相算法的 D P L L 应用于不同的场合 。 并且随着微机技术的发展 ， 只需简单的硬件电路，通过软件处理就能实现高精度的锁相。基于过零检测鉴相的 D P L L 由于实现简单 、 方便 ， 在许多领域很有实用价值 。 但 由于在一个工频周期内只能检测到市电电压两个过零点 ， 锁相速度 受到一定的限制 。 当市电存在跌落 、 闪变等畸变 ， 或由于非线性负载等引起的三相输入电压不平衡时 ， 准确检总结与展望5测到输入市电的过零点 存在困难 ， 从而影响了锁相的精度甚至失锁 。 因此 ， 解决输入电压畸变条件下 U P S 输出电压锁相的问题 ， 近年来已成为研究热点 。 例如 ， 有通过 换实现三相相位追踪的方法、三相电压采样鉴相的软件锁相方法 1 4 。（ 1 ） 直接鉴相：直接鉴相器是利用信号的过零点 ， 用不同的方式直接对信号处理获得输入信号与受控信号的相位差，是基于周期或半周期的相位鉴测，主要有 ： 触发器型鉴相器（ F F - P D ）利用双稳态触发器 作为鉴相器，其状态分别受输入信 号和本地受控时钟信号的正向过零点的触发 ， 产生的置位和复位脉冲状态变化之间的间隔就反映了两信号之间的相位差。 乃奎斯特型鉴相器（ N R - P D ）在输入信号加入鉴相器之前 ， 先与乃奎斯特速率进行采样 ， 再与本地受控时钟信号进行数字相乘，产生数字式相位误差 ，这是一种均匀采样的形式 。 超前滞后型鉴相器（ L L - P D ）这种鉴相器将逐周期地比较输入信号与本地钟信号的相位 ， 根据相位的超前或滞后输出相应的超前或滞后脉冲，用变换成加或减脉冲，对应调节本地时钟相位。 过零检测鉴相器（ Z C - P D ）利用 本地受控时钟信号 对输入信号的过零点采样 ， 非零的实际采样值大小反映着相位误差，利用该相位误差来调节 本地时钟信号 的相位。基于过零 检测的直接鉴相方 式结构简单，在 各领域广泛使用。 尤其是基于 D S P 的过零鉴相方式，可以准确捕获频率和相位信息，在低速场合可获得比较理想的效 果 。 但是这种鉴相方式对谐波没有识别能力 ， 当输入信号中含有谐波存在多个过零点时 ， 无法正确鉴相 ， 只能做到对单次频率分量的锁相跟踪 ； 动态调节过程比较慢 ， 是基于周期或半周期的调节 。 适用于谐波污染较小的单相电网或者谐波污染小 、 电压对称的三相电网 。（ 2 ） 正弦信号算法鉴相正弦信号算法鉴相方法适用于输入信号和受控信号均为正弦的情况 。 利用正弦信号的对称三角函数特性，用相应的算法进行相位差计算检测，主要有： 正弦信号相乘鉴相正弦信号相乘鉴相是利用两个正弦信号相乘得到相位差信息 。 对于单相数字锁相系华南理工大学硕士学位论文6统 ， 设输入信号 s i n( ( ) )i i m t = + 和输出信号 0 0 0c ( ) ) t = + 的相移为 90 0 ， ( )S ：0 0 0( ) ( ) ( ) s i n( ( ) ) c ( ) )i i m m iS t V t V t V V t t t = = + +0 00 0s i n ( ) ( ) s i n 2 ( ) ( ) 2 2i m m i m mi V Vt t t t = + + + （ 1由 式 (4可 见 ， ( )S t 由 两 部 分 组 成 ， 设 0 0( ) s i n ( ) ( ) 2i m me S t t = ，02 0( ) s i n 2 ( ) ( ) 2i m mh S t t t = + + 。 ( )eS t 只包 含相位差 信息， 2 ( )hS t 信号 频率的 2 倍基波频率加相位和 。 ， 因为 ( )eS t 不是频率 的函数 ， 也就是说鉴相器的输出信号包含有直流（ 信号分量。对于单相 需要利用环路滤波器能将 2 倍频分量 2 ( )hS t 和高频谐波分量滤去 。则当 0 ( ) ( )it 时， ( ) 0eS t ，从而实现锁相的目的。图 1相正弦信号相乘鉴相的锁相环对于三相 统，一种结构如图 示 , 设输入信号为：0 0 , , s i n( ( ) ) , s i n( ( ) 120 ) , s i n( ( ) 120 ) T i B i C i m i i V V t t t t t = + + + + （ 1输出信号为：0 00 0 0 0 0 0 0 , , c ( ) ) , c ( ) 120 ) , c ( ) 120 ) T C V V t t t t t = + + + + (1设 三 相 输 入 、 输 出 信 号 的 乘 积 为 ( ) ( ) , ( ) , ( ) CS t S t S t S t= ， 参 照 式 (4 1), 令02 ( ) ( )it t + + = ，则对于三相的 2 倍频分量之和，则有：0 00 0 00 0 0s i n 2 ( ) ( ) s i n 2 ( ) ( ) 1 2 0 s i n 2 ( ) ( ) 1 2 0 2 2 2i m m i m m i m mi i V V V Vt t t t t t t t + + + + + + + + +总结与展望70 1 3 1 3 s i n s i n c os s i n c 2 2 2 2 2i m = + 0 (1由式 (1可见，在理想正弦波状况下，三相 统鉴相器输出没有 2 阶谐波分量 ，环路滤波器的主要作用是滤去 3 阶以上的谐波分量及噪声分量 。 则系统输出信号和输入信号的相位差信号 ( )eS t 是：( ) ( ) ( ) ( )e eA eB t S t S t S t= + +0 03 s i n ( ) ( ) 2i m m t = (1则当 0 ( ) ( )it 时， ( ) 0eS t ，从而实现锁相的目的。 坐标旋转变换鉴相该锁相方法主要用于三相场合，其 结构如图 1示， 对于三相输入电压为：0 0 , , s i n( ) , s i n( 120 ) , s i n( 120 ) T i B i C m i i V V t t = + + + +图 1标旋转变换鉴相的三相锁相环利用 C l a r k 变换将 输入电压从 三相静止坐标系变换到两相静止 坐标：1 112 2 23 3 302 2i = (1化简得： s i n( t )3 c )2i V + = + 利用 P a r k 变换将输入电压从两相静止 坐标变换到 两相 标：华南理工大学硕士学位论文80 00 0c ) s i n( )s i n( ) c )i d ii q t t + + = + + (1结 合式 (3) 、 （ 4 ） ， 则：00s i n( )3 / 2c )i d q = (1设 输 入电 压和 输出 电压 的相 位差 0 = ， 当 比 较小 时， s i n ， 则i 性化 为 3 / 2i d 。 因 此调 节 0i ， 则相 位差 0 ， 即 可达 到锁 相 的目 的。数字锁相环除了鉴相方式有多种外，数字滤波器和数字压控振荡器亦有多种方式 ，可用硬件或者软件完成。随着微机技术的发展，处理速度越来越快，性价比越来越高 ，利用软件实现数字 锁相 已成为主要 发展 趋势。1 . 3 . 2 U P P S 的并联 ， 实质上是 U P S 的逆变器的并联 ， 也就是所谓的交流并机问题 。对于直流电源的并联技术，由于被控制的参量相对要少，控制相对简单。到目前为止 ，直流并联的技术已经成熟， 但是 对于交流并机就要复杂得多，到目前尚未成熟。正弦脉宽调制 ( S P W M ) 技术是利用功率开 关器件的导通与关断，把直流电压 变成脉宽按正弦规律变化的电压脉冲阵列 ， 并通过控制电压脉冲的宽度和电压脉冲阵列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。各种不同类型的 P W M 技术相继出现，如注入 3次谐波 P W M 、 空间矢量 P W M （ S V P W M ） 、 随机 P W M 、 软开关 P W M 技术等 ， 成为高速器件逆变器的主导控制方式。S P W M 技术的基本原理是以正弦波作为调制波去调制三角载波 ， 由它们的交点确定逆变器的开关模式 , 使逆变器输出宽度按正弦规律变化的电压脉冲阵列。产生 S P W M 信号 的 方法 有 硬 件 法和 软 件 法 。硬 件 法 中 最实 用 的 是 采用 专 用 集 成电 路 如 H E F 4752 、S L E 4520 、 S A 828 等 ； 软件法是使用电路成本最低的方法 ， 通过实时计算来生成 S P W 用 D S P ，通过采 样型 S P W M 法（包括 自然采样法、对称 规则采样法、不 对称规则采样法 ） 、谐波消去法、等面积法等方法可以生成 S P W M 信号。空间电压矢量 P W M ( S V P W M ) 是一种优化的 P W M 技术 ， 能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗，降低脉冲转矩 , 且其控制简单，数字化实现方便 ， 电压利用率高，已有取代传统 S P W M 的趋势。逆变控 制技术对 U P S 逆变模 块的输出性 能有关键作 用，也与逆 变器并联系 统的结总结与展望9构形式和性能相关。因此研究单个 U P S 逆变模块的控制方式是研究 U P S 并联技术和实现 U P S 模块化的前提，实现逆变器的数字化控制是实现 U P S 关键技术之一 15 。 D 控制P I D 控制是一 种最通用、最成熟 的控制方法。设 计良好的 P I D 控制器有 动态响应快、稳态精度高、鲁棒性强的优点，可以满足大部分的控制性能要求。由于 P I D 控制无法实现对正 弦指令的无静差跟踪，逆变器系统 实际上往往增设外环均 值反馈 以保证 系统的 稳态精 度。对 于三相 逆变器 ，可以 通过坐 标变换 把对象 放在d- q 同步旋转坐标系中进行 P I D 控制，在 d- q 坐标系中原正弦指令变成直流量，可以实现逆变器的无静差调节。逆变器如果采用电压单闭环控制 ， 在负载扰动抑制方面存在着不足 ， 系统动态响应性不好 。 如果在逆变器的电压环基础上增加电流内环 ， 利用电流内环的快速性 ， 可以显著提高系统的动态性能 ， 及时地消除负载扰动的影响 。 同时 ， 由于电流内环对系统特性的改造 ， 可以大大简化电压外环的设计 ， 双环控制具有优良的动态 、 静态特性 。 由于电流内环为抑制非线性负载扰动，必须具备足够的带宽，电流内环需要有很快的速度 。 采用高速 A / D 和高速 D S P 以及提高开关频率 可以一定程度上改善数字 P I D 控制的效果，但在工程上有一定困难。2. 滞环控制滞环 控制是 将给定 信号与 检测的 实际输 出信号 相比较 ，根据 误差大 小改变 开关状态 ， 这样实际输出围绕给定波形作锯齿状变化 ， 并将偏差限制在一定范