硕士论文在线UPS设计(1)

在线UPS设计摘要不间断电源(UPS)广泛应用在消防、建筑、通讯、电力以及交通等各行各业。它有两个基本作用:第一，停电时，通过DC/AC变换，把蓄电池的直流电逆变为交流电，为用电设备继续提供不间断交流电源；第二，在电网和用电设备之间加一道隔离网，避免两者之间的相互冲击和干扰。正是由于这种双重功能，UPS近年来得到飞速发展，出现了很多新兴技术和发展趋势。其中有两个发展趋势尤为引人注目：第一，串并联电路拓朴结构，远优于目前的单独的串联或并联；第二，信号处理控制技术(DSP)，无论从实时性、还是从精度和可靠性方面比较，都远优于现有的控制技术。本文不但是本人对以上两种技术与在线补偿式UPS的结合产物一基于DSP的串并联在线补偿式UPS所做研究的总结，也是在与企业合作从事相关项目所做工作的整理。论文首先分析了UPS(Uninterruptable Power Supply)的作用、分类以及发展趋势，及串并联UPS电路结构的特点、工作原理，以及UPS的控制策略，和电压电流的精确性、实时性控制;接着提出了以DSP (Digital Signal Processing)为控制CPU来实现这一电路的设计方案，包括硬件设计(电路原理图的设计、芯片选型等)、软件设计(主要包括UPS逆变器PWM波形的重复控制算法的软件设计、DSP与以太控制器接口的软件设计、DSP与液晶显示器接口的软件设计);然后进行了算法研究，确定了以自适应重复控制算法为核心的算法体系，并运用Pspice, Matlab等软件进行了仿真、实验，验证了算法的合理性。本文旨在为厂家和校方合作开发的项目“基于DSP的串并联在线补偿式UPS控制解决方案”提供完备的理论体系和设计方案，对涉及到的电路结构、算法、以及编程进行定性、定量研究，最终提供了一套较为实用的电路模型、软件模型等数学模型，使该项目后继工作者能据此迅速展开后续工作。关键词：不间断电源；数字信号处理；重复控制目录摘要1第一章 绪论3（一）选题背景3（二）UPS基础及国内外研究现状、发展趋势4第二章 基于DSP的串并联UPS的总体设计方案11（一）UPS逆变器控制策略11（二）基于DSP的串并联UPS的总体设计15第三章 基于DSP的串并联UPS的硬件设计28（一）DSP概述28（二）DSP硬件系统设计28第四章 基于DSP的串并联UPS的软件设计42（一）控制系统设计概述42（二）算法研究43（三）软件编程48第五章 基于DSP的串并联UPS的仿真实验研究54（一）用MATLAB对系统建模54（二）MATLAB仿真、实验结果56第六章 结论62参考文献65致谢67第一章 绪论（一）选题背景UPS (Uninterruptible Power Supply，即“不间断电源”)是一种不间断供电装置，当普通的交流电电源发生中断时，UPS仍能为用电设备主要是计算机系统持续供电一段时间，从而保证设备的正常运转。UPS广泛应用于电力、通信、银行和证券等行业。UPS的作用不只是使电源不间断，还扮演全方位的负载保护神角色，几乎所有电源系统可能发生的问题，UPS都能提供解决方案。1、调节异常电压早期的UPS产品如果检测到异常电压，就认为是停电，就直接转为蓄电池供电。较新型的UPS产品能将市电调节成标准电压后输出，尽量减少蓄电池放电的机会，以延长蓄电池寿命。产品的调节能力越强，表示输入电压的允许范围越大。2、过滤电源杂波有些用电设备会因瞬间电流的变化而产生反向电压，有些用电设备产生的高频信号未经抑制就返回至市电电路，从而形成杂波，而杂波是造成资料错误或传输失效的重要因素之一。一台好的UPS能够很好地隔离或抑制杂波。3、其它电源污染问题电源的这些污染所造成的后果各有不同。比如电压中断(blackout)造成的停电可能引起计算机硬件损坏、数据丢失以及文件污染等。电压跌落可使硬件提前老化及文件受损;过电压、欠压或浪涌等可损坏驱动器、存储器电路以及可产生不可预料的软件故障。噪声和瞬变电压叠加在电网上，可损坏逻辑电路和文件数据。因此，电源保护是至关重要的。简单的电源保护措施可以部分地改善电源质量，例如采用浪涌抑制器、电压调节器等可以解决高电压尖峰、电压降低、电压下陷等问题，但不能解决包括电源故障和电源中断在内的所有电源问题。而采用UPS则是全面解决问题的最佳方案。另据来自国家电监会的资料表明，部分地区用电紧张的形势将长期存在，同时由于电网结构的问题，仍会出现诸如“卡脖子”、“频繁拉闸限电”等现象。这些事实无一不在提醒我们建立高可靠的电力保护环境的重要性，保障信息的24小时畅通无阻与数据安全，UPS的作用不可替代，也决不是可有可无的。（二）UPS基础及国内外研究现状、发展趋势1、UPS基本分类目前市场上已经有不同类型的UPS，按UPS的工作方式可分为后备式UPS电源、在线互动式UPS电源、双变换在线式UPS电源及串并联在线补偿式四大类。（1）后备式UPS后备式UPS，又称离线式(off line)，新标准IEC6204U-3规定为被动后备式(passive standby)。具有Back或Back up, Standy by等字眼的一般均为后备式UPS。后备机的容量一般在2KVA以下。后备式UPS运行原理:市电正常时，它向负载提供的电源是对市电电压稍加稳压处理的“低质量“正弦波电源，逆变器不工作，蓄电池由独立的充电器充电。当市电超出规定范围时，负载由继电器转为电池逆变供电。见图1-1。图1-1 后备式UPS框图若对市电进行了调压AVR(自动电压调节，一般只是变压器简单抽头调压)，则负载获得的电压是由市电进行了一定范围的稳压，厂商称为Back-AVR UPS。根据逆变器的输出波形不同，后备式UPS又分为正弦波输出UPS和方波输出LIPS。方波UPS不能带日光灯、磁带机等感性负载，感性负载会导致方波的上升沿、下降沿尖峰干扰的峰值急剧增大，容易损坏UPS或负载。但因方波后备式UPS的价格便宜而被广大不重要负载等终端设备及家庭使用。后备式的技术及产品都较成熟，技术.上讲一可靠性是最高的。一般采用12 VDC/7AH电池一节或两节、推挽工作方式、工频变压器升压、继电器转换。（2）在线互动式UPS在线互动式UPS在市电正常时，供给负载为改良了的市电，市电故障时，负载完全由电池逆变供电。在线互动式UPS在市电正常时，供给负载为改良了的市电，市电故障时，负载完全由电池逆变供电。在线互动式(line-interactive)UPS中有一个双向变换器(bidirectional converter)，既可以当逆变器使用，又可作为充电器。所谓在线是指输入市电正常时逆变器处于热备份状态而作为充电器给电池充电。在线互动式UPS又称为线路交叉式、三端口式。图1-2为一个典型的在线互动式拓扑。图1-2 在线互动式UPS框图图1-2中交流输入端Li-N为第一端口，双向变换器绕组7-8为第二端口，输出电压端Lo-N为第三端口，当输入市电在规定范围内变化时，UPS通过调整变压器的抽头来大致稳定输出电服。当需要进行抽头调整时，首先启动双向变换器处于逆变工作状态，再进行抽头的变换，待抽头变换完毕后，停止双向变换器的逆变工作状态，进入充电状态，这时输出由市电供电。图1-2中桥臂的每个开关管上反并联了二极管，有两个作用:一是功率管截止时续流用，使变压器漏感产生的反电动势有回路;二是这四只二极管又可以组成一个全波整流器，在逆变器Sl-S4不工作，市电向负载供电的同时，双向变换器绕组作为主变压器T的次级绕组7-8有电压存在，这个电压经D1-D4整流后向电池组充电。只要电池组不工作，充电过程就一直进行。在线互动式省掉了后备式UPS的附加充电器，其充电能力要比附加充电器强的多，当要求长的延时供电时，无须再增加机外充电设备;如果需要对输入输出进行电气隔离，则可改变压器自祸式为隔离式。这种拓扑与双变换式相比，由于没有经过两次变换，其功率损失明显低于双变换机，因而效率高，可达95%以上:在市电供电时过载能力可达200%；不带PFC的双变换由于采用可控硅(或二极管)整流，即使负载为线性负载，也会对市电产生较强的谐波电流，但互动式在带线性负载时不会对市电产生污染。这种拓扑的缺点是:在市电供电时，输出电压只是幅度有改善，输入的失真、干扰等传递给了输出；动态性能不好，在输入电压或负载电流突变时，输出电压突变较大，恢复到新稳态所需时间长;稳压精度较差;对电网适应范围窄，如要提高精度和适应范围，则必须增加变压器抽头数;UPS的输入功率因数由负载决定，如带计算机等整流性负载时，其输入功率因数也只有0.7左右；当双向变换器作充电器使用时，其充电电压和电流不可控，大大地降低了电池的使用寿命。（3）在线双边换UPS信息设备对电源的要求越来越高，后备式、互动式供电指标都不及在线式。所谓在线式，是不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，逆变电路始终处于工作状态。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了AC/DC,DC/AC两次变换供给负载。当然为了提高系统的可靠性，在线式双变换UPS一般增加了自动旁路电路。小功率采用继电器转换便能满足要求，而大功率一般为采用可控硅(SCR)方式的静态开关，在过载或双变换电路部分故障时负载由旁路供电，这是非正常工作状态，这种情况出现概率比电网不正常概率小得多。功率较大的UPS在此基础上还增加手动旁路(维修开关)，用于维修时保证负载继续运行。国内外UPS厂家都非常重视产品的内部设计，无论是结构设计还是工艺水平都非常高。产品的内部结构设计各具特色。随着DSP数字信号处理器和各种智能处理控制器的使用，UPS产品电路板的工艺越来越精细。为减小体积，在一些产品中，使用了大量表面贴装元器件;一些产品中，还使用了多层电路板，使产品的工艺水平上了一个新的台阶。由于UPS产品是一种长时间不间断工作的产品，其中又有许多高发热的功率器件，解决内部散热问题是提高产品运行可靠性的一个重要方面，在一些在线式产品中，除了使用风扇、散热片、进出风口等常规散热手段外，还设计了专门的散热风道;同时，各部分的布局更加合理，在有利于散热的同时，也充分考虑了电池等维修更换的方便性。其中APC公司的2款机器和山特的MT-500都设置了专门的电池更换装置，无需打开机器外壳即可完成电池更换。Chroma 9103和Delta GES202N除了在开机时对机器进行自检外，还可通过监控软件随时控制机器进行自检，及时发现机器运行的一些故障隐患，及早采取措施，进一步提高了机器运行的可靠性。智能化程度和可管理性都非常出色，除APCBK500外，其他所有产品都配置了RS-232接口，而3款在线式产品还提供了可选网络接口。同时我们发现产品监控软件功能越来越丰富强大，使用越来越方便，监控记录和管理的参数和项目越来越多。其中，台达公司的Smart 2000 UPS监控软件在测试中给我们留下了很深的印象，不仅可管理的项目非常丰富，而且诸如输入电压范围、开机输入电压范围等UPS运行参数都可以通过Smart2000进行设置，用户可以根据自己使用电网的实际情况灵活设置机器进行保护和切换的参数，最大限度地保护UPS机器本身，同时也可以充分发挥机器性能。对于所有可能的机器故障和电网故障都提供了灵活的保护参数设置。用户不仅可以在本地局域网中的任何一台PC或服务器上管理UPS，还可以通过因特网对UPS实现远程监控和管理。UPS故障报警除了常规的通过声光或计算机上弹出窗口等方式外，还可以通过向预设的BP机和电话进行呼叫和向指定信箱发送email方式实现。用户可根据自己的个人喜好灵活选择显示界面。对于参数的监视和记录除了数字方式外，还使用了表格、曲线、趋势图、图形等多种方式。相对来说，后备式UPS的智能化程度还不够高，可管理的项目和内容也不够丰富，一般只能完成一些UPS的状态监控和开关机时间等简单项目的设置和控制。2、国内外研究现状、发展趋势随着新技术不断地被开发出来和在实践中的逐步应用，可以预见:今后UPS电源将向着高频化、数字化、智能化、网络化和大容量单机冗余化的方向发展。（1）电压串并联补偿高频双向逆变技术使用电压串并联补偿高频双向逆变技术(Delta逆变技术)的典型产品是APC公司的Silcon系列大型UPS, Delta逆变技术在保持了传统双变换在线式UPS的全部高性能输出指标的同时，在对电网适应能力和输出能力两个方面有了重大改进和突破，它真正实现了零转换时间和高的输入端功率因数，大大降低了对电网形成污染公害的程度。电路结构采用串并联的高频双向变换技术。虽然传统在线式的技术已经非常成熟，但由于它本身带有许多无法突破的问题，使其发展前途受限。高频化概念的引入，给UPS的发展带来了许多新的思路和空间，随着高频技术和器件的发展，3KVA及以下的高频率在线式UPS的技术和产品己经成熟，其功能和可靠性均应高于传统UPS，高频率对于减小体积、降低成本，以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用。在技术先进的国家，用高频双向变换技术和串并联电路形式构成的用户电力调节装置(Custompower)和UPS己经形成商用化产品，而在我国，这些产品尚处在起步研究阶段。但国外产品(主要是APC (Silcon)的DP300E系列)采用单片机作为主控芯片，结构复杂，元件林立，仅控制板的PCB板就有8层，成本昂贵，难以推广。在电源学术界，特别是在诸如电力、通讯、电信、邮电等应用领域，对此技术及相应的产品还相当生疏。来自中国电源协会的专家认为，该技术具有有功补偿(交流稳压)、无功和谐波补偿、储能调节等多项功能，是用户电力综合调节装置(Custompower)、不停电供电系统(UPS)和交流稳压装置(AVR)的最新电路技术和发展趋势。前不久中国电源协会与清华大学联合组织的“电力调节装置与UPS新技术”专题报告会上，串并联UPS被与会专家公认为是一项趋势性技术，目前全世界仅有美国APC (Silcon)拥有该项技术的产品DP300E/3000系列。（2）数字化UPS的核心部分一控制部分，以前采用模拟方法，后来采用以单片机为主的MPU(如美国APC (Silcon)及目前大多数公司的产品)，仅限于诸如逻辑控制，系统运行数据纪录以及通信和显示，其余诸如高频功率交换等控制仍依赖于运算放大器电路。以DSP(Digital Signal Process)结合MPU的全数字控制技术是未来UPS的主流。此类产品如:科尔茂在中小功率方面的Chroma Ups，国内的中兴通讯的ZXUPS系列，深圳华为安圣电气(现为爱默生兼并)的iTrust系列。其余公司未见有DSP产品。目前国内UPS生产厂家都沿袭采用传统的双变换技术，值得一提的是国内的中信公司、安圣电气公司己经用DSP技术开发出传统的双变换UPS。在前不久结束的第十四届中国电源技术协会年会上，与会专家一致认为:未来的UPS其MCU主流是DSP，其电路结构的必然趋势是采用串并联型补偿式。（3）智能化微处理器在UPS上的应用，过去只在大、中型UPS上来用，近年来已逐渐向小型、微型UPS方面发展，其结果是UPS的智能化发展，包括控制、检测、通信。UPS逐渐由计算机管理，并且计算机及外设能“自主”应付一些可能预见到的问题，能进行自动管理和调整，并能将有关信息通过网络传递给操作系统或网络管理员，便于进行远程管理。（4）网络化把UPS做为网络家庭一个成员的要求越来越迫切，因为它是网络能正常运行的基础。要求UPS拥有更大的蓄电量、可以同时为多台计算机或其它外设服务，并能够通过某种机制达成负载之间的动态配置。（5）大容量单机冗余化由于网络对UPS可靠性的要求越来越高，而解决可靠性的途径除要求元器件本身高可靠外，就是用冗余的方法。小容量UPS的单机内冗余己出现。而大容量的UPS目前还必须通过并机的方法实现。但这样做又会使用户投资太大。但毫无疑问，使用Internet技术监控的UPS系统将成为未来UPS技术的主流之一。另外，自动化、监控软件多平台与监控远程化、并机运行、大功率、功率因数校正等技术也是未来UPS的发展趋势。因此，如何定位UPS的研究方向，如何提高国产UPS的科技含量和技术竞争力，己成为急需解决的重要科学问题。由于市电电网和负载的复杂性，例如电网容量的不足，输变电的各种配电容量问题，各用电设备配置的不合理性，设备之间的相互影响，以及配电系统中各类非线性负载的增加、电力半导体变流装置的广泛应用等因素，以及自然界的雷击、地电及人为因素的影响，电网输出的交流电并不是稳定的正弦波，而是供电质量不断恶化，存在各种供电质量问题。例如，浪涌、电压下陷、持续低压、高压尖峰、暂态过电压、线路电噪声、频率偏移甚至市电电网供电中断。解决上述各种供电质量问题的方法，就是采用“串并联补偿式在线UPS”，而不能采用一般的UPS。尤其国防应用上，该型UPS更有其广泛的应用前景，因为雷达、通讯、航空航天各种信息及数据的重视程度非常高，对供电系统的可靠性、冗余性和系统性有着更高的要求。第二章 基于DSP的串并联UPS的总体设计方案（一）UPS逆变器控制策略1、综述公共交流电网由于各种原因通常供电质量不太好(电压波动大、电压波形畸变大、频率稳定度不够等)，所以现代UPS的一个主要作用就是要提供给负载经过逆变器调理过的高质量的正弦电压。因此，UPS逆变器的输出电压波形控制技术是长期以来又一主要研究课题。早期小功率UPS的逆变器较多的采用方波/阶梯波逆变原理，输出的电压波形质量差。含有大量的谐波，给系统滤波器选用带来很大困难，也不利于负载正常运行，为了达到输出稳定的电压的目的，通常采用平均值电压反馈技术，系统不可能有快速的输出电压响应。现代UPS大都采用PWM逆变器，PWM方式主要采用正弦脉宽调制和空间矢量调制两种，对于降低输出电压谐波、提高输出电压调节的动态性能和静态稳定度都有利。但是，由于UPS的输出阻抗不为零，在非线性负载下其输出电压波形畸变将加重，所以逆变器在非线性负载下输出电压的波形校正问题成为UPS开发上的一项关键技术。总体上来说，UPS输出电压控制所采取的方式有基于平均值电压反馈控制和瞬时值电压反馈控制两种;从控制思想上有基于线性控制理论的系统控制策略和基于非线性控制原理的系统控制策略;从实现的途径上有模拟控制和数字控制以及数模混合控制等。基于线性控制原理的平均值电压反馈控制通过合理设计电压调节器可以达到输出电压幅值的稳态无静差，但对输出电压的波形的畸变却无能为力，而且系统的动态响应很慢，不利于输出高质量电压。基于线性控制原理的瞬时值电压反馈控制采用常用的PI, PID等调节器实施容易，在UPS中得到广泛应用。但是，PI控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，因此系统的稳态精度不容易满足要求。实际系统往往在PI控制基础上增设均值反馈以保证稳态精度。基于非线性控制原理和数字控制手段的电压波形控制技术主要有滑模变结构控制、重复控制、无差拍控制等，这些控制技术必须借助于运算能力较强的单片机或数字信号处理器，是目前和今后研究开发的方向。滑模变结构控制是利用不连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模态”轨迹运动。从原理上讲，滑模变结构控制的稳定性以及系统性能对参数变化和外部扰动不敏感，具有较强的鲁棒性，这是它的主要优点。但对于实际的逆变电源系统，确定一个理想的滑模切面是很困难的。重复控制在重复信号发生器作用下，控制器实际上进行着一种逐周期的积分控制，通过对波形误差的逐周期补偿，稳态时可以实现无静差控制效果。无差拍(deadbeat)控制是在控制对象离散数学模型的基础上，通过施加精确计算的控制量来使得被调量的偏差在一个采样周期时间内得到纠正。早期的无差拍波形控制是基于阻性负载假设，负载适.应性差。现在采用扰动观测器可以实时预测负载电流，显著增强了负载适应性，是无差拍控制的一大改进。针对计算延时影响直流电压利用率的问题，可以通过双极性PWM调制方式加以一定程度的改善，或者在算法上采取特殊的补偿措施，但最切实有效的办法还是采用状态观测器将控制作用提前一拍进行。无差拍控制最显著的优势是其非同寻常的快速性，这在UPS逆变器控制中意义重大，但其最大的缺点则是对精确数学模型的依赖。另外，控制器为了达成在一个采样周期内消除误差的效果，往往采取非常剧烈的控制动作，当理想模型与实际对象有差异时，这样做不仅达不到无差拍效果，反而会引起输出电压的振荡，不利于逆变器的安全稳定运行。总之，在向非线性整流负载供电时仍能输出波形良好的正弦电压并具有快速的电压动态调整能力和稳态精度是UPS逆变器控制技术的最终目的所在。2、无差拍控制算法无差拍控制(Dead Beat Control，简称DBC)是一种全数字化的控制技术，其基本思想是将输出参数波形等间隔地划分为若干个取样周期。根据电路在每一取样周期的起始值，预测在关于取样周期中心对称的方波脉冲作用下某电路变量在取样周期末尾时的值。适当控制方波脉冲的极性与宽度，就能使输出波形与要求的参数波形重合。不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度，就能获得谐波失真小的输出。其优点是动态响应很快，易于计算机执行。无差拍控制逆变器也存在如下诸多缺点:（1）对系统参数依赖性较大；（2）鲁棒性较差；（3）瞬态响应的超调量大；（4）计算的实时性强，对硬件要求高。为克服DBC的以上种种不足，国内外学者做了一些大胆尝试。文献t4中提出了一种带负载电流观测器的DBC,假定负载电流变化率在采样间隔保持不变，用两个二阶观测器分别观测状态变量(通常为输出电压和滤波电感电流)和负载电流，提高了对不同负载性质的适应性。随着数字信号处理单片机(DSP)应用的不断普及，这是一种很有前途的控制方法。在UPS中，跟踪参考信号的控制方法是决定有源滤波器补偿质量的关键。因为，只有求得补偿信号参考值后，才能通过反馈环节和控制变流器的开关元件使变流器产生与参考信号相等的实际信号.文献表明:用基于DBC的UPS的输出可以很好地跟踪参考谐波电压信号，使负载端的电压波形接近于正弦波，这种APF即使在开关频率比较低的情况下也有着良好的动静态响应。3、重复控制算法重复控制的基本概念来源于控制理论中的内模原理，内模原理指出:系统稳定状态下无静差跟踪输入信号的前提是闭环系统稳定且包含输入信号保持器，例如，包含一阶积分环节的控制系统可以实现对阶跃指令的无静差跟踪，然而，积分环节1/s正是一个阶跃信号保持器，这是它能实现对阶跃指令无静差跟踪的根本原因。在设计一个重复控制器的过程中，必须要有一个周期信号保持器用来消除周期参考信号或者扰动引起的周期跟踪误差。这个周期信号既可以用模拟方式产生，也可以由数字方式产生。然而在实际系统中，用模拟方法产生任意波形是非常困难的，相反，通过软件控制方法可以很容易得到一个周期信号。图2-1示出了一种重复控制系统。其中，P(z)表示具有瞬时跟踪闭环反馈控制的光伏逆变器系统，S(z)和Q(z)是重复控制器的补偿环节，r(k)是参考信号，y (k)是系统输出电压，e (k)是跟踪误差，rc (k)是重复控制器补偿后的参考指令。扰动输入d (k)到跟踪误差e (k)的传函可表示为（2.1）式中:N表示一个基波周期的采样次数，对应S域中的频率响应为（2.2）图2-1 逆变重复控制框图如果d (k)的频率是基波周期的整数倍，并假定Q(z)=1且Pn(z)稳定，有（2.3）这表明重复控制器消除了频率为基波周期整数倍干扰产生的跟踪误差，从而得到了非常好的跟踪效果。当然，为了保证系统稳定，一般取Q(z)1，这样就有（2.4）式中:（j）为一很小的数。针对以上的分析，在一15kW单相全桥逆变器上进行了实验，参数如下:开关器件采用IGBT模块，滤波电感Lf=0.68mH,滤波电容Cf=50F，数字信号处理器采用TI公司的TMS320F240DSP，并采用240DSP自带双10位A/D转换器。实验结果如图2-2所示。从图2-2中可以看出，采用离散重复控制可以保证光伏逆变器在空载条件下保持稳定，在带载条件下可以明显改善系统的稳态性能，显著降低系统的稳态误差。图2-2 实验波形（二）基于DSP的串并联UPS的总体设计1、串并联UPS的电路结构美国电力转换公司(APC)己成功地将此技术应用到UPS中去，开发并向市场推出性能优越的Silcon DP300E系列在线式大功率UPS。图2-3是单相原理电路图，第二个逆变器通过电感直接与负载并连，研制者称第一个逆变器为”Delta逆变器，整个电路包括Delta逆变器，主逆变器，高频滤波器，静态旁路开关，静态主电路开关和50Hz信号发生器等环节。在对这个电路的理解方面有以下几个问题是值得注意的。（1）50Hz标准信号与输入电压同步后同时去控制两个逆变器；（2）主逆变器通过电感直接与负载并连，控制电路只反馈输出电压，是一个稳压源，保证向负载提供纯净的正弦波电压(输入电压的变化由Delta逆变器补偿掉)；（3）输入电压和输出电流的任何变化都首先反映到UPS输出端，经过主逆变器反馈并调整后表现为电池电压的变化(实际上是与电池并联的电容上的电压)；（4）Delta逆变器的控制电路反馈两个信号，一是电池电压(实际上是与电池并连的电容上的电压)，用来控制电池电压的稳定和电池充电，同时也就接受了主逆变器对输入电压和输出电流的调整的信号；（5）在电池回路中串有电感，该电感与电容组成直流低通滤波器，使在两个逆变器工作过程中的电流变化不影响电池的直流电压浮充电状态；（6）两个静态开关都是由相互反向并连的可控硅组成，但它们的工作状态却不同。旁路静态开关在市电正常时是断开的，当输出过载或者逆变器故障时，控制信号同时加到两支可控硅的控制极。而主电路静态开关在市电正常时是导通的，市电掉电时进入断开状态，使主逆变器电流不会向电网反灌。导通时两支可控硅的控制信号是按输入电压的正负半周分别加上的，因为输入电压和电流没有相差，所以市电掉电时不存在电流反灌的问题。图2-3 Silcon DP300E UPS电路(单相)原理图2、串并联UPS的工作原理高频双向变换技术，及以此技术用串并联补偿方法应用到UPS电路结构中去，可使UPS从根本上摆脱传统结构架式的固有的局限性和束缚，使这些设备的多项性能指标得到改善和突破。在各种电路结构形式的交流稳压设备中，大都用电压补偿原理来扩大输出功率，增强设备的可靠性和对各种负载的输出能力，特别是线性电压补偿应用最广泛，技术发展也快，例如大功率接触补偿式交流稳压器，大功率无触点智能补偿型稳压器，无触点感应补偿型稳压器。不过在以往的这些电路和设备中，补偿电路多在基波(50Hz)频率下工作，补偿功能也仅限于对有功功率的补偿，所以设备体积偏重而大，补偿功能单一。随着新型高性能半导体器件(诸如IGBT管)和控制专用电路的出现和应用，以及新的高频双向变换电路技术的研制成功和实用化，使得电压补偿技术更趋于完美，功能多样化，新的电路结构和系统配置己经在电力综合调节装置，大型UPS，以及交流稳压设备中得到应用，在改进这些设备的功能方面的效果是相当显著的。（1）高频双向变换器的工作原理和电压补偿功能高频双向逆变技术及将此技术用串并联的方式构成的UPS，具有有功补偿(电压补偿)，无功和谐波补偿，储能和不停电供电(UPS )等多种功能，下面讲的是这种逆变器串连应用时的工作原理和它对电压补偿实现的过程。如图2- 4所示，整个电路的串连补偿环节由一个高频双向变换器完成，变换器以PWM方式工作，其输出变压器的付边直接串连在交流供电设备的主电路中，变压器付边的高频脉冲波对输入电压切割，形成以输入电压为载波的包罗线波形，然后经高频电感电容取平均值，形成纯净的50Hz正弦波输出电压。变换器在高频状态下工作，而交流供电设备的主回路是50Hz, 50Hz的负载电流Io在每半周中对高频变换器的变压器以同方向磁化，因此在高频变换器两个开关管(RI和K2)交替通导的过程中，就形成正向激磁和反向续流两种状态，下面用四种状态来说明整个工作过程，见图2-5 (a. b. c. d)。图2-4高频双向变换器的波形图第一状态:如图2. 5 (a )所示，外电路电压Vi处于正半周，负载电流Io方向是由Vi流向负载，此时开关KI导通，逆变器电流I1由直流电源E1经开关K1流向变压器的原边，变压器处在正向激磁状态，付边电压nE1与输入电压Vi同极性(n为变压器匝比)，也与Io方向相同，此时变换器输出功率，II与IO以及EI与nE1都符合变压器匝比关系。第二状态:如图2. 5 (b)所示，外电路电压Vi仍处在正半周，负载电流Io方向是由Vi流向负载，此时令开关K1和K2都处在关闭状态，变压器付边由负载电流Io激磁，原边感应的电压是强迫二极管D2通，变压器原边电压被嵌位在E2+Vd,原边电流I1通过二极管D2向直流电源E2反充电，付边电压nE2与输入电压Vi极性相反，同时也与电流Io方向相反，付边降压，逆变器从主电路吸收功率，电流Il, I0以及电压E2+ Vd、nE2都符合匝比关系。第三状态和第四状态:此时输入电压处于负半周，负载电流是由负载流向输入端，逆变器是K2和D1交替，过程与第一、二状态相同。图2-5 高频双向变换器的工作状态图双向逆变器工作在高频状态(例如20kHz)，在交流电(50Hz)的每半周(10ms)中，都经历多次输出功率和吸收功率的过程，经电感电容取平均值后，形成如图2-6所示正弦波V,随着逆变器导通比的变化，V可大可小，可正可负，从而可实现对输入电压Vi的可正可负地连续补偿，保证输出电压的稳定。（2）高频双向变换器在串连电路中的功率因数补偿功能当供电设备的输入端是整流滤波电路结构时，必然对电网形成污染，例如传统双变换式UPS，因为第一个变换器(AC-DC)多为整流或者可控整流电路，一般这种电路的输入功率因数只能达到0.8左右，而输入电流谐波高达25-30%，改为十二相整流并加强滤波措施后，也仅能略低于10% 。输入功率因数低，意味着输入无功电流大，输入谐波电流则干扰破坏电网。特别是大功率UPS，这两项指标的危害很大，形成所谓的电力公害，使由同一电网供电的变压器、电动机、电容器等产生附加谐波损耗、过热、加速绝缘材料的老化;引起异步电机转矩降低、振动加剧，噪声增大;引起继电器和自动装置误动作;高次谐波对通讯线路测量仪器产生干扰;影响电能计量的精度等。图2-6 高频双向变换器的波形图所以，传统双变换在线式UPS应把改善输入功率因数和减小输入电流谐波做为技术进步的重要项目之一，现己有不少厂家用功率因数校正技术改造AC- DC逆变器和UPS，可使输入功率因数提高到0. 99，如图2-7所示。其基本原理是控制电路强制输入电流跟踪输入电压实现正弦化，并与输入电压同步。此电路的特点与功能是:a、采用升压开关电路(Boost)；b、输入功率因数补偿效果理想，可达到0. 99 ；c、可稳定输出直流电压；d、功率强度为100%负载功率，做大功率有困难。将高频双向逆变器串连在50Hz交流主电路中，同样有非常理想的功率因数校正功能，我们把图2-5和图2-7所示电路等效到变压器的付边，如图2-8所示:图中:n:变压器匝数比;Ec:电池电压El和E2; K图2-5中的开关管K1和K2,输入正半周时K1工作，负半周K2工作;D:图2-5中的二极管D1和D2,输入正半周时D2工作，负半周Dl工作;Vi +nEc:逆变器输出功率时加在电感L前端的电压，电感电流在电压(Vi + nEc - Vo)的作用下增加;Vi -nEc:逆变器吸收功率时加在电感乙前端的电压，电感在电压(Vo-Vi + nEc)的作用下续流;Vo反馈给主逆变器，经过主逆变器调整与电池并连的电容的电压，然后反馈给Delta逆变器的控制电路;PFC控制:Delta逆变器的控制电路，反馈信号包括输入电压、输出电压(经主逆变器转换)、主回路电流(见图2-6 );图2-7 功率因数校正技术的一种电路图图2-8 理想的功率因数校正技术电路图图2-8所示电路的特点与功能是:a、采用降压开关电路(Buck);b、输入功率因数补偿效果理想，可达到0. 99;c、可稳定直流电压Ec，通过主逆变器的调整，实际上是补偿输入与输出之间的电压差，达到稳定输出交流电压的目的;d、因为功率因数补偿环节以补偿的形式串在主电路中，它的功率强度只有UPS输出功率的20%(假定输入电压变化范围是士15%)，所以它可以很轻意地实现大功率的功率因数补偿。（3）性能更优越的在线式UPS用高频变换串并连补偿电路技术做成的Silcon DP300E UPS保留了传统双变换在线式UPS的所有高性能指标，而克服了传统双变换在线式UPS在对电网污染和输出能力方面的固有缺点，使其多项电性能指标得到改善和突破。a、保留了传统双变换在线式UPS的所有高性能指标，诸如输出电压稳定精度、负载动态响应、输出波形失真度、三相电压不平衡度。三相负载不平衡能力。频率跟踪能力和频率稳定度.抗干扰能力等指标，都可与传统双变换在线式UPS相媲美。b、解决了传统双变换在线式UPS对电网的污染公害Silcon DP300EUPS的Delta逆变器是一个正弦波电流源，相当于市电电网与负载之间的一个谐波隔离器，当负载有无功电流和高次谐波成份时，它可以全部隔离掉(实际是由主逆变器补偿掉)，使输入电流是与输入电压波形相同的正弦波，并与输入电压同相，输入功率因数为0.99，谐波成份3)的负载时，疲惫的逆变器就很难再有多余的力量去承担了。而Silcon DP300E UPS在市电存在情况下(是UPS的主要工作状态)的两个逆变器的最大功率强度仅为负载功率的20%，不仅整机效率高(96%)，功率器件损耗小，寿命长，可靠性高，而且，它有足够的功率余量去应付特殊的负载 (冲击负载，瞬间过载等)。下表2-2是在有市电情况下两种UPS逆变器功率强度的比较，由于逆变器功率强度的不同，就使得Silcon DP300E UPS在工作效率和输出能力方面的多项指标得到改善，突破了传统双变换在线式UPS的局限，下表2-3是Silcom DP300E在线式UPS与传统双变换在线式UPS在对电网污染和输出能力两个方面的性能比较。从上表可知，由于Silcon DP300E UPS的两个逆变器最大只承担负载功率的20%(假定输入电压范围是士15%)，所以整机效率大大提高，可达96%以上，而传统双变换UPS两个逆变器要承担100%的负载功率，在输入不加功率因数补偿环节的情况下，整机效率也仅能达到92%。效率高不仅仅是节省能源，更重要的是逆变器功率器件发热量小，损坏率低，寿命长，因此整机可靠性必然高在输出能力方面，两者表现出明显的差别，传统双变换UPS对负载提出了比较苛刻的限制，诸如过载量，负载电流峰值系数，负载电流浪涌系数(主要是启动负载时)，负载功率因数等，限制就意味着能力的不足。而SilconDP300E的两个逆变器最大只承担20%的负载功率，逆变器功率余量大，所以输出能力显然比传统双变换强大很多，过载能力可达200% 1分钟(传统双变换为150%1分钟)，负载电流峰值系数5:1(传统双变换为3:1)，对负载电流浪涌系数没有严格限制，可直接启动负载，在线性负载情况下，输出的KW值等于标定的KVA值等。表2-1 各种结构形式的UPS对电网的公害表2-2两种UPS逆变器功率强度的比较表2-3 Silcom DP300E在线式UPS与传统双变换在线式UPS的比较3、串并联UPS的总电路设计如图2-9。（1）利用TMS320LF2407构成的电路系统，具有所需外围电路少。控制电路简单。控制手段灵活，易调试，易维护，易升级等特点。在第二章“串并联UPS的电路结构及工作原理”的第二部分，我们己介绍了美国APC (Si1con)公司的串并联结构产品DP300E系列，但其核心部分控制部分，采用以单片机做为MPU，仅限于完成诸如逻辑控制，系统运行数据纪录以及通信和显示，其余诸如高频功率交换等控制仍依赖于运算放大器电路。而采用以TMS320LF2407为核心的电路原理图如图2-l0。图2-9 DSP控制UPS的解决方案图2-10 串并联UPS电路原理图（2）从该图可知，该UPS主要包括以下几个部分:a、变压器；b、逆变器；c、主逆变器；d、DSPTMS320F2407目标板、蓄电池、静态开关，高频滤波器等其。（3）各部分主要功能a、逆变器通过变压器串联在主电路中，主要作用如下：对电网电压的变化和电压谐波进行补偿，输入电压高时，吸收功率形成电压补偿，输入电压低时，输出功率形成正补偿;本身工作在电流源状态，把负载电流中的无功和谐波成分滤掉(实际上由主逆变器补偿掉)，使输入电流谐波3%，是一个输入功率因数趋近于一的理想的有源滤波器。b、主逆变器并联在UPS输出侧，主要作用如下：市电故障时，100%负载功率由主逆变器提供:当市电正常时，与逆变器一起完成对输入电压的补偿，以稳定输出电压，保证向负载提供纯净的正弦波电压；在逆变器的控制下，由主逆变器完成对电池的充电;当负载存在无功和谐波电流时，由主逆变器提供无功和谐波电流的补偿，保证负载端的电流谐波成份不传送到输入端。c、DSP芯片是UPS的核心，其主要作用如下:控制上述两个逆变器以实现其作用。包括矫正和调整供给给两个逆变的直流电压，产生PWM波，控制电池充电等，见图2-11；监控输入/输出电流/电压；控制静态开关的启闭；控制其余外设，如显示部分，远程监控部分，UPS故障诊断等。d、整机性能指标(见表2-4 )图2-11 DSP与逆变驱动模块的连接图表2-4串并联UPS的性能指标第三章 基于DSP的串并联UPS的硬件设计（一）DSP概述UPS的核心是控制部分，其控制策略经历了从模拟电路、数字电路、MCU主要指单片机)到DSP的早期应用阶段(DSP协同MPU)。这些策略存在或者分立器件太多.或者运算速度慢、或者精度低等缺陷。而DSP同MCU相比具有以下特点：1、DSP的速度比MCU快，主频较高。是运算密集型的微处理器，这使得DSP完成滤波器和FFT算法比一般的事务型处理器快的多;2、采用改进的哈佛结构，具有独立的数据和地址总线，从而使得处理器指令和数据并行，与冯诺伊曼的结构相比，大大提高了处理效率；3、DSP适合于数据处理，数据处理的指令效率较高;4、DSP均为16位以上的处理器，不适合于低档的场合;5、DSP可以同时处理的事件较多，系统级成本有可能较低;6、DSP的灵活性较好，大多数算法都可以软件实现;7、DSP的集成度较高，可靠性较好。（二）DSP硬件系统设计在DSP长期的发展和设计实践中，业界已形成一套行之有效的设计步骤，分以下七层：其中IC指芯片选型，因为DSPs芯片厂家众多，且同一厂家又有很多型号，这些不同厂家、同一厂家的不同型号之间，引脚的数量、排列、功能、内嵌函数等又各不相同，所以，根据所处理对象的具体要求、特点，选择合适的芯片类型是第一步;Hard Ware Platform即指开发工具，包括仿真器、目标板，前者是软件编辑、编译以及软件仿真的工具，后者是硬件仿真的工具，此外，还有Debugger调试软件。这两步是本文重点涉及的部分。BIOS基本输入输出系统，OS操作系统，Function函数，API用户接口，System系统，这些步骤均包含两层意思，第一，DSPs芯片本身包含的这五个方面内容;第二，拥护根据设计要求要具体补充这些方面的内容。这五步多用在大型、综合性项目设计中，例如CPU等，在本项目中不涉及。1、芯片选型随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，数字信号处理(DSP)技术己经渗透到几乎各个领域，包括计算机语音学.计算机视觉.计算机多媒体技术.超文本数据传输等各个领域，而用于进行数字信号处理的专用DSP芯片的性能价格比也在惊人地增加。目前DSP的主要生产厂家有Analog Devices, Inc.公司、Texas Instruments公司、AT&T, Motorala公司、NEC公司等，而笔者认为在诸多DSP生产厂家中，TI公司和ADI公司是比较突出的，他们将以其产品的独特性而成为DSP芯片市场的主要领导者之一。从事DSP研究和设计的工程师在工作中面临的主要问题就是如何选用DSP芯片。这既需要对具体产品规格有清楚的了解，又需要对各种DSP芯片的性能和特长有比较全面的了解，才能选用适合于特定任务的芯片。在很多情况下，DSP处理器的特性主要由其MIPS速度来描述，但由于一种DSP器件的指令并不一定等同于另一种DSP器件，因此仅考虑M工PS常常会导致不正确的结论。与DSP器件能力有关的其它一些结构及其性能要求，如运算、寻址、程序定序和I/Q吞吐能力等，往往会更重要。（1）数字信号处理的算法的特点：a、信号处理以算术运算为主。比如数字滤波器以Z变换为基础，其差分方程完全可以用算术运算来实现;又如FFT算法中除指数运算可用速查表外，其余运算全为乘法和加法。b、号处理算法运算量大，要求速度快。不论是一维的语音信号，还是二维的图象信号，一般地算法的运算量都很大，且算法的实现都必须实时。c、号处理算法常具有某些特定模式。比较典型的有卷积运算中的乘积以及数字滤波器中的连续递推移位。d、号处理要求专门的接口。一个非常重要的接口是把模拟信号与数字信号相互转换的ADC和DAC，另外大量的数据交换需要有高速的数据吞吐能力。（2）数字信号处理的特点要求DSP芯片必须是专门设计的。DSP芯片的设计必须满足数字信号处理的这样一些要求:a、快速灵活的运算:单周期;允许任意计算次序。b、乘/累加的动态扩展范围:保证卷积