（电力电子与电力传动专业论文）三相应急电源的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着时代的进步，社会发展越来越信息化、现代化，电子信息系统的应用领 域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系 日益密切，人们的生活也越来越依赖于电，突然的断电会给人们正常的生活秩序 造成破坏，尤其对于生产，生活中的一些重要负载，一旦事故中断供电，将会造 成重大经济损失。然而，电力故障突发性强，不以人们的意志为转移，现代网络 技术和信息产业的越是高速发展，供电中断带来的损失也就变得越严重，对后备 电源的需求还将会进一步扩大。 早期的后备电源一般采用柴油( 或汽油) 发电机一电动机一发电机组来实现 电能变换的。随着可控硅( 晶闸管) 制造工艺的完善、质量的提高和价格的降低， 便开始出现了用可控硅作为功率变换主要元件的可控硅后备电源装置。但可控硅 是一种没有自关断能力的器件，而逆变器是以直流电源为输入能源，因此就必须 给每只可控硅设计一套由电容和电感等元件组成的换向单元电路，这使得整个不 问断供电系统很庞大而且笨重。到了8 0 年代，利用具有可控关断能力的功率晶 体管来替换可控硅来作逆变器的开关器件，这样就省去了换向电路，减小系统体 积，提高功率变换的效率，改善了动态性能，也提高了可靠性。近年来，随着功 率半导体器件的迅速发展，各种高频化全控型器件不断问世，如功率场效应管 ( m o s f e t ) 、绝缘门极晶体管( i g b t ) ，m o s 控制的晶闸管 x 浙江大学硕士学位论文 本章主要简要介绍了应急电源( e p s ) 的特点，与柴油发电机组和u p s 相对比 的优缺点，并在与传统e p s 电路相比的基础上提出了一个新的e p s 电路拓扑，此 外还简单介绍了应急电源的数字控制技术。 1 1 后备电源概述 在今后相当长的一段时间里，我国市电电网供电不足，电压波动大，甚至经 常断电的局面仍将存在。而各行业、各领域的快速发展对供电质量提出了越来越 高的要求。因此，各有一台后备电源在许多场合是十分必要的。常用的后备电源 有下列几种：柴油发电机组；不间断电源( u p s ) ；应急电源( e p s ) 。 l 柴油发电机组 柴油发电机组目前己为大部分工程所采用。柴油发电机的容量较大，可并机 运行且连续供电时间长，至今已经有五、六十年的历史了。柴油发动机作为传统 的备用应急电源，广泛应用于宾馆、饭店，及其它重要负荷的供电场所。虽然目 前大部分已建工程采用这种方式作为一级符合( 包括特别重要负荷) 的第二或第 三电源，然而，随着供电电网的好转，停电次数和断电时间已经明显地减少和缩 短，特别是随着环保和消防要求的提高，这种传统的做法也暴露出许多弊病，主 要有3 ： ( 1 ) 柴油发电机噪音大，产生公害； ( 2 ) 排烟中有大量的二氧化硫，污染大气，严重影响环保： ( 3 ) 在高层建筑中，柴油发电机组一般放在地下室，造价高，进风、 冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑； ( 4 ) 日常维护必须到位，维护成本高： ( 5 ) 存在火灾隐患。因为油罐象个极为危险的“炸弹”，万一失火，后 果难以设想： ( 6 ) 启动时间较长。 2 不间断电源( u p s ) u p s 是英文u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y 的缩写，即不间断电源，人们 习惯将其简称为u p s 。u p s 不仅仅是一个备用电源，它还具备电力净化的功能。随 着计算机、各种办公设备、精密电子仪器的普及，u p s 得到了广泛的应用。没有 电就没有一切，u p s 作为不可或缺的电力保障和净化设备已为广大用户认可，连 2 浙江大学硕士学位论文 供电质量较佳的欧美、日本等国家都将u p s 视为标准设备“3 。 u p s 的主要功能可以归纳为五个方面： ( 1 ) 双路电源之间的瞬时无间断相互切换功能： ( 2 ) 隔离功能； ( 3 ) 电压变换功能； ( 4 ) 频率变换功能： ( 5 ) 后备功能。 综上所述，u p s 既可保证对负载供电的连续性，又可保证给负载供电的质量。 3 应急电源( e p s ) e p s ( e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ) 全称应急电源供电系统。是应用i g b t 逆变 技术，以c p u 控制，采用高电子集成整体模块化结构的强弱电一体化系统。它在 紧急的情况作为重要负荷的第二或第三电源供给，可望成为不少场合的u p s 、柴 油发电机组的替代产品“”。 e p s 有如下一些特点： ( 1 ) 采用i g b t 逆变技术、p 嘲脉宽调制技术、c p u 控制技术。技术先进，自动 切换，无人值守： ( 2 ) 非应急时基本不耗电，高度节能。正弦波供电，稳压、稳频，无噪音、 无公害； ( 3 ) 多合一结构，设计整体化为单个屏、箱、柜。安装方便综合造价低，性 价比高，寿命长达2 0 年以上； ( 4 ) 工程设计不需更改主接线，即可替代原有产品实施。无需消嗓、排烟、 消防的附加要求，占地极少。 e p s 的应用范围广泛。主要适用于： ( 1 ) 高层建筑的电梯、中央空调、消防水泵及风机及应急照明； ( 2 ) 金融证券监控、金融设施、数据及钞券验析，金库保护等特殊用电； ( 3 ) 军用雷达、移动电站、人防、消防、安防及通讯、广播的连续供电； ( 4 ) 医院、手术、科研、实验、超市、商场人员集中地的供电； ( 5 ) 工厂、企业的中央控制室，关键运转设备的供电。 e p s 和u p s 相比有很多共同点：他们都采用了i g b t 逆变技术和脉宽调 x 浙江大学硕士学位论文 术；他们的启动时间都很短；他们都环保、无污染。但是由于e p s 要求的中断时 间( 一般为几十毫秒) 比u p s 中断时间( 一般为几毫秒) 要长，因此e p s 的成本比 u p s 低。 综上所述，e p s 可以作为一种可靠的绿色应急供电电源，它尤其适用于当 没有第二路市电，又不便于使用柴油发电机组的场合，既可以采用类同于柴油发 电机组的配电方案，也适用于一些工程在局部重要场合作为末端应急备用电源。 随着社会的进步和发展，环境要求的不断提高，e p s 以其特有的优越性越来 越被人们认识和采用，它可以灵活地运用在消防供电回路末端、个别重要场合等。 e p s 的出现，使得在选择应急电源上，不再只局限于柴油发电机组和u p s 。人们 可以根据这三者各自不同的特点分别应用于不同的工程，这将为整个社会的安全 提供更有利的保障。 1 3 本文研究的新型e p s 的特点 本文提出了一种新型的三相应急电源电路。由于e p s 常应用在消防、照明等 大功率场合，因此，研究应用于大功率负荷或系统中应急供电的三相应急电源， 有重要意义，具有很大的社会和经济效益。 1 3 1 传统e p s 电路的局限性 由于应急电源e p s 是由后备式u p s 电路发展而来的，因此传统的e p s 电路与 后备式u p s 电路非常相像，如图卜1 所示，工作原理是：( 1 ) 当市电正常时，e p s 工作在旁路工作状态，市电向负载供电，同时市电通过整流电路向蓄电池充电。 ( 2 ) 当市电出现故障( 无市电，市电电压过高或过低) 时，转换开关切换到逆变器 输出端，e p s 工作在逆变状态，由蓄电池经逆变器转换成交流电给负载供电。 市 输 图卜1 传统e p s 电路 4 浙江火学硕士学位论义 在向蓄电池充电时，传统e p s 电路常常采用三相不控整流的方式。采用不控 整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染，而直流侧能 量无法回馈电网等缺点。为了消除谐波并提高功率因数，一般在整流桥后还要设 计一级p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 电路。 而且，出于降低成本方面的考虑，常常需要尽量减少蓄电池的个数。这样又 需要为蓄电池设计专门的充电和放电电路。充电电路要将市电整流后较高的直流 电压降低到较低的蓄电池充电电压：而放电电路又要将较低的蓄电池电压升高到 较高的逆变器所需的直流端压。 因此，传统的e p s 一般要设计不控整流一 p f c 一 充电一 蓄电池一 放电一 逆变器 这样一系列电路，结构相当复杂，控制也比较繁琐。 1 3 2 新型的三相应急电源电路 针对传统e p s 电路的缺点，我们研究了一种新型的e p s 电路。 与一般采用单向拓扑的e p s 电路不同，主电路均采用双向拓扑，其原理框图 如图卜2 所示。其工作原理是：( 1 ) 当电网正常时，市电输入电压一路直接向负 载供电，一路经双向p w m 变流器全控整流后再由双向d c d c 电路降压，给蓄电池充 电。( 2 ) 当电网出现故障时，静态开关关断，切断负载与电网的连接，蓄电池经 双向d c d c 电路升压后，由双向p w m 变流器逆变将直流电压转化成三相交流电压， 供给负载。 图卜2 系统原理框图 可见，双向p w m 变流器，既可以实现市电f 常时的整流和功率因数校f ，也 可以实现市电故障时的逆变；双向d c d c 电路，即可以实现在市电正常时的降压 5 浙江大学硕i ：学位论文 i 4 数字控制技术 1 4 1 数字控制与模拟控制 电路的控制过程就是对信号的过滤和优化，以得到我们需要的特征。为了实 现这个目的，我们就要建立输入信号到输出信号之间的传递函数，其实现方法有 两种：模拟方式和数字方式。模拟方式是采用电阻、电容、运算放大器等模拟器 件来实现对输入信号的滤波、控制调节得到理想输出信号的功能，而数字方式是 先将输入模拟信号通过a d ( 模拟数字) 转化变为数字信号，再通过数字的加、 减、乘、除运算来实现滤波、控制调节而得到理想的输出信号。 传统的电路大多采用模拟控制方式，虽然经过多年的研究、试验和模拟器件 制造和集成工艺的改进，模拟控制技术已经非常成熟，但它存在如下一些难以克 服的缺点： l 需要大量的元器件，大面积的电路板。 2 元器件多引起功耗大，电路总效率下降。 3 因为采用模拟器件，容易受外界条件如温度，噪声的影响，精度低。 4 易老化，寿命短。 5 受器件数量和精度的影响难以实现复杂的运算和先进控制技术的推广。 为了克服以上缺点，改善电路性能，微处理器在电力电子中开始使用。通过 a d 转换器将微处理器和系统电路相连，在微处理器中通过数字运算得到控制信 号，然后通过i o ( 输入输出) 口或p w m ( 脉宽调制) 口将控制信号输出“。微处 理器的出现和使用克服了很多模拟器件控制的缺点，因此在电力电子领域被广泛 使用，特别是对于一些复杂系统和要求较高的电路，微处理器更是成为主要的控 制器件。以下就是采用微处理器控制相对于模拟器件控制的一些优点： l 因为微处理器的芯片可以代替大量模拟器件，因此电路元件少，面积小。 2 因为减少大量的模拟器件，电路功耗降低。 3 不易老化，不易受外界影响，抗干扰性强。 4 可以轻易实现高密度复杂运算，容易实现新的控制方法，如模糊控制、滑 模控制，自适应控制等，大大提高系统性能。 从上面的叙述可以看出，数字控制相对于模拟控制有很多优点，因此现在数 字控制越来越广泛的使用。但是因为一些高性能的微处理器价格相对昂贵，所以 7 浙江人学硕 。学位论文 它在一些小功率，低成本系统中的使用受到一定限制。 目前，数字信号处理器( d s p ) 因为功能完备，可实现复杂运算，速度快， 精度高同时具备适用于电机控制的p 嘲输出而在微处理器领域中异军突起。现在 d s p 芯片已经广泛应用于自动控制、图像处理、通信技术、网络设备、仪器仪表 和家电等领域。d s p 为数字信号处理提供了高效、可靠的硬件基础。 1 4 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 芯片是t i ( 德州仪器) 公司的新成员，它是在t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的一种定点d s p 芯片。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 为我们提供了完整的数字控 制解决方案，设计了工业级性能的d s p 芯片，提供了很多实用代码，这些都极大 的推动了数字控制的革命。它具有完美的性能并综合最佳的外设接口，集成了闪 存、高速a d 转换器、高性能的c a n 模块等。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是德州一起公司专门面向交流电机调速、电力电子设备控制 应用的新一代的十六位定点d s p 。它以其优良的性能和相对便宜的价格在j 下弦波 逆变电源、变频器以及u p s 等领域得到了广泛的应用。其特点如下： ( 1 ) 由于采用了高性能的静态c m o s 制造技术，因此浚d s p 具有低功耗和高速 度的特点。工作电压为3 3 v ，有4 种低功耗工作方式。单指令周期最短为2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，最高运算速度可达4 0 m i p s ，四级指令执行流水线。低功耗有利于电 池供电的应用场合；而高速度非常适用于电动机的实时控制。 ( 2 ) 由于采用了t m s 3 2 0 c 2 x xd s pc p u 的内核，因此不但同t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列 d s p 一样拥有丰富的指令系统，同时支持汇编语言指令和c 语言指令；还保证了 与t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 的代码兼容。 ( 3 ) 片内集成了3 2 k 字节的f l a s h 程序存储器、2 k 字节的单口r a m 、5 4 4 字 节的双口r a m 。因而使该芯片可用于产品开发。可编程的密码保护能够充分地维 护用户的知识产权。 ( 4 ) 提供外扩展6 4 k 字节程序存储器、6 4 k 字节数据存储器、6 4 k 字节i o 的能力 8 浙江大学坝l 学位论文 ( 5 ) 有两个专用于电机和电力电子装置控制的事件管理器( e v ) ，它包含产生 p w m 波形的多种硬件资源：2 个1 6 位的通用定时器；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 输出通道：1 个能够快速封锁输出的外部引脚尸z 垆，7 x ( 其状态可从c o m c o n x 寄存器获得) ；可防止上下桥臂直通的可编程死区功能；3 个捕捉单元；1 个增量 式光电位置编码器接口。以上功能 使得它非常适合于工业马达控制， 其高速强大的计算能力以及丰富的 外围部件，也使得其在逆变器、有 源滤波器、p f c 和d c d c 变换器等 方面极具应用前景。 ( 6 ) 可编程的看门狗定时器，保 证程序运行的安全性。 ( 7 ) 1 6 通道1 0 位a d 转换器， 具有可编程自动排序功能，4 个启 动a d 转换的触发源，最快a d 转 换时间为3 7 5 n s 。 ( 8 ) 控制局域网( c a n ) 2 o b 模 块。 ( 9 ) 串行接口s p i 和s c i 模块。 ( 1 0 ) 基于锁相环的时钟发生器 ( p l l ) 。 d a & mi e d o ) l 2 5 6w o r c l “”“ s y s t e md r m ( b 1 l 2 s 6 w o 嘣i d a r mt e o 州1 0 - 叫t a 口c 啦w o r d s c z x xr l s h l o 哺 c p u1 6 k w o 州 s a e s t e r n a l 搴纠 m o m o r yi l l l r f a c e w d ，t i o j g l t a l1 1 0 ( s n a r * aw “h e v mm 期g r o t p i s r p i n $ l p o f ta 1 0 p a x p o r te - i o p e x 4x c p t u r l 砸 p o r lc - 1 0 p c x c o m p i p w m o ；xg pi l h l l l r l ，p w m j t a gp o r t ( 1 1 ) 4 1 个通用i o 引脚。 图1 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 总体框图 ( 1 2 ) 3 2 位累加器和3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) ；1 6 x1 6 位并行乘法器， 可以实现单指令周期乘法算法：5 个外部中断。 ( 1 3 ) 1 1 4 9 1 1 9 9 0i e e e 标准的j t a g 仿真接口。 ( 1 4 ) 很宽的工作温度范围，普通级：- 4 0 8 5 。c ；特殊级：一4 0 1 2 5 。c 。 如图1 4 是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的机构图。 由上述特点可见，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是一种面向控制的专用d s p 芯片，充分利用 其运算功能强大、算法先进、编程灵活等特点，符合本e p s 电源系统的要求汹，。 9 浙江大学碳士学位论文 第二章三相应急电源的结构和工作原理 三相应急电源根据电网状况的不同工作于两种模式，结构如图2 1 所示： 在电网正常的时候，电网通过静态开关一路直接向负载供电，另一路经双向p w m 变流器全控整流后再由双向d c d c 电路降压，给蓄电池充电。与此同时，通过适 当控制双向p w m 变流器由网侧取得一定的有功能量提供给蓄电池充电电路：当电 网出现故障时，静态开关关断，切断负载与电网的连接，此时蓄电池通过双向 d c d c 电路升压后，经双向p w m 变流器逆变将直流电压转化成交流电压，为负载 提供稳定的三相交流电源。 蓄 图2 一l 三相应急电源结构 图2 2 和图2 3 是图2 1 的简化图，通过这两个简化图我们可以更 清楚的理解三相e p s 的工作原理。 图2 2 三相应急电源工作原理图 1 0 浙江大学硕士学位论文 市电 图2 3 三相应急电源工作原理简图 2 1 双向d c d c 变流器的结构和工作原理 双向d c d c 变流器由直流端稳压电容c d ，滤波电感l ，i b g t 双管t 7 、t 8 及续流二极管d 7 、d 8 及蓄电池组组成，如图2 2 所示。 图2 2 双向d c b c 交流器电路 该双向d c d c 电路有两种工作模式：升压模式和降压模式。接下来详细介绍 它分别在两种状态下的工作原理。 当电网出现故障时，蓄电池放电，双向d c d c 电路工作在升压模式。该升压 电路由电感l ，i g b tt 8 和续流二极管d 7 组成，如图2 3 所示。在升压模式下， 双向d c d c 电路有两种工作状态： 一l 一 工t 7 广勺ic 墨 jrtn - 7 r、r 苔电池 图2 - 3 双向d c d c 电路的升压模式 浙江大学碳j 岸位论义 工作状态l ：当t 8 导通时，蓄电池电压加到储能电感l 的两端，二极管d 7 处于反偏截止状态，电流通过储能电感l 将电能转换成磁能存在储能电感l 中。 同时，提供给负载的电能由滤波电容c d 放电来供给。其等效电路如图2 4 ( a ) 所 不。 工作状态2 ：当t 8 截止时，储能电感两端的电匾极性颠倒，二极管变为正 偏，为储能电感l 和蓄电池串联放电提供通路，电流流经二极管至负载和滤波电 容c d 。这样储能电感l 和蓄电池就一起向负载和滤波电容c d 提供能量。其等效 电路如图2 - 4 ( b ) 所示。 蓄桃 ：i ：蕞 h l 一一j b ：! = ； f l - - ic 1 i j 秘：。 ( a ) ( b ) ( a ) i g b t 导通时的等效电路( b ) i g b t 关断时的等效电路 图2 4 双向d c d c 电路工作在升压模式工作原理图 当电网正常时，电网给蓄电池充电，双向d c d c 电路工作在降压模式。陔降 压电路由电感l ，i g b tt 7 和续流二极管d 8 组成，如图2 5 所示。在降压模式下， 双向d c d c 电路有两种工作状态： 越f d ：三： ：j 一上- r - 勺气 已4土。 r。、了。 h d c 图2 5 双向d c d c 电路的降压模式 工作状态1 ：当t 7 导通时，二极管d 8 处于反偏截止状态，电流通过储能电 感l 向蓄电池供电，电流通过储能电感l 将电能转换成磁能存在储能电感l 中。 其等效电路如图2 - 6 ( a ) 所示。 1 2 浙江大学硬士学位论文 工作状态2 ：当t 8 截止时，由于储能电感的电流不能突变，所以在它的两端 便感应出一个与原来极性相反的自感电势，使续流二极管导通。此时储能电感l 便把原先储存的磁能转换成电能供给蓄电池。其等效电路如图2 - 6 ( b ) 所示。 警籍珥 q i ；e i 氧弱鸣 民 1 - + ( a )( b ) ( a ) i g b t 导通时的等效电路( b ) i g b t 关断时的等效电路 图2 6 双向d c d c 电路工作在降压压模式工作原理图 2 2 双向p 咖交流器的结构和工作原理 双向p w m 变流器工作在两种状态：当电网正常时，作为全控整流器整流出直 流电压降压后给蓄电池组充电；当电网出现故障时，作为逆变器把蓄电池组升压 后的电源逆变成工频三相交流电提供给负载。接下来详细介绍这两种状态的工作 原理。 2 2 ip 咖逆变器 当电网发生故障时，蓄电池通过双向d c d c 电路升压放电，这时，双向p w m 变流器工作在逆变器状态，将直流电压变换成交流电压再经过l p 、c p 组成的低 通滤波器向负载提供稳定的三相正弦电源，如图2 7 所示。 1 3 浙江丈学硕士学位论文 逆变番 - 。- i - 图2 - 7 双向p w m 变流器工作在逆变器状态 图2 7 所示的逆变器实际上是一个电压型的三相逆变器。其负载选用星形连 接，其中点为0 ，直流电源侧假想的中点为0 。这种逆变器由于串联了两个相同 容量的大电容，因此可以使中点电位不漂移，因而具有较强的带不平衡负载的能 力。 三相逆变电路采用s p w m 调制方式，即三相逆变器中的三相输出桥臂的控制 信号由三角载波和正弦波调制波相比较给出。每个桥臂上下两个开关管的触发脉 冲时间互补，并且对于三个逆变桥臂采用相同的三角载波与各自不同的正弦调制 波进行比较。如图2 - 8 所示。“。 1 4 浙江大学硕士学位论文 ( b ) ( c ) ( d ) 图2 - 8 三相s p 聊v l 逆变电路的工作波形 载波信号为对称的三角波，如图2 - 8 ( a ) _ | ；吁示，其幅值为，频率为 ；调 制信号为三相正弦波“。，和“。，按图选坐标有： “s d = u s i n 国f = s i n ( 国卜；石) = u g ms i n ( f + 詈石) 式中：u 。为调制波峰值 1 5 啊彬即即即彬 新江大学硕士学位论文 6 o = 2 z r f ，为逆变器输出电压频率。 由图可见，频率比k 为： k ：丘：三 ，i 调制比j ) ) 为： ，”：u g m u 删， 根据三角波以和调制波“。的交点，可以决定备相控制脉冲时序，如图2 - - 8 ( b ) 所示。由图可见，各脉冲时序有如下特点： ( 1 ) 各相上下桥臂控制脉冲在相位上互补； ( 2 ) 任何时刻，有三个控制脉冲处于高位，其他则处于低位： ( 3 ) 控制脉冲的宽度受控于m 值。 在s p w m 逆变电路中k 应选为奇数值，使得输出波形具有奇函数对称和半波 对称的性质，因此输出电压中只有奇次谐波，富氏级数中仅包含正弦项。而在三 相电路中k 值可按下式选择 k = 6 v 一3 式中为正奇数，于是k 也为正奇数，且是3 的倍数。当k 为正奇数时，输出 电压谐波将聚集在以k ( 及其整数倍) 次谐波为中心所形成的双边频带上。这样， 例如在考察甜g 。和“g 占的k 次谐波时，其相位差为k 1 2 0 。，若k 为3 的整数倍， 则该相位差为零( 或者3 6 0 。的整数倍) ，结果就是线电压“。中无x 次( 及其整 数倍) 谐波。这对提高输出电压的正弦度和减少t h 9 大有好处。在实际应用中， 为了得到更好的电路性能，k 值一般取的很大，k 值的大小要结合电路选用的功 率器件的开关性能和控制器件的性能来选取。 2 2 2p 硼整流器 当电网恢复正常时，市电一路向负载直接供电，另一路通过双向p w m 变流器 整流成直流电压，再通过双向d c d c 电路降压电路向蓄电池充电。这时，双向 p l 】；f m 交流器工作在整流器状态，将交流电压变换成直流电压，并且通过一定的控 1 6 浙江人学坝十学位论义 电压一个角度。该角可定义为： ：删露挞鬟 ： 拄“ 型蒜萎。 酒嶙删群蘩哐轰娶堕二嚣 能瞬圜调节遵奕； 羹确璃钎。简硅渤窒霉； 到。鬟；翼 零霉c 幽魏鹭鸶鞘； 小。雾 羹j 捐畦她脏样釜；簖彭盏写蠹治满芰勤髟鹳确偏矧砰聪鞴葫百雷! 亚鲫 一l ； 篇嚣。崧翁裂措。嶷增瑶鸶篇鉴军& 莉崧j ：；并强布暑吴西带镣蔹商掣雀堤麒塑净! ；i 动 态特性仍不够好，另外，系统的稳定 性设计也比较困难。如果想进一步提高系统静态和动态特性，需要采用增加电流 环控制模式的逆变器控制技术。 电流内环控制是在电压单环基础上发展而来的，它属于多环控制策略。电流 内环反馈控制的参考电流为电压外环控制的误差输出。一般有三种典型的电流模 式控制技术“”：电流峰值控制，电流滞环控制和平均电流控制。电流峰值控制方 法简单，易于实现，但是在高频状态下与平均值之间的误差难以控制，以至于使 t m 很大，无法满足较高的要求，另外峰值对噪声很敏感，这也会造成精确控制 比较困难。电流滞环模式控制实现起来比较简单，无需建立精确的主电路模型， 稳定性好，但是也有明显的缺陷：开关频率不固定，当主电路参数及负载参数变 化时，开关频率会随之改变，由于开关频率变化较大，造成滤波器的体积和重量 比较大。针对这个缺点，出现了很多恒频的滞环控制，但是实现超来较复杂。平 均电流控制由于具有较高的增益和带宽，跟踪误差产生的误差可小于l ，容易 实现接近于i 的功率因数。如图3 3 所示，采用平均电流和电压双环控制的控制 框图。s p w m 电流模式控制通过将电流环的误差输出与三角波载波相比较，得到 开关信号。这种方法控制简单，不仅能得到恒定的开关频率，还有好的动态响应。 浙江大学硕士学位论文 第三章p 删变流器的控制方法 本文研究的双向p 嘲变流器分为两部分：电网正常时作为全控整流器，电网 故障时作为逆变器，但是全控整流器的控制方法和逆变器的控制方法是相似的， 因此我们接下来以逆变器的控制方法为例来介绍控制方法就可以了。 逆变器是三相应急电源系统中十分重要的部分，它对于u p s 的输出波形、可 靠性、瞬态响应、噪声等u p s 的主要计数指标有着决定性的影响。三相应急电源 在提供给负载电源的时候，逆变器控胄4 将直接关系到应急电源的输出特性。因此 逆变器设计的好坏和其控制方法的优劣直接关系到一台e p s 的工作性能。一台好 的逆变器应该是稳定性高、对输入电源电压和输出负载的变化动态响应快、对各 种负载包括非线性负载适应性强，并具有高的可靠性，除了保证一定的无故障工 作时间外，对于过压、过流和负载短 x 浙江大学硕士学位论文 4 近年随着具有高速运算能力的d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 问世，使 逆变器控制的全数字化成为现实，许多先进的现代控制理论和方法在逆变器中得 到应用，使逆变器的稳定性和可靠性大幅度提高。 逆变器控制一般有以下几种控制策略： 如图3 一l 所示，电压有效值反馈控制策略是通过逆变器输出电压有效值与给 定的电压有效值的参考值比较，误差信号经动态调节( 一般为p i 调节) ，与固定 的正弦信号相乘的结果作为s p w m 的调制信号与三角波信号或锯齿波信号比较，作 为控制逆变器的p w m 输出信号。因为这种控制方法仅对输出有效值进行控制，而 s p w m 部分为开环状态，无法对输出波形的正弦度进行调节，所以这种控制策略有 很好的稳态特性，输出波形稳压精度较高，但逆变器对负载突变的动态响应很差， 输出电压的波形质量无法控制，而且在非线性负载条件下，输出正弦波形畸变也 比较大。因此这种控制策略的应用仅限于逆变器的负载为线性负载的场合。 r 图3 一l 电压有效值反馈控制框图 为了提高逆变器输出电压波形的动态响应速度，出现了电压瞬时值反馈控制 方法，如图3 2 是所示。 r 图3 2 电压瞬时值反馈的控制框图 电压瞬时值反馈控制方法通过将逆变器输出电压与j 下弦参考电压比较后经 2 2 浙江大学硕士学位论文 重复控制应用于工程实践中只有2 0 多年的历史，是一种比较新颖的控制方 法。重复控制的基本思想来源于控制理论的内模原理，内模原理是把作用于系统 外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的种设计原理。 图3 - - 4 为重复控制控制系统框图”1 。 图3 4 重复控制系统控制框图 重复控制的思想是假定前一周期出现的基波波形畸变将在下个基波周期 的同一时间重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校难 信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除 后面各周期中出现的重复性畸变，稳态时可实现无静差控制效果。重复控制与积 分环节相类似，只不过重复控制信号发生器以周期为步长，而积分控制是对误差 进行连续时间的累加。重复控制虽然可以保证输出波形质量，但却有一个致命的 弱点：重复控制得到的控制指令并不是立即输出，而是滞后一个参考周期后才输 出。这样，如果系统内部出现干扰，消除干扰对输出的影响至少需要一个参考周 期。因此重复控制对于周期性扰动的负载具有很好的校正作用，但是对于非周期 性扰动校正作用较差，并且在周期扰动出现时，校正过程较长，动态性能比较差， 这是重复控制的一个重要缺陷。在实际应用中重复控制一般与其它控制策略相结 合，以得到较好的输出波形和动态响应。 此外，随着微机运算处理能力的迅速提高，近些年还出现了很多新的控制方 法在逆变器的控制中得到应用，比如无差拍控制，滑模控制，模糊控制，神经网 络控制等等。 3 2 正弦波脉宽调制技术( s p 喇) 逆变器控制最根本的控制技术就是脉冲宽度调制技术，及通过p w m 控制信号 去驱动u p s 的逆变桥，逆变器的控制方法有多种方案可供选择，但是现在应用最 2 4 浙江大学硕士学位论文 广泛的是正弦脉宽调制( s p w m ) 技术，正弦脉宽调制( s p w m ) 技术控制简单，输 出谐波可控，响应速度较快。如图3 5 所示，s p w m 信号是一串与正弦波等效的 周期固定但占空比里变化形式的矩形脉冲信号。要控制一个逆变器，控制系统的 根本是反馈环，在这个反馈环中，逆变器输出的采样值与设定的参考值相比较产 生一个误差信号，误差信号接着通过一个补偿网络以生成调整的输出信号。利用 这个调整信号，控制系统对逆变器的输出作出调整，使期望输出值与实际输出值 之间的误差缩小，从而实现稳频、稳压的目的。 ib 工 睑一 = 啮囱囱囱囱囱l 一 图3 5s p w m 原理示意图 本文介绍的三相应急电源的逆变器就是采用s p w m 控制方法。s p w m 的脉冲宽 度是由正弦波和三角波交截生成的。 0 u , - , h o ( b ) 图3 6 正弦波调制法波形图 2 5 浙江人学例j 学位论丘： 图3 - 6 所示，为了实现s p w m ，可将正弦波的一个周期平均分成n 等份( n 是偶 数) ，于是每一份的宽度为2 n 。在每个特定的时间间隔中，都可以用一个脉冲 与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例的，但其脉冲幅度都等于u m 的一个 矩形电压脉冲来分别代替相应的正弦波部分。这样的n 个宽度不等的脉冲就组成 了个与正弦波等效的脉宽调制波形。只要n 取得足够大，这样一串等效的矩 形脉冲序列将非常接近于正弦波的波形。在假定电压脉冲的幅值不变且不小于正 弦波的峰值的条件下，使第i ( i = i ，2 ，3 n ) 个等份的电压脉冲与萨弦波的 所围面积相等，假设币弦波的幅值为u ，等效矩形波形的幅值为u 则各等效矩 形脉冲波的宽度6 为1 ： 竺 j = 亡：，熙。；棚口= 琵吣竿s 争= z 琵s 啪s n 素 i 式中属= 2 万m 一号 i = i ，2 3 n p 是各时间分段的中心角，也就是各等效脉冲的位置中心角。这表明：由能量 等效法得出的等效脉冲宽度6 与分段中心角p 。的正弦值成正比。 弹等咖和弩一争 假设三角波的频率与正弦波的频率之比为n ( n g 为载波比) 。当载波比n 固定， 且n 2 0 以上时，矩形脉冲的宽度6 ，正比于正弦波的幅值与三角波的幅值之比， 也正比于分段中心角口。的正弦值。其高次谐波的幅值表达式为： = 箬势广s 胁s 譬 由上式可知：基波及各次谐波的幅值与脉冲宽度6 有关，而脉冲宽度又与正 弦波的幅值与三角波的幅值之比有关。因此，只要适当地调节基准正弦的幅值大 小就可以调节逆变器电压的大小。在这种三角波与正弦波调制工作方式下，当正 弦波的幅值小于三角波的幅值时，逆变器输出的基波分量几乎与调幅比成线性关 系变化。这种调制方式的另一重要特点是：在正弦波的幅值小于三角波幅值时， 输出波形中不包含3 ，5 ，7 次等低次谐波分量，而仅包含与三角载波频率接近的 高次谐波。对于载波比n 2 0 的三角调制波形来说，这些高次谐波分量是1 7 ，1 9 塑坚查堂堡! ! 兰垡丝兰一 次谐波分量。在目前实际使用的中、小型u p s 电源中，正弦波的频率是5 0 h z ，三 角波的工作频率是8 4 0 k h z 之间。因此，在用s p w m 的e p s 电源的逆变器电压输出 波形中，实际上基本不包含低次谐波分量，所包含的最低谐波分量的频率都在几 k h z 以上。 图3 7 是三相p w m 逆变器的控制波形图。相位差为1 2 0 。的三相s p w m 控制信 号与三角载波相比较所得的控制信号分别控制三相p w m 逆变器的三个桥臂，每个 桥臂的上下开关由一组互补的p w m 信号控制导通、关闭，从而得到三相输出电压， 该输出电压经过输出滤波便可以得到所需的三相正弦电压。 o 图3 7 三相p 帆逆变器s p w l 控制 3 3 数字p i d 的基本原理 p i d 以其简单、参数易于确定，发展成熟等优点广泛应用于工程实践中，特 别是对于那些模型不精确、参数变化较大的被控对象，采用p i d 控制器往往能得 到满意的控制效果。u p s 也不例外，e p s 是u p s 发展而来的，因此e p s 的控制方法很 多是沿袭u p s 的。早期的u p s 大多采用模拟p i d 控制方法，但在负载出现非线性或 负载有突变时输出特性不甚理想，因此人们又把输出电感电流和滤波电容电流引 入p i d 中一起进行调节得到了很好的效果，但是这样系统就过于复杂。随着计算 机技术的发展，用计算机算法逐渐替代模拟p i d 控制器，数字p i d 控制算法不断改 进和完善，显著地扩展了它的功能。数字p i d 弥孙了模拟p i d 无法胜任复杂运算这 个不足，既优化了系统的性能又没有增加硬件成本，只是在软件上做个一些改动， 2 7 浙江丈学坝t 学位论卫 因此数字p i d 得到了广泛的应用。 数字信号处理器( d s p ) 以其强大的功能，超大的内存当然在数字控制领域 中占有十分重要的一席。d s p 可以实现一般模拟控制无法实现的复杂运算，使控 制领域一些先进的控制方法得以应用与工程实践中。 数字p i d 控制系统如图3 - 8 所示。p i d 控制包括比例、积分、微分三个控制环 节，p 表示比例环节，它代表了当前的信息，能够对动态偏差进行校正：i 表示积 分环节，它代表了过去积累的信息，起到消除静态误差的作用：而d n 表示微分环 节，代表了将来变化的趋势，可以起到超前的校正作用，有助于改善系统的动态 特性“。 图3 - 8 数字p i d 控制系统 设控制输入量为e 。，输出量为m 。，则则比例控制算法、积分控制算法和微分 控制算法写成增量形式分别可表示为： 聊。2 k ，( e 。一e ) 册。- k ，te 。1 a 脚。2 k d ( e 一2p h 】+ e 2 ) t 其中t 为采样周期，睇，k ，k 。分别为比例系数、积分系数和微分系数。对 于常用的p i 控制器，其控制算法由比例和积分两部分组成，可表示为： 删- - k p ( e 一g 。一1 ) + k ，tg ，i 2k p e 。+ ( k ，t - k ，) p 对于p i d 控制器则有： m 一= ( k ，+ k d t ) p + ( k ，t - kr - 2k d t ) p 。一i + k d te 州 浙江大学硕士学位论文 到有效的保护，增加了系统的可靠性。由于采用了s p 咖控制技术，逆变器的输 出波形高次谐波含量小，这样就大大减小了滤波器件的尺寸，并且滤波效果得到 很大改善。 图3 一l o 单相逆变器电压、电流双环控制框图 如图3 一l l 是三相应急电源逆变器的双环控制原理框图。 图3 一l l 三相逆变器的控制原理框图 图3 一1 2 是逆变系统控制框图。在数字控制系统中，控制参数的设计有两 种常用的途径：一种是先把被控系统离散化，然后再设计控制环参数：另一种是 直接在连续系统内设计控制参数，再把设计的控制器离散化。在本文中采用后面 一种途径。 图3 一1 2 逆变器控制框图 本逆变器的电流内环在补偿前就具有足够的相位裕度，即电流内环具有较好 3 l 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 稳压：指在给定基准电压值不变时，直流输出电压应在网压波动和负载 变化时维持恒定。 ( 2 ) 网侧功率因数校正：指对网侧电感电流进行跟踪以保证网侧电流的正弦 化，使网侧功率因数提高到接近为1 。 图3 一1 4 所示的是三相s p w m 整流电路的控制框图，它采用了电压外环和电流 内环的双环控制方案。 图3 一1 4 三相s p w m 整流电路的控制框图 由图可见：输出电压采样值与给定参考电压的偏差送入p i 调节器，得到的 值作为三相参考电流的幅值，乘以与三相电源电压同相位的基准正弦信号后，作 为参考电流的基准值。它与电感电路获得的电感电流采样值比较后，其输出值送 入比例调节器，得到的值再与三角载波进行比较，产生的p w m 调制波用于开关管 的触发信号。 这种控制方式。既可以使输出直流电压根据给定的电压基准值维持恒定；又 因为电流误差放大器的输出直接控制了p w m 调制器的占空比强迫实际输入电流 逼近参考电流的值，使网侧输入功率因数接近于1 。这种控制方法具有开关频率 固定，噪声小，开关损耗小，动态性能好的优点。 3 3 浙江大学坝p 学位论义 用免维护铅酸蓄电池作为储存电能的装置。它将电能转化为化学能储存起来，当 市电中断时，e p s 将依靠储存在蓄电池中的化学能转化为电能维持负载的正常工 作。 目前在应急电源中被广泛使用的免维护铅酸蓄电池价格比较贵，般大约占 e p s 生产成本的1 4 2 1 5 左右。而在返修的机器中，由于蓄电池故障而引起的 应急电源不能正常工作的比例大约占i 3 。由此可见，深入了解蓄电池的工作原 理，正确地使用好蓄电池组，对e p s 无故障运行意义很大“。 4 i i 蓄电池的容量选择1 2 4 i 蓄电池在一定放电条件下所能给出的电量称为蓄电池的容量，常用c 表示。 然而，蓄电池作为电源，由于其端电压是一个变值，选用a h 表示蓄电池的电源 特性更为准确。 在蓄电池行业中，以小时或分表示蓄电池可持续放电的时间，常见的有c 。 c 。c 。c 。、c 。、c ，等标称容量值。固定型免维护蓄电池一般采用l o 小时率所放 出的容量作为蓄电池的额定容量，并用来标定蓄电池的型号。 蓄电池容量选择要根据蓄电池要求放电电流和要求的备用时间来决定。选择 蓄电池的容量时，应先计算出要求放电的电流值，然后根据蓄电池生产厂家提供 的放电特性曲线和用户要求的备用时间进行选择。 ( i ) 蓄电池最大放电电流的计算 蓄电池最大放电电流值可按下式计算： ，一p c o s 中 “伊n e 式中：l 。蓄电池最大放电电流值( a ) p e p s 额定输出功率( w ) c o s 由e p s 输出功率因数 玎e p s 逆变效率 n 蓄电池组中的单体蓄电池数 e 蓄电池放电终了电压 3 5 浙江大学硕二b 学位论立 ( 2 ) 放电电流的计算 由于在放电过程中蓄电池的放电电流是变化的，蓄电池刚放电时的电流明显 小于最大放电电流0 。根据蓄电池的放电状态，一般取0 7 5 作为校正因数。 蓄电池实际所需的放电电流为： i = o 7 5 。 ( 3 ) 蓄电池容量的计算 计算出蓄电池实际所需的放电电流值后，再根据所要求的备用时间按照蓄电 池生产厂家所提供的蓄电池放电特性曲线找出要求蓄电池组提供的放电速率，按 下式计算出要求配置的蓄电池容量： 蓄电池容量口螂= 童号篓誊墨纂蓦群 4 1 2 蓄电池的充放电 蓄电池具有自放电效应。从生产制造完成到实际使用需要延续一段时间。因 此新的蓄电池在安装完毕后，一般要进行一次较长时间的充电，这叫初充电。蓄 电池的初充电电流大小应按照0 1 c 来进行初充电。蓄电池在放电终了可进行再充 电，这叫正常充电。正常充电时，为延长蓄电池的使用寿命，e p s 充电器一般采用 分级限压恒流充电方式。对于端电压为1 2 v 的蓄电池，充电电压不应超过1 3 5 1 3 8 v ，一般充电电压超过1 4 v 即认为是过压充电，过压充电会导致蓄电池寿命缩 短甚至烧坏。蓄电池充放电电流一般以c 来表示，c 的实际值与蓄电池容量有关。 比如l o o a h 的蓄电池，c 为i o o a 。e p s 的充电器一般采用分阶段恒流充电的方式， 即在充电初期用较大电流，充电一定时间后，改用小电流，至充