（电力电子与电力传动专业论文）模块化并联冗余ups系统智能控制设计研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m ( u p s ) p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nv a r i o u sf i e l d s s u c ha sn a t i o n a ld e f e n s e , t r a f f i c ，m e d i c a l ，c o m m u n i c a t i o n , f i n a n c ea n di n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a la n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lu p s ，i n t e l l i g e n tu p sn o to n l yh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hq u a l i t y ， r e l i a b i l i t ya n dm u l f i f u n c f i o n , b u ta l s om e e t st h er e q u i r e m e n t so fe n e r g y - s a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h e r e f o r e ，i ti san e wt y p eo fu p sw h i c hi sa d a p t e dt o d e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rm o d u l a r “n + x “p a r a l l e lr e d u n d a n tu p si s i n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gc o n t r o lt e c h n i q u ef o ru p sm o d u l e si np a r a l l e l o p e r a t i o n , m o n i t o rm o d u l ef o ri n d i v i d u a lu n i ta n ds t a t i ct r a n s f e rs w i t c hm o d u l e t h em o d u l a rp a r a l l e lr e d u n d a n tu p sc o n t r o l l e d b y d s pa d o p t s n o n - m a s t e r - s l a v ec u r r e n t - s h a r i n gs c h e m e t h ec u r r e n t - s h a r i n gl o o pr e a l i z e db y a n a l o gc i r c u i ti sb a s e do na v e r a g e c u r r e n t - s h a r i n gs c h e m e ；d i g i t a ls y n c h r o n o u sb u s g u a r a n t e e ss y n c h r o n i z i n gp h a s e l o c ko ft h eu n i to u t p u tv o l t a g e ；c a nb u si su s e dt o c o m m u n i c a t ea m o n gi n d i v i d u a lu n i t s t h em o n i t o rm o d u l ef o ri n d i v i d u a lu n i tu s e s m i c r o c o n t r o l l e ra n do r g a n i z e sac o m p l e t ea n da l l r o u n du p si n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t s y s t e ma san e c e s s a r ya d d i t i o nt ot h em a n a g e m e n tf o ri n d i v i d u a lu n i t w h i l et h es t a t i c t r a n s f e rs w i m hm o d u l ei si no p e r a t i o n , t h em o n i t o rs y s t e mb a s e do nd s pc e n t r a l i z e s t h ec o n t r o lo ft h ef a s tt r a n s f e r - s w i t c h i n g ，p r o t e c t i o na n do t h e rc o n t r o lf u n e t i o u s a n d i nt h ee n d ，t h er e s u l t sg o tf r o mt h ee x p e r i m e n tv e i l f yt h ev a l i d i t yo f t h es c h e m e k e yw o r d s ：u p s m o d u l a rp a r a l l e lr e d u n d a n ts y s t e m i n t e l l i g e n tc o n t r o l 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 不问断供电系统( u p s ) 概述 不间断供电系统( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m ，简称u p s ) 的出现是为了 适应信息社会的到来。随着信息技术的不断发展和计算机应用的不断普及，各种 电子设备都需要供电电源为其提供所需的电能，因此一旦因某种原因出现供电中 断，就会造成整个系统停机，其后果远远重于电子设备的自身故障。此外，供电 电源的扰动也是引发电子设备故障的重要原因，这些干扰以传导和辐射的形式进 入电源进而窜入电子设备，造成系统工作效率降低、计算数据丢失、逻辑功能混 乱，严重时还可造成系统硬件损坏，使系统工作陷于瘫痪。为了保证对重要负载 供电的连续性，为负载提供符合要求的优质电能，满足高新技术产品和设备对供 电质量提出的越来越严格的技术要求，u p s 提供了很好的解决方案【l 】。 u p s 从最初的机械飞轮式，发展到今天的模块化、网络化的智能型产品，经 历了数十年的发展历程，性能越来越出色，采用的技术广泛涉及电力电子技术、 控制技术和智能化技术，其用途也从单一为计算机供电发展到今天几乎遍及国 防、交通、医疗卫生、通信、金融、工业生产等领域。 1 1 1u p s 的分类与结构【1 1 【2 】 u p s 的种类很多，从定义上来说，所谓不间断就是当常规供电电源发生异常 或中断时仍能保证继续向负载供电，依据为负载提供的是交流还是直流可分为直 流不问断供电系统和交流不问断供电系统。在实际应用中，交流电网( 市电) 作 为供电电源非常普遍，因此习惯上简称为l r p s 的一般指交流不间断供电系统。 下述的u p s 都是指交流不间断供电系统。 按换能方式来说，主要分为旋转发电机式、静止变换式和动静结合式。 1 旋转发电机式 通常也称为动态u p s ，这是一种把机械能变为电能的装置，不间断供电是靠 动能转化提供，有飞轮储能式、液体势能储能式和电化学储能式3 种。常见的是 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 飞轮储能式，其结构框图如图1 1 所示。 市电输入 飞 轮 u p s 输出 图1 1 飞轮储能式u p s 结构框图 停电时，由高速的惯性飞轮以机械惯性释放能量，使发电机继续旋转一段时 间，从而提供足够的时间启动燃油发电机，保证了供电的连续性。这种结构的优 点在于对后备时间没有限制，但转换过程太多，效率很低，存在噪声大、体积大、 需要专人管理等一些缺点，现在只在一些中大功率场合有所应用。 2 静止变换式 静止式u p s 是一种利用功率半导体器件和电力电子技术将化学能变为电能 的装置，由于其优势明显，应用的最为普遍。在市电正常时，为电池充电储存化 学能；停电时，作为换能装置的逆变器就将电池中的化学能转换为电能为负载供 电，实现不间断供电的目的。其优点在于噪声小、体积小，不需要专人看护管理， 但是受到电池条件( 容量、重量、数目) 的限制，对于后备时间有限制，同时其 应用场合与功率器件、电力电子技术、电路结构都有密切联系。 以市电供电时投入工作的主要变流器数目作为区分标准，静止变换式u p s 从结构上主要分为单变换式和双变换式两类。 市电输入u p s 输出 图1 2 单变换式u p s 结构框图 图1 2 所示为单变换式u p s 的结构框图，这类u p s 的主要变流器只有一个， 但是兼有整流充电器和逆变器双重功能，是一个双向变流器：在市电正常供电的 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 时候，作为电池的充电器，市电通过一系列稳压滤波结构直接向负载供电；当市 电不正常时，作为逆变器，通过转换开关切换为电池向负载供电。 市电输入u p s 输出 图1 3 传统双变换式u p s 结构框图 传统的双变换式u p s ( 图1 3 ) 有两个变流器：将交流变为直流的整流器和 将直流变为交流的逆变器。在市电正常时，两个变流器同时工作，为负载提供符 合供电要求的交流电源，这个过程在市电正常时是一直进行的，所以是在线式的 工作方式。本文主要研究的u p s 是基于传统双变换式结构的。 3 动静结合武 动静结合式u p s 是将动态u p s 和静态u p s 进行一定的结合，将燃油发电机 和电力电子电路混合应用的装置。当市电正常时，就是静止变换式u p s ：当市电 异常时，由电池放电供能；当电池放电到一定程度，燃油直流发电机启动，一边 对电池充电，补充释放的能量，一边向逆变器供能，一定程度上缓解了单纯靠电 池维持后备供电的压力。 限于实际应用情况和本文的研究方向，下面讨论的内容主要是针对静止变换 式u p s 。 1 1 2u p s 相关技术的发展i “i 【5 l 发展至今，u p s 技术和产品已走向成熟，单机容量已经做的相当大。人们对 u p s 产品的认识已经由过去那种简单化的“停电保”向着智能化、网络化的大型 不问断供电系统过渡，很多相关电力电子技术、控制技术和智能化技术被用于 u p s 系统中。 1 电路结构方案的改进 u p s 技术经历数十年的发展，传统老式结构u p s 已经相当成熟，特别是传 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 统双变换式u p s 已被广泛应用于各行各业。但是传统结构的u p s 暴露出的一些 不可克服的缺点，如输入功率因数偏低、效率低、带载能力差、可靠性差等，已 经影响到u p s 产品向更广更深入的领域扩展。为了解决这一问题，除了在传统 技术之上进行细节方面的修改，国内外u p s 制造商更倾向于对电路结构方案的 改进，已经陆续出现一系列新的结构方案。 在中小功率领域，三端口和在线互动式技术为用户设备选型提供了新的选 择。 市电输入p _ j 丐画孬五m r _ 一 蓄电池组二e 三至 q 玉 o u p s 输出 图1 a 三端口u p s 结构框图 三端口结构( 图1 4 ) 产品出现较早( 1 9 8 2 年左右) ，其所使用的工频三绕 组变压器不是一般的稳压变压器，而是一个铁磁谐振变压器，当初级电压变化时， 次级电压基本维持不变。逆变器在市电正常时也工作，没有切换时间，并在控制 电路的作用下，调整逆变器输出电压的幅度与相位，保证输出电压的稳定；在市 电异常时，由蓄电池组作为输入电源继续向负载供电，保证负载不问断的稳定工 作。该类u p s 带非线性负载的能力比较差，但成本较低，仍然有较好的性价比。 市电输入 蓄电池组 升降压调整 u p s 输出 图1 5 在线互动式u p s 结构框图 在线互动式u p s ( 图1 5 ) 是一种介于后备式和在线式之间的工作方式，它 集中了后备式效率高和在线式供电质量高的优点。当市电在规格电压范围内时， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 不作调节直接输出至负载设备，如同一台后备式u p s ；当市电高于或低于正常规 格时，启动升压或降压功能，并且不使用蓄电池供电；直到市电低于可升压范围 或高于可降压范围或市电停电时，才使用蓄电池供电。 中大功率范围使用d e l t a 变换结构( 图1 6 ) 。 市电输入u p s 输出 图1 6d e i t a 变换式u p s 结构框图 d e l t a 变换式u p s ，又称双变换电压补偿在线式u p s ，有两个变流器：主变 流器和d e l t a 变流器，它们全部是双向变流器。当市电正常的时候，两个变流器 一直同时工作，只不过分工不同，相互协同对负载的电压和电流进行调整，所以 也是在线式的工作方式。实际上，d e l t a 变换式u p s 的核心工作机理是串联的交 流稳压与补偿技术，其优异的特性使得近年来研究和应用得很广，但是控制电路 相对复杂，可靠性需要进一步提高。 2 并联冗余技术 以往的用户使用u p s 单机供电较多，随着信息、金融等行业对r r 设备的依 赖性越来越强，借助多机并联冗余技术增容和提高系统可靠性就成为了必然的选 择。当前的并联冗余方案有三种： ( 1 ) 主一从机型。热备份”供电方式 热备份连接可用来提高u p s 系统的可靠性。也就是说，当单台u p s 已不能 保证用户提出的可靠性要求时，就可以并联接上一台同样规格的单机u p s 来提 高可靠性。实际上，主u p s 正常工作时备用u p s 只是待命；主u p s 故障时，切 下主u p s ，切上备用u p s ，任何时刻仍然只有一台u p s 在为负载供电，但可靠 性可以比单台提高两个数量级。这种连接非常简单易行，即使不同品牌的u p s ， 只要规格、容量相同就可以连接，不需要增加另外的设备，若两台不同容量的 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 u p s 并联，其系统容量按最小的那台计算。显而易见，这种供电方式只是形式上 的并联，系统整体容量并没有增大，因此如果主机过载，转到另一台上仍然是过 载，即带载能力没有加强，只单纯提高了可靠性。同时备用u p s 长时间空载运 行，造成主备机寿命不一样。 ( 2 ) 直接并联供电方式 直接并联供电方式克服了热备份供电方式的不足，有效扩充系统的容量，是 真正的u p s 并联供电方式。并联连接的u p s 系统不但可靠性提高了，而且带载 能力提高了，如果有两台同规格的u p s 并联，就有两倍的负载能力，所以在冗 余的情况下，系统的过载和耐冲击能力比热备份连接的u p s 要强得多。在非冗 余的情况下，它们的并联可以增容，这也是热备份连接技术不能实现的。在并联 模式j - - n 的情况下，随着并联台数的增加其可靠性也相应增加，但并联台数也 不可能是无限的，并联技术的最大难点在于均流技术，减少并联u p s 之间的环 流，尽量保证输出功率在并联u p s 中平均分配是并联系统正常工作的关键。因 为这种供电方式应用的最多，所以对均流方案的研究国内外都有很多文献。 ( 3 ) 双总线冗余供电方式 尽管直接并联供电方式有很多优点，但它对l i p s 后端电源配线系统中出现 的故障无能为力，因此为了进一步提高供电系统的可靠性，可以考虑采用双总线 冗余供电方式。双总线输入冗余式供电系统首先由2 路或多路市电电源组成冗余 式市电供电系统，再由一系列配套的冗余输入端装置共同组成。同时u p s 系统 也是冗余的，装有负载总线同步控制器，以实现两套或多套l i p s 系统向负载提 供具有零切换时间的多电源冗余供电系统。此外，配置双总线输出冗余系统也是 十分必要的，所有的输出配电装置都是冗余的。采用这套供电方案，虽然系统很 复杂，但是供电可靠性获得了极大的提高，是比较完善的大型u p s 供电系统。 3 数字化，智能化控制技术的应用 数字化、智能化技术近年来发展迅速。相对于传统u p s ，新一代的u p s 在 控制技术中采用数字信号处理器d s p 控制，随着其计算速度的不断提高，可以 方便地实现复杂的控制方法，使得l i p s 的设计周期变短，相对成本减小，灵活 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 度大大提高，同时性能得到提升。全数字化u p s 除具有高质量、高可靠、高指 标、多功能等特点外，还符合当今节能、环保的要求，因此它是一种不仅能满足 今日需要，而且可以适应未来发展需要的u p s 。 另一方面，目前的u p s 已由初期的单纯供电发展到目前的多功能应用。l i p s 不再仅仅是供电电源，而是向用户提供高质量的稳压、稳频，无任何干扰存在的， 波形失真度极小的“全天候”电源，且作为负载的计算机在无人值守时，要求 u p s 能自动地定时关机、定时开机，当供电发生故障后，u p s 能通知计算机， 对用户数据的自动转存和有序地关机，实现实时监控功能，自动诊断、自动保护 功能。友好的人机界面，以图形和文字方式显示工作流程和参数信息，同时提供 可视化的菜单操作。智能型的u p s 系统提供多种通讯接口，实现远程监控、网 络管理，支持s n m p 网管理，提供可支持的管理平台及相应的认证。 1 1 3u p s 的需求发展趋势0 1 1 【2 l 目前，随着数据处理要求的提高，应用范围的扩大，u p s 的需求发展趋势在 以下五个方面得到体现： ( 1 ) 功能方面。除了3 大基本功能( 稳压、滤波、不间断) 外，要求必须具 有自我监控、对外警示、集中控制、环境检测、自动切换、联网、对负载自动检 测、智能充电等多种实用功能。 ( 2 ) 用户性能方面。为维护用户信息，避免断电造成的损失，必须提高u p s 系统的可用性和可靠性。 ( 3 ) 电路技术方面。传统u p s 暴露出来的一些缺点，要采用可靠的措施和 新的结构方案加以改善或克服，提高u p s 供能的综合指标。 ( 4 ) 电路结构方面。由于用户对可靠性和可用性要求越来越高，平均无故障 时间要进一步提高，换句话说，就是要发现故障快，处理故障快。故障发现快的 关键在于完善的智能化监控设备，可维护性高的关键在于结构的模块化，不间断 故障处理的关键在于冗余结构和热插拔功能。 ( 5 ) 品种方面。在以往的一般商用u p s 、变频l i p s 以及工业级l i p s 基础上， 发展出符合市场需求、满足特殊目的的专用型u p s ，除了标准型号外，可以根据 用户的需要进行定制，适应各类实际应用环境。 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 图1 7 静止变换式u p s 的发展及性能关系图”i u p s 的发展，包含了微电子和功率电子在内的现代电子学、电磁学、光电学、 电化学、元器件、涂覆和工艺等先进技术的发展，在这些技术的基础上，随着科 技的进步，u p s 技术日臻完善，在不久的将来将开辟一个更新的领域。 1 2 智能型u p s 市场的发展 伴随着计算机技术的发展，u p s 技术经过数十年的稳步发展，已经相当成熟， 传统u p s 广泛应用于各行各业。2 0 世纪8 0 年代后期开始，玎业、金融业迅速 崛起，对数据信息依赖性越来越高，大量需求不问断供电系统进行数据保护和保 障电子设备的可靠运行。 图1 8 所示为2 0 0 1 年中国u p s 市场行业的分布情况( 数据来源：c c i d ， 2 0 0 2 1 1 ) 。中国u p s 市场中，金融、电信是采购量最大的两个行业，同时u p s 涉及国民经济的各个领域。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 82 1 年中国u p s 市场行业分布( 数据来源：c c i d ，2 0 0 2 1 1 ) 科技发展至今已进入全数字化时代，智能化、数字化是未来新一代u p s 发 展的重要方向之一。信息系统全自动化、网络化使仅提供不问断供电保障的传统 l i p s 终将淘汰，数字芯片灵活控制u p s 整机运行和并机冗余控制、智能显示l i p s 运行状态及运行参数、自诊断本机故障、人机界面、远端控制开关机等功能的 l i p s 将占领市场，u p s 监控技术、数控技术及网络化的研究已成为热点。外型 美观、安全可靠、轻薄小型的数字控制式智能型l i p s 在未来的中国u p s 市场上 将占据主导地位。 1 3 本文的选题意义与主要研究内容 模块化并联冗余u p s 系统近年来发展迅速，是众多u p s 制造商看重的结构 方式。这种具有“+ 容量冗余的u p s 系统不会由于某个模块失效而影响系 统的工作，是一种理想的容错性可在线维修的电源系统。系统可靠性很高，整 个系统发生瘫痪的概率基本为零，非常适用于网络中心、计算机控制中心、金 融中心、电信收费系统、自动化管理系统等需要高可靠性不能断电的场合。 模块化并联冗余u p s 系统主要由u p s 模块( 即u p s 单机，含a p f c 电路、 d c d c 放电电路、逆变电路和单机旁路装置) 、监控模块、静态转换开关模块、 充电模块等单元组成，市电和电池组由外部接线设备接入系统。每个模块容量较 小，为标准化设计，适合大批量生产，通用性强，系统配置灵活，系统扩容只需 增加适当数量的相应模块即可，由这些模块化的标准单元通过并联连接就可以组 成中大容量系统。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 模块化并联冗余智能型u p s 系统模型如图1 9 所示。 图1 9 模块化并联冗余智能型u p s 系统模型 本文主要研究模块化并联冗余u p s 系统的智能控制技术，涉及以下三个方 面内容： ( 1 ) u p s 模块并联控制设计 u p s 模块并联运行时，实现并联模块间通讯并机，可靠均流；并机结构改变 时，实现并机主从模块逻辑切换功能。 ( 2 ) u p s 单机监控模块设计 u p s 模块单机运行时，由单机监控模块控制，监控性能符合u p s 管理系统 的要求，具有良好的人机对话界面，保证系统的可维护性和可操作性；u p s 模块 并联运行时，单机监控模块实现本机监视和与上位机( 主监控模块或p c 机) 通 讯功能。 ( 3 ) 静态转换开关模块设计 系统并联冗余运行时，静态转换开关模块独立运行，统一集中控制主旁路 切换功能，实现快速切换和系统保护功能。 每章节给出实验结果，根据各项功能指标，实现模块化智能控制，模块之间 相互解耦，能独立运行，不受其它模块干扰。 本文最后进行了总结与展望。 浙江大学硕士学位论文第二章u p s 模块并联控制技术 第二章u p s 模块并联控制技术 2 1u p s 的并联冗余方案 通信、金融、计算机网络等领域中的供电系统是不允许有任何供电中断的情 况发生，针对这类重要用户，u p s 应用中需要采用冗余供电方案来提高整个电源 系统的可靠性，以满足用户需求。u p s 的冗余供电方案主要有“热备份”供电方 式和直接并联供电方式两种，总线式冗余供电方式是一种组合性方案。 “热备份”供电方式的u p s 系统整体容量并没有增大，即带载能力没有加 强，只单纯提高了可靠性；直接并联供电方式克服了“热备份”供电方式的不足， 不但提高系统可靠性，而且有效扩充系统容量。 2 1 1u p s 的并联连接技术 u p s 的直接并联连接是是真正意义上的u p s 并联供电方式，在冗余的情况 下，系统的过载和耐冲击能力比“热备份”连接的u p s 要强得多，就算在非冗 余的情况下，它们的并联也可以增容，这也是“热备份”连接技术不能实现的。 但是并联连接比“热备份”连接要复杂得多，需要满足以下两个基本条件： ( 1 ) 保证并联的u p s 单机之间无破坏性的环流产生。 ( 2 ) 保证并联系统中的每台u p s 单机承担的负载量相同。即如果在台u p s 单机并联的情况下，每台u p s 单机的输出电流都应该是总负载电流的j 肼。 普通u p s 是无法满足上述条件的，因此如果仅仅使用普通u p s 直接进行并 联连接是危险的，必须使用具备并联控制功能的u p s 才能构建并联系统。 一般有两种方式实现具备并联控制功能的u p s 单机： ( 1 ) 普通通用u p s 添加并联接口设计，利用独立的并联控制模块实现并联 功能。这种类型u p s 主要针对单机用户，并机需要辅助模块协助。 ( 2 ) 并联专用u p s 本身就具备并联功能，并联控制环作为其控制环的一部 分。这种类型u p s 主要针对并机用户，但是单机也可以独立使用。 并联专用型u p s 无疑由于电路结构的复杂化和相应环节的增加而加大投资 成本，但其带来的好处同样显而易见：安装简单，无需辅助模块，可以直接并联； 浙江大学硕士学位论文 第二章u p s 模块并联控制技术 可以随意组合成各种并联供电方式；并联系统某一u p s 单机故障不影响整体系 统的运行，并可以实现热插拔等功能，无需停机检修。 为满足u p s 并联所需要的条件，主要有集中控制、主从式控制、分散型控 制、无互联线控制等并联控制方案，利用互联线( 包括数字信号互联线和模拟信 号互联线) 实现并联控制是目前主要应用的控制方式。 2 1 2 “+ f 并联冗余供电方案 并联系统不一定是冗余的。从概念上来说，并联实现的是扩容，冗余实现的 则是提高可靠性 6 1 。一个并联系统中如果出现某一台或几台u p s 单机故障退出， 余下的u p s 仍然能维持负载的正常供电，不用切换到旁路供电，这样的并联系 统才能称为是冗余系统。 并联系统的冗余度表达式为“+ x ”。其中，是组成并联系统的u p s 单机 的总数目，x 是并联系统中允许出现故障又不会影响系统正常功能的u p s 单机 的数目，n - x 就是用户需求负载量所对应的并联系统u p s 单机数目。理想的 “+ 并联冗余方案，并联系统中所有的u p s 单机既是组合后的有机整体， 分开后又可以各自独立；并联运行时任一部分故障都不会影响整个系统的正常运 行，并且也不会留下故障隐患。因此采用非并联冗余方案的u p s 系统的可靠性 远远低于并联冗余系统，并联冗余方案是扩容和提高可靠性的有机组合。 表2 1 并联冗余系统的负载率和可靠性1 6 1 并机冗余度 “2 + l 4 4 3 + l ”鬈+ j ”。5 + l ”“6 + l 。 单机承担并联系统容 5 0 3 3 3 2 5 2 0 1 6 7 量的百分比 并联系统容量占用户 2 0 0 1 5 0 1 3 3 3 1 2 5 1 2 0 需求负载量的百分比 并机与单机的可靠性 9 25 33 12 0 51 3 5 之比 理论上讲，随着并联的台数增多，冗余系统的可靠性也相应增加，但实际上 并联台数是不可能无限扩展的。表2 1 说明当并机台数增加时，虽然提高了并联 浙江大学硕士学位论文第二章u p s 模块并联控制技术 系统的利用率，但并联台数超过一定限度系统的可靠性反而下降。单从保证并联 系统中的每台l i p s 单机承担的负载量相同这一条件来看，由于环境温湿度的变 化、器件的老化、散热情况的差异等因素，随着时间的推移，要保证每台u p s 单机之间的负载平衡在技术上有很大的难度，再加上随着并联的数目增加，在有 互联线控制的并联系统中，铺设长距离的互联线也是很严重的故障隐患，这些因 素限制了并联l i p s 单机台数的增多。理论推导的结论是可以在理想条件下实现， 但与实际有较大差距。当然，随着技术进步，可并联的单机数目在不断地增加。 模块化的u p s 单机可实现标准化生产，但为了配合并联冗余使用，一般单 机容量较小，常见的为l k v a 5 k v a ，可以灵活组配各种用户供电需求。但可用 于并联冗余系统的u p s 价格较高，并联台数也有限制，所以1 0 k v a 以下的用户 是采用单体还是并联冗余系统供电要综合考虑各方面因素。 2 2 基于d s p 控制的u p s 单机模块 应用模块化并联冗余技术的u p s 系统主体部分是以u p s 单机模块作为其基 本单元。并联专用u p s 模块的并联控制环电路成为其控制电路的一部分集成在 单机模块中，提高了单机系统的电路复杂度，对单机控制提出了更高的要求。科 技发展至今已进入数字化时代，基于数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ， 简称d s p ) 对u p s 单机模块进行数字化控制，容易实现复杂的控制算法，硬件 通用性好，具有高度的灵活性和可移植性，使系统真正智能化。 目前美国德州仪器( t e x a si n s t n t m e n t s ，简称) 公司的1 m s 3 2 0 系列d s p 已成为中大功率电力电子应用场合的主流控制芯片，它的突出特点是采用了先进 的多总线并行结构和流水线的工作方式，从而极大地提高了系统的运行速度和数 字信号的处理能力【7 】【引。u p s 单机模块以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主控d s p 芯片， 采用数模混合控制方式，利用模拟电路处理快速的控制环反馈、实时保护功能， 同时由d s p 芯片处理采样数据、实现报警和通讯等基本监控功能。 u p s 单体为传统的双变换式l i p s ( 图2 1 ) ，主要包括两个变流器：将交流 变为直流的整流器( 同时实现a p f c 功能) 和将直流变为交流的逆变器( 半桥逆 变拓扑) 。在市电正常时，两个变流器同时工作，为负载提供符合供电要求的交 流电源，这个过程在市电正常时是一直进行的，所以是在线式的工作方式。整流 浙江大学硕士学位论文第二章u p s 模块并联控制技术 部分是由u c 3 8 5 4 b n 独立控制的b o o s t 型a p f c 电路，d s p 产生使能信号控制 u c 3 8 5 4 b n 实现a p f c 功能；逆变部分功能则完全由d s p 控制实现。 图2 1 基于d s p 控制的u p s 单机模块 u p s 单机模块的关键技术在于逆变电路的控制。基于s p 胁，调制技术的逆 变电路，本系统采用常见的输出电压外环、电感电流内环的双环控制策略，具有 动态响应快、系统静差小、自动限流功能，控制框图如图2 2 所示。 图2 2 双环控制下的单台逆变器控制框图唧 其中，g v c m p 固和g i c m p 御分别是电压环调节传递函数和电流环调节传递函 数；m 是脉宽调制电压比例增益；巧，( 彤分别是输出滤波器的电感、电容和 电感的寄生电阻；杨、鳓分别是电流环和电压环反馈系数。 d s p 自带的a d 通道跟随系统5 0 , u s ( 2 0 k h z 开关频率) 的时钟周期采样瞬 浙江大学硕士学位论文第二章u p s 模块并联控制技术 时系统各项参数：输入电压、电流，输出电压、电流，母线电压，电感电流等等。 利用d s p 的数据处理功能，结合模拟反馈控制电路，产生实时控制的p w m 脉 冲，通过外部的开关管驱动电路驱动功率开关器件完成系统功能。 应用数字技术，s p w m 调制技术所需的基准正弦波信号可以由d s p 根据市 电同步信号，利用内部正弦表查表生成s p w m 方波，再通过外部的低通滤波电 路获得，调节s p w m 方波的宽度就能改变基准正弦波信号的幅值。但是采用 s p w m 调制技术的逆变器，由于基准正弦波的直流分量、控制电路中运算放大器 的零漂、开关器件不一致以及驱动脉冲分配和死区时间的不对称等原因，造成输 出电压含有直流分量1 0 】。输出直流分量会对逆变器本身和交流负载产生不利影 响，必须消除直流分量来保障逆变器的可靠运行。 根据图2 2 的控制框图可以得到系统的闭环传递函数： 卜爿。2 而历而袭器篇矗丽 ( 式2 1 ) 令s = 0 ，得到对于直流分量的传递函数： g 女2 乱。4 百1 c 枷 式2 2 说明逆变器的输出电压直流分量与基准正弦波信号直流分量成比例关系， 比例系数为电压环反馈系数的倒数，电压环和电流环的调节传递函数对直流分量 的消除几乎没有影响，该结论同样适用于其他逆变器控制策略。虽然引起逆变器 输出电压含有直流成分的原因有很多，但是调节基准正弦波的直流分量能够影响 逆变器输出电压的直流成分，实现对逆变器输出电压直流分量的消除。 图2 3 输出电压直流分量的采样调理电路 - 1 5 v 1 5 vg n d 浙江大学硕士学位论文第二章u p s 模块并联控制技术 如图2 3 所示的采样调理电路，以是逆变器的输出电压，通过两级r c 低通 滤波器组成的二阶滤波电路，滤除交流成分。集成运算放大器i c z 、风、岛、g 为比例积分电路，为了不对逆变器的控制系统产生影响，直流分量调理环路的带 宽应远低于逆变器电压环的带宽，因此积分常数需取值较大，比例常数则需考虑 后级光耦的增益作综合考虑加以选取。如果逆变器输出含有正的直流分量，则i c l 的输出为一个正的直流电压值；如果输出含有负的直流分量，则i c i 的输出为一 个负的直流电压值。集成运算放大器1 ( 7 2 与光耦组成一个隔离型的比例放大器， 其比例增益为： 关：拿c r t ( 式2 3 ) 巧r 其中，c r t 为光耦的电流传输比。当直流分量为正时，i c 2 驱动o p t 2 ，在电阻 胄7 上产生一个负电压；当直流分量为负时，i c 2 驱动o p 乃，在电阻r 7 上产生一 个正电压。由此可见，光耦的输出与直流分量成负比例关系，胄，上的电压可以 直接叠加在基准正弦波信号上，从而消除直流分量。 c 2 v s p w u 玩 图2 4 基准正弦波的产生及直流分量的叠加电路 图2 4 是基准正弦波的产生及直流分量叠加电路。u s e s , u 是d s p 查表产生的 s p w m 方波信号，电容。起隔直作用。集成运算放大器i c l 和r 2 、毋、心、毋、 c z 、o 组成一个典型的s a l l e n - k e y 二阶有源滤波器【1 1 】，令r 2 = r 3 = r ，c 2 = o = c ，其传递函数为： g ( 加等= 雨可丙k 面i 面 式2 4 ) 其中，k = 1 + 足r , 为比例增益。d s p 产生的s p w m 方波信号被滤成光滑、高 浙江大学硕士学位论文 第二章l i p s 模块并联控制技术 质量的基准正弦波，作为逆变器控制电路的基准。图2 3 电路产生的直流分量调 制信号通过r ，叠加到基准正弦波上，再经过逆变器的闭环调节系统实现输出 电压直流分量的消除。 2 3 逆交器并联技术 u p s 模块并联运行由单机模块中的逆变单元实现，所以关键技术是多台逆变 器并联运行技术。如何减小环流、实现均流是逆变器并联技术的重点和难点。 2 3 1 逆变器并联运行的条件0 1 2 l 【1 3 l 前面介绍的u p s 并联运行的条件为： ( 1 ) 保证并联的u p s 单机之间无破坏性的环流产生。 ( 2 ) 保证并联系统中的每台u p s 单机承担的负载量相同。 这就是逆变器并联技术所需要达到的目的。作为电压型逆变器来说，输出电 压和输出阻抗是并联运行时最主要的电路参数，通过戴维南变换，每个单台逆变 器都可以用电压源和输出阻抗所组成的等效电路替代。输出阻抗由电路参数和控 制环参数决定，本文暂不予讨论。 以两台逆变器并联为例( 图2 5 ) ，分析输出电压对并联系统的影响。 图2 5 两台逆变器并联运行等效模型 其中，u 、是逆变器输出的s p w m 电压；l i 、1 2 、a 、o 是逆变器输 出滤波电感和滤波电容；凡是公共负载。假设两台逆变器l c 滤波电路的参数是 一样的，即l 1 = 1 2 = 厶a = c 2 = c ，可以得到： 浙江大学硕士学位论文第二章u p s 模块并联控制技术 。= 生旦+ 一1 “。【一1 i 2 c o l 2r + _ ，2 葩) ( 式2 5 ) l lp 、 ， 。 。= 糌削1 d 【_ 1 2r 啦嬲) ( 乱6 ) ，2 珊 ”、。7 从两式中可以看出，每台逆变器的电感电流分为两部分：i 1c ，。【i 1 + _ ，2 葩) 由负载 和输出滤波电容决定，这一部分是相同的；! j 蛊就是环流。 抑制环流是并联技术要达到的目标。根据环流的表达式，针对输出电压与环 流的关系，为抑制环流，逆变并联系统要保证： 反= 玩= = 玩 ( 式2 7 ) 根据上式，逆变器并联需要满足以下三个条件： ( 1 ) 每台逆变器输出电压的幅值必须相等。 ( 2 ) 每台逆变器输出电压的频率必须相等。 ( 3 ) 短台滞蛮器输出电压的相付一必须相等。 2 3 2 无主从同步均流技术 基于模块化并联冗余系统的模块之间相对独立的特点，系统采用无主从同步 均流技术1 3 】，其特性为： ( 1 ) 采用分布式并联控制方式，基准同步环节、电压环、电流环和均流环分 散在各个逆变单元中，彼此之间完全等价，因此模块既可单机运行也可并联运行。 ( 2 ) 无需额外的控制模块，只需要通过少量的互联信号线就能实现输出同步 和均流。 ( 3 ) 并联系统无主从机之分，任何一个模块既可做主机也可做从机，完全取 决于先开机者为主机、后开机者都是从机的原则，一旦作为并联主机的模块因故 障而停机，自动在余下的从机中生成新的并联主机接替原主机的工作。 无主从同步均流技术需要互联信号线实现输出同步和均流，每个u p s 单机 模块的互联信号线接口如图2 6 所示： 浙江大学硕士学位论文第二章u p s 模块并联控制技术 l 口i1 ：s h a r e g n d i o l2 ：s h a r e b u s l o l3 ：s h a r e g n d l o i4 ：s y n c h r o n o u sb u s + l oi5 ：s y n c h r o n o u sb u s 1 0 l6 ：c a n b u s + l o l7 ：c a n b u s ( 町逆变单元的并联互联信号线接口 i ：4 8 5 b u s +黄9 ：4 8 5 b u s g n d黑 2 ：4 8 5b u s 白 1 0 ：r e s e r v e d 3 ：r e s e r v e d1 1 ：c a nb u s + 红 4 ：s y n c h r o n o u s b u s + 绿 1 2 ：c a n b u s - 蓝 5 ：s y n c h r o n o u sb u s 一灰 1 3 ：c a ng n d 暂缺 6 ：r c s e r v e d1 4 ：s h a r e b u s 黄 7 ：s h a r e g n d红1 5 ：s h a r e g n d绿 8 ：s h a r e b u s 黑 其中：1 、2 、4 、5 、9 、1 1 、1 2 一屏蔽线a ， 屏蔽线b 。 ( b ) 机箱互联信号线接口 图2 6 单机模块的互联信号线接口 逆变单元的s h a r e b u s 是均流母线，为模拟信号，用于模拟电路的均流环控 制；同步总线和c a n 总线为数字信号互联线，用于同步控制和并联数据通讯。 机箱1 5 芯接口中的4 8 5b u s 是单机监控模块的外部通讯链路，下一章将会详细 介绍。 作为电力电子设备，运行时产生电磁干扰不可避免，并联单机模块互联信号 线的抗干扰能力要求比较高。较多应用于汽车电子中的c a n 总线技术，是一种 有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，由于其卓越的特性、极高的可 靠性和独特的协议设计，特别适合工业工程监控设备的互连。作为单机主控d s p 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 集成c a n 控制器，能方便地构建c a n 总线，所以系统的 数字信号互联线( 同步总线与并机通讯总线) 全部采用c a n 总线架构，硬件电 路如图2 7 所示( 6 n 1 3 7 是高速数字光耦，8 2 c 5 2 0 是c a n 总线接口芯片) 。 浙江大学硕士学位论文第二章u p s 模块并联控制技术 图2 7 数字信号互联线的硬件电路 2 3 3 同步相位跟踪的实现 同步总线( s y n c h r o n o u sb u s ) 的作用在于使并联系统中的各个逆变单元输出 电压的相位保持一致，即所谓的锁相功能。只要每个工频周期各个逆变单元实现 相位同步，输出电压的频率也能够保证是一致的，因此同频和锁相可以由同步总 线统一实现。 无主从同步均流技术是一种改进型的主从控制方式，只是淡化并联主机的特 殊性，在系统运行的任一时刻仍然是主从机控制方式。当并联系统中多个逆变器 一起上电的时候，各单机之间通过同步总线的竞争机制自动生成并联主机，即最 早发出同步信号的单机成为并联主机。由并联主机向同步总线发出的同步信号将 成为各从机运行的时序依据，实现并联模块间的同步运行。 所谓同步信号，就是并联主机检测旁路电源( 市电) 而产生的一个与旁路电 源电压同相位的方波信号，它是并联系统的时序基准，因此非常重要。 并联主机通过数字锁相环实现与旁路电源电压的锁相，先通过电压过零点采 塑婆查堂堡主兰垡丝壅 蔓三兰竺! 堡堡茎壁丝鱼! i ! 查 样硬件电路( 图2 8 ) 得到电压过零信号，这是一个用比较器l m 3 9 3 建立的同向 滞回比较电路，可以把获取的交流采样信号转化为方波信号，方波的上升沿和下 降沿就是交流信号的过零点，滞回比较器的回差特性可以有效防止电路的误触 发，抗干扰能力加强。