（电路与系统专业论文）基于DSP的串并联在线补偿式UPS的设计研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 摘要 不间断电源( u p s ) 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d c a c 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问断交流电源，；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，u p s 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( d s p ) ，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e 两种新兴技术与在线补偿式u p s 的结合产物一基于d s p 的串并联在线 偿式u p s 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u p s ( u n i n t e r r u p t a b l e p o w e rs u p p l y ) 的作用、分类以 及发展趋势，及串并联u p s 电路结构的特点、工作原理，以及u p s 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d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 为控制c p u 来实现这一电路的设计方案，包括硬件设计( 电路原理陶的设计、芯片 选型等) 、软件设计( 主要包括u p s 逆变器p w m 波形的重复控制算法的软件设计、 d s p 与以太控制器接口的软件设计、d s p 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p s p i c e 、 m a tl a b 等软件进行r 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d s p 的串并联在线补偿式u p s 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；d ef t a 变换技术；重复控制：脉宽调制 基 o s | ，f j 并联柜缝朴偿方式的s 的没汁研究 a b s t r a c t u p si su s e dw i d e l yi n p o w e r ，f i r ec o n t r o l ，s t r u c t u r e ，c o m m u n i c a t i o n ，p o w e ra n d o t h e r s 。i th a st v v om a i nf u n c t i o n s ：f i r s t l y ，w h e np o w e rs t o p s , i t p r o v i d e se q u i p m e n t s p o w e rc o n t i n u a l l y ，b yd c a cc o n v e r t ；s e c o n d l y ，i ta c t sa saf i l t e rb e t w e e np o w e r n e ta n d e q u i p m e n t s ，t op r e v e n td i s t u r bf r o me a c ho t h e r n o wi td e v e l o p sr a p i d l y ，a n dh a sm u c h n e wt e c h n i q u e + i nt h o s e ，t h e r ea r ct w om o s t i m p o r t a n ta r e a s ，o h e i s s e r i a l - p a r a l l e l c o n n e c t k mc i r c u i t s t r u c t u r e ， g e t t i n g a n a d v a n t a g e o v e ro t h e r s ；t h eo t h e ri sd s p c o n t r o lt e c h n i q u e ，w i n n i n ga na d v a n t a g eo fp r e c i s i o na n da u t h e n t i c i t yt h a no t h e rc o n t r o l t e c h n i q u e t h e p a p e r i sn o to n l yt h es u m m a r yo fm y s t u d y i n gt h eu p p e r t w o t e c h n i q u e sd u r i n g w r i t i n gm a s t e rp a p e r ，b u ta l s ot h ec o l l a t i o nf o rm yw o r k i n ga tt h i si t e mi n af a c t o r yf o r a l m o s to n ey e a r ，t h ep a p e ra n a l y s e sf i r s t l yt h ea c t i o n ，s o r t ，d e v e l o p m e n td i r e c t i o no f u p s ，w h i c hi s t h ea b b r e v i a t i o nf o r u n i n t e r r u p t a b l e p o w e rs u p p l y ，a n da n a l y s e st h e c h a r a c t e r i s t i c ，w o r kt h e o r yo ft h ec i r c u i ts t r u c t u r eo f t h es e r i e s p a r a l l e lc o n n e c t i o nu p s ， a n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fu p s ；t h e nb r i n gf o r w a r d sd e s i g np l a n ，w h i c hi su s i n gd s p ( t h e a b b r e v i a t i o nf o r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) a s c o n t r o l l e rt or e a l i z et h e u p p e r s e r i e s * p a r a l l e lc o n n e c t i o nu p s ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g n ( f o re x a m p l e ，c i r c u i tp r i n c i p l e d r a w i n g ，c h i p - s e l e c t i n g ，e t c ) a n ds o f t w a r ed e s i g n ( f o re x a m p l e ，r e p e t i t i v ec o n t r o la p p l i e d i nc o n t r o lo fap w m n v e r t e ri nu p s ，i n t e r f a c eb e t w e e nd s pa n de t h e rc o n t r o l l e r , a n d i n t e r f a c eb e t w e e nd s pa n dl c d ，e t c ) ；a n dt h e nr e s e a r c h e st h ea r i t h m e t i c ，c o n f i r m st h e a r i t h m e t i c s y s t e mu s i n ga d a p t i v er e p e t i t i v e c o n t r o la s c o r e ， e m u l a t e sa n dm a k e s e x p e r i m e n t t h i sa r i t h m e t i cw i t hm a t l a b ，p s p i c es o f t w a r e ，a n d v a l i d a t e st h e r a t i o n a l i t yo ft h i sa r i t h m e t i c 。 t h ep a p e rm a i n l yp r o v i d e ss e l l = c o n t a i n e ds y s t e mi n f oa n dd e s i g np l a nf o ri t e m d s p - b a s e dc o n t r o lp l a nf o rs e r i e s - p a r a l l e lc o n n e c t i o nu p si m b u r s e db yb o t hf a c t o r ya n d c o l l e g e ，s t u d i e sc i r c u i ts t r u c t u r e ，a r i t h m e t i ca n dp r o g r a m ，a n df i n a l l yo f f e r sa s e to fm a t h m o d e l s e r v i n gt b rt h ei t e m ss u b s e q u e n c e w o r k e r k e y w o r d s ：d s i ；u p s ；r e p e t i t i v ec o n t r o l ；6c o n v e r s i o nt e c h n i q u e ；p w m ； l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所旱交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：令撕 曰期：脚月狮 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 导师签名 日期：m 年月圩日 日期：硼乒年华月g ) 扩叶习 1 1 选题背景 第1 章绪论 u p s ( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ，即“不间断电源”) 是一种不问断供 电装置，当普通的交流电电源发生中断时，u p s 仍能为用电设备主要是计算机系 统持续供电段时问，从而保证设备的正常运转。u p s 广泛应用于电力、通信、 银行和证券等行业。 u p s 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，u p s 都能提供解决方案。 1 凋节异常电压 早期的u p s 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u p s 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u p s 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w 。比如电压中断( b l a c k o u t ) 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 1 i 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 掘。 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 f 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 u p s 则足全面解决问题的最佳方案w 。另据来自国家电监会的资料表明，今年1 3 月份我国电力需求增长了1 6 ，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2 4 小时畅 通无阻与数据安全，u p s 的作用不可替代，也决不是可有可无的。 本课题是湖南省信息产业厅基金资助项目( 湘信函 2 0 0 3 3 4 号) 。研究工作 基丁d s p 串并联住线补偿方式的u p s 的设计研究 由湖南大学电气与信息工程学院与青岛创统科技有限公司合作开发基于d s p 的串 并联型u p s ，该型u p s 从技术上明显优于其它类型u p s ( 见后述部分) ，目前只有 美国a p c 公司的s i i c o n 系列用单片机实现了串并联技术，但结构繁杂，成本高昂。 青岛创统公司投资研发该类产品已有多年，曾与中国航空航天研究所、山东大学 等多家科研单位合作，并购置了s i i c o n 系列多台样机，积累了该型产品的很多技 术。 1 2u p s 基础及国内外研究现状、发展趋势 1 2 1t i p s 基本分类 目前市场上已经有不同类型的u p s ，按u p s 的工作方式可分为后备式u p s 电 源、在线互动式u p s 电源、双变换在线式u p s 电源及串并联在线补偿式四大类”。n ，。 1 2 11 后备式u p s 后备式u p s ，又称离线式( o f fl i t i e ) ，新标准i e c 6 2 0 4 0 3 规定为被动后备式 ( p a s s i v es t a n d b y ) 。具有b a c k 或b a c ku p ，s t a n d yb y 等字眼的一般均为后备 式u p s 。后备机的容罱一般在2 k v a 以f 。 后备式u p s 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 稳胍处理的”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 。 自动电压调节 u i 1 a c ，7f 7 l ，7d c 充电器 图1 1 后备式u p s 框图 若对市电进行了调压a v r ( 自动电压调节，。般只是变压器简孽抽头调压) ，则 负载获得的电压是由市电进行了定范围的稳压，厂商称为b a c k - a v ru p s 。 【-_【_l rva 1 舱 ；瓣 一d 逆 一l 曲 坝i ：学位论文 揪掘逆变器的输出波形不i 司，后备式u p s 义分为 朗杰波输出u p s 和方波输汁 l h s 。方波 p s 不能带门) 匕灯、磁带机等感性负载，感性负载会导致方波的l 二升沿、 f 降沿尖峰十扰的峰值急剧增大，容易损坏s 或负载。但因方波后备式l i p s 的 价洛便。自：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，技术卜讲可靠性是最高的。般采用 1 2 v d c 7 a i t 电池一节或两节、推挽工作方式、】! 频变压器升艇、继电器转换。 1 2 1 2 在线互动式u p s 在线互动式u p s 在市电正常时，供给负载为改良了的市电，市电故漳时，负 载完全由电池逆变供电。 存线h 动式u p s 在市电l e 常时，供给负载为改良了的市电，市电故障时，负 载完全 _ i 电池逆变供电。在线互动式( 1 i f i e i n t e r a c t i v e ) u p s 中有一个双向变换 器( b id ir e c t i o n a lc o r l v e l e r ) ，既可以当逆变器使阁，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丽作为充电器给电池充电。在线互 动式u p s 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。 输入 输出 图12 在线互动式式u p s 框图 图1 2 巾交流输入端1 i n 为第一端口，双向变换器绕组7 - 8 为笫二端口，输 5 电压端【。0 一n 为第三端口。当输入市电在规定范围内变化时，u p s 通过调整变压 器的 f j j 头来大致稳定输出电胍。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l f ：取向变换器的逆 变乍状态，进入充电状态，这时输出由市电供电。 翻1 2 中桥臂的每个) r 关管上反并联了：极管，有两个作用：一是功率管截 i l i 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呵盼组 成一个全波穗流器，在逆变器s 1 s 4 不工作，市电向负载供电的同时，双向变换 器绕纠作为t 变压器t 的次级绕组7 - 8 有电压存在，这个电压经d 卜d 4 整流后向 乜池组充电。只要电池纽不工作，充电过程就一直进行。 在线互动式省掉了后备式u p s 的附加充电器，其充电能力要比附加充电器强 的多，当要求k 的延时供i 乜时，无须再增加机外充电设备：如果需要对输入输出 进行 n 气隔离，则可改变j _ ) ；器自耦式为隔离式。这利t 拓扑与双变换式相比，由 二 盯 。，lnl 一 阻 、， 、 一硅斗巾_斗 、“。娶“；蟛 遗咚；虬 一 ，2 叫_ u 【o o斗一一。 基】：d s p 串并联往线补偿方式的u p s 的设计列f 究 没有经过两次变换，其功率损失明娃低于双变换机，因而效率高，可达9 5 以【：； 在市电供f 乜时过载能力可达2 0 0 ：不带p f c 的双变换 _ 1 于采用可控硅( 或= 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，在输入电胍或负载电流突变时，输出电压突变较大，恢复到 新稳念所需时间长； 稳压精度较差；剥电网适应范吲窄，如要提高精度和适应范围，则必须增加 变压器抽头数； p s 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 网数也只有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。 1 2 1 3 在线双变换u p s 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u p s 正常工作时，电能经过了a c d c ， d c a c 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u p s 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( s c r ) 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u p s 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u p s 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d s p 数字信号处理器和各种智能处理 控制器的使用，u p s 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u p s 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a p c 公司的2 款机器和山特 的m t 一5 0 0 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。 c h r o m a9 1 0 3 和d e l t ag e s 2 0 2 n 除了在开机时对机器进行自检外，还可通过监控 一4 一 硕士。7 ：位论文 软件随时控制机器避行自稳，及时发现机器运行的一些故障隐患，及早采取措施， 进步提高了机器运行的可靠性”，。智能化程度和可管理陡都非常融色，除a p c b k 5 0 0 外，其他所有产品都配置了r s - 2 3 2 接口，而3 款在线式产龋还提供了可选 网络接口。同时我们发现产晶监控软 牛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秘越来越多。其中，台达公司的s m a r t2 0 0 0u p s 监控 软件在测试中给我们鼹下了很深的印象，不仅可管理的项目非常丰富，丽屐诸如 输入电压范围、开祝输入电聪范围等u p s 运行参数都可汉通过s m a r t2 0 0 0 进行设 鼹，用户可以根据自己使用电网的实际情况灵活设鼹机器进彳亍保护和切换的参数， 最大鞭度地缣护u p s 机器本身，同时也可戳充分发挥机器髋能。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 i ；l 中的任俺一台p c 或灏务器上管理u p s ，还可以通过函特网对u p s 实现远程箍控和 管理。u p s 敝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 通过向预设静静梳帮电话避行呼嘲酾向指定信藉黢送e m a i l 方式蜜现。用户可报 据自融的个人喜好灵活选择照示界觚。对于参数的监视和记录除了数字方式外， 还使掰了表稔、菇线、趋势鞠、图形等多释方式“1 。 相对来说，后备式u p s 的智能化程度还不够商，可管理的项目和内容也不够 丰富，一般只髓完戒些u p s 豹获态箍控和开关撬辩蠲等麓肇顼嚣豹设置彝控制。 1 2 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遂步应用，可以预见：今后u p s 电源将向羲离频他、数字化、智能化、鼹终化和大褰量单搬冗余化的方向发展“。 1 电压串并联补偿高频双向逆变技术 使用电避串著联聿 偿高频双向逆变技术( d e l t 8 逆变技术) 的典型产品是a p c 公司的s i i c o n 系列大型u p s ，d e l t a 逆变技术在傈特了传统双变换在线式u p s 的 全部赢性能输出指撂的瞬时，在对嗽网适应能力和输出能力两个方馥有了熏大改 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。 乜路结构采用串并联的商频双向变换技术。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闷题。使其发展前途受限。高频化概念 的引入，给u p s 的发袋带来了许多新的思路和空间，随着高频技术和器件的发展， 3 k v a 及以下的高频率在线式u p s 的技术和产品已经成熟，其功能n 可靠性均应高 于传统u p s ，高频率对于减小体积、降低成本，以及对菲线性负载有更好的响应 上起麓重要的作用。 在技术先进的国家，瑙离频双向变换技术和串并联电路形式构成的髑户电力 橱节装鼹( c u s t o m p o w e r ) 和u p s 已经形成商用化产品，而在我国，这些产品尚处 毖1 ：d s pq ；并联在线补偿方式的u i ，s 的设计研究 在起步研究阶段。但图外产品( 主强是a p c ( s i l c o l l ) 的d p 3 0 0 e 系列) 采用单片机 佟走差控芯片，结赡复杂，元中| ：拣立，仅控剡援翡p c b 板藏毒8 髅，残本昂贵， 难以推广。 东毫滚学术雾，特爨是在送船魄力、遴添、毫傣、鄄魄等应蠲领域，对燕技 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( 交滚稳压) 、无功和谐波 偿、旗能蟪第等多璞功能，是用户瞧力综合谖节装 置( ( u s t o m p o w e r ) 、不停电供电系统( u p s ) 和交流稳压装嚣( a v r ) 的最新电路 技术秘发展越势。 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u p s 新技术” 专题报告会上，串并联u p s 被与会专家公认必是一磺趋势瞧技术，瓣兹全蠼爨仅毒 美国a p c ( s i l c o n ) 拥有该项技术的产品d p 3 0 0 e 3 0 0 0 系列。 2 数字纯 u p s 的核心部分控制部分，以前采嗣模拟方法，后来采用以单片机为主的 m p u ( 如美国a p c ( s i l c o n ) 及尽裁大多数公司的产品) ，仅限于谤如逻辑拄巷， 系统运行数据纪录以及通信和显示，其余诸如高撷功率交换等控制仍依赖于运算 放大嚣电路。以d s p ( d i g i t a ts i g n a lp r o c e s s ) 结食m p u 的全数字控制技术是未 来u p s 的主流。此类产品如：科尔茂在中小功率方面的c h r o m au p s ，国内的中兴 通讯的z x u p s 系列，深圳华为安圣呶气( 现为爱默生兼并) 的i t r u s t 系列。其余 公司洙见有d s p 产晶。 目前国内u p s 生产厂家都沿袭浆甩传统的双变换技术，值得一提的是国内的 中信公司、安圣电气公司已经用d s p 技术开发出传统豹双嶷换u p s 。 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u p s 其m c u 主流是d s p ，其电路缭构静必然趋势是采用率并联黧补偿式。 3 + 智能化 澈娃理器在u p s 上的应瘸，过去只在大、中垄u p s 上来爝，邋年来已逐渐商 小型、微型u p s 方面发展，其结果赵u p s 的镏能化发展，包括控制、检测、通信。 u p s 逐渐由计算凝管建，并藏计算枫及鳋设撬叠燕”应 尊一些可雏颈觅翻静离 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 理安，授予遂雩亍远程管理。 4 网络化 爨u p s 缴为网络家庭一个残员豹要求越来越遍切，强为它是黼络能藏鬻运季亍 的基础。要求u p s 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， 著熊镑透过禁秘捷铡达成受裁之淘静动态甏溪一。 5 大容缴单机冗余化 一6 硕七学 口论文 由丁网络对u p s 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u p s 的单机内冗余已出现。而大容量 的u p s 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i n t e r n e t 技术监控的u p s 系统将成为未来u p s 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u p s 的发展趋势。 因此，如何定位u p s 的研究方向，如何提高国产u p s 的科技含量和技术竞争 力，已成为急需解决的重要科学问题。 出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，丽是供电 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u p s ”，而不能采用一 般的u p s 。尤其国防应用上，该型u p s 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。 1 3 本文研究工作的意义和主要内容 从u p s 控制技术发展方向上看，已经有越来越多的u p s 开始采用d s p 技术， 以提高u p s 的性能和可靠性。目前，大功率u p s 采用d s p 技术已经比较普遍，最 新的发展趋势是，中小功率的u p s 也已经开始采用d s p 技术。最近，科尔茂公司 采用美国t i 公司的d s p 技术率先在国内推出9 1 0 0 系列u p s ，提高了中小功率u p s 的性能。对于u p s 来说，采用d s p 技术将使u p s 的性能得到很大的提高。传统的 技术，处理速度的限制自然也限制了u p s 的反应速度，而采用d s p 技术后，处理 能力大幅提高。此外，传统u p s 技术采用类比的方式进行控制，其精度会因元件 的老化等因素而降低，一般u p s 的电压变化都在2 以上，但采用d s p 技术后， 输i 叶j 稳定度有很大提高，变化不超过l 。在波形失真方面，传统技术在切入转 换时失真可能会达到3 5 ，但采用了d s p 技术的产品失真度会控制在2 以 下。tj 公司在世界d s p 技术领域一直处于领先地位，其市场占有率占全球应用市 场的4 8 。为了扩展d s p 技术的应用领域，t i 也在不断开发新的平台。科尔茂此 次推出的产品是基于t ic 2 4 x 平台开发的，该平台具有高速实时运算处理能力以 及控制单元整合及完整的产品开发工具和开发环境。此外，t i 公司已经越来越重 丛】d s p f # 并联在线补偿方式的u p s 的殴计研究 视控制类d s p 平台的开发，其最新产品已经明确把u p s 的应用作为d s p 应用的重 要方向之一，相信随着价格的降低，d s p 在u p s 的应用将走向普及m ，。 鉴于以上调研，本项目设计的u p s 定位于电路结构采用串并联型补偿式电路 结构、控制策略采用d s p 芯片的u p s 。它既保留了其全部在线功能和输出电压高 质量，又使得它的很多关键性能指标得到改善。它不仅消除了对电网的污染，更 重要的是它的输出能力高、可靠性强，是一个极有开发前景的技术方案。因此， 对采用d s p 控制技术的串并联型u p s 进行研究和改进有着重大的意义。其研究成 果将填补国内空白，并达到国际先进水平，同时采用d s p 控制技术的串并联型u p s 在我国的推广应用也必将给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益m 。运 用d s p 做为主控c p u ，以重复控制理论为核心算法，选取电压、电流以及频率作 为控制变量，搭建串并联硬件电路、d s p 硬件平台，进行硬件仿真、软件建模， 从而为下一步具体实现该产品奠定理论基础。本论文共分五章，本章阐述了论文 选题的重要意义，并对国内外研究现状与发展趋势作了简要回顾。第二章介绍基 于d s p 的串并联u p s 的总体设计方案。第三章是硬件设计，即运用d s p 技术实现 串并联的主电路设计。第四章则是软件设计，主要探讨用改进了的自适应重复控 制算法来实现u p s 逆变器的控制。分析核心算法，即自适应重复控制算法。第五 章运用p s p i c e ，m a t l a b 等软件对串并联u p s 电路进行仿真，进行定性定量研究， 最后在总结全文的基础上，探讨了整个设计方案实现的功能和存在的问题。 硕十学何论文 第二章基于d s p 的串并联u p s 的总体设计方案 2 1 u p s 逆变器控制策略 2 1 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u p s 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，u p s 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u p s 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u p s 大都采用p w m 逆变器，p w m 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u p s 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u p s 开发上 的一项关键技术。 总体上来说，u p s 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p i 、p i d 等调节器实施容易，在u p s 中得到广泛 应用。但是，p l 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 彳；容易满足要求。实际系统往往在p i 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 骢丁| d s i 书并联在线补偿方式的u p s 的设计研宄 偿，稳态时可以实现无静差控制效果。无差拍( d e a d b e a t ) 控制是在控制对象离 数数学模型鹣基礁上，通过旋翅精确诗箕懿控毒量寒使褥羧调量熬稼差在一个采 样周期时问内得到纠i e 。早期的无羞拍波形控制是基于阻性负载假设，负栽适应 洼差。现在采瘸挠砖溪溅器可以实孵预测受簸电滚，显蓑增强了受载适应瞧，是 无羞拍控制的大改进。针对计算瑟时影响赢流电压利用率的问题，可以通过双 极性p 轷礁溺糕方式搬以一定援度鹣改落，或者在算法上采取特隳的於偿揩壤，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。无差拍掇制最 显著越佬势怒其菲嗣罨掌的快速性，这在u p s 逆变嚣控制申意义墼大，但疑最大 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 除误麓的效累，往往采取非常剧烈的拄隹动作，当理想模型与实际对象有茇异时， 这样做不仅达不到无麓拍效果，反而会引起输出电聪的振荡，不利于逆变器的安 金稳定运行。 总之，在向非线性整流颓载供电时仍能输出波形良好豹正弦电压并具有快速 的电愿动态调整能力髑稳态糯度是u p s 逆交器控制技术的皴终目的所在。 2 1 2 无差拍控制算法 无差掐羧潮( d e a db e a tc o n t r o l ，蓠称d b c ) 莛一耱全数字健懿整镧技术， 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 致襻蠲期静麓始篷，壤浏在芙予疆榉瘸羯中一洛对称瓣方波艨潦佟掰下菜惫游变量 在取样周期= 拳尾时的值。适幽控制方波脉冲的极性与宽度，就能使输出波形与要 求熬参数波形耋台。不叛调整每一瑕群周麓内方波歉建熬搬性与蹇痰，裁缝获霉 谐波必真小的输出。其优点是动态响应很快，易于计算机执行。无蒺拍控制逆变 器也存在翔下诸多缺点； 1 对系统参数依赖性较大； 2 。磐辖燧较差； 3 瞬态响应的超调量大： 4 诗算弱实时憋强，对嫒传要求褒。 为克服d b c 的以上种种不足，因内外学者做了一些大服尝试。文献“”中提出 了一糖带受裁电流戏测器的d b c ，镁定负载魄淡变健率在鬃撵闽隧保持不变，瘸 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 滚，提赢了对不同负载性质蛉适应性。随着数字信号处理擎片枫( d s p ) 应用的不瞬 普及，这是种很有前途的控制方法。在u p s 中，跟踪参考信号的控制方法是决 定有源滤波器 偿质疑的关键。因为，只奢求键补偿信号参考值艨，奠能遁过反 馈环节和控制变流器的开关元件使交流器产生与参考信号相等的实际信号。文献 表明：用基于d b c 的u p s 的输出可以很好地跟踪参考渚波电压信号t 使负裁端的 硕十学位论文 电压波形接近于正弦波，这种a p f 即使在丌关频率比较低的情况下也有着良好的 动静态响应n “。 2 1 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l 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 种重复控制系统。其中，尸f d 表示具有瞬时跟踪闭环反馈控制的光伏逆变器系统， s 例和p 例是重复控制器的补偿环节，( k j 是参考信号，俐是系统输出电压， e 例是跟踪误差，t 俐是重复控制器补偿后的参考指令。 扰动输入d 化，到跟踪误差e6 u 的传函可表示为“ 坼) 2 舞。磊11 一q ( z l z ( 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 h ( ，) = h ( z ) l ， ( 2 2 ) 。芦，窿 图2 1 逆变重复控制框图 如果d 俐的频率是基波周期的整数倍，并假定印俐= 1 且只例稳定，有 1 d 6 2 , j i = o ( 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，一般取口例 1 ，这样就有 、， l圳= d + ? n 1 、ll一叽 基i id s p 串弗联在线补偿方式的u p s 的设计研究 l d 。， v o v 1 l n v：! 鬲1 隧2 6 高频双向变换器的波搿图 所以，传统双交换在线式u p s 应把改善输入功率强数和减小输入电流谐波散为技 术进步的重要项目之一，现已有不少厂家胡工力率因数校正技术改造爿卜彤逆变器 和u p s ，可使输入功率因数携高到0 9 9 ，如图2 7 所示。萁基本鞭理是控制电路 强制输入电流跟踪输入电压实现j 下弦化，并与输入电压同步。 此电路的特点与功能是： ( 1 ) 采用升压开关电路( b o o s t ) ； ( 2 ) ，输入功率因数补偿效采理想，可这到0 9 9 ； ( 3 ) 可稳定输出直流电压“； ( 4 ) 。功攀强度为1 0 0 受载功率，做大功率有潮难。 将高频双向逆变器串连在5 0 h z 交流主电路中，同样有非常理想的功率因数校 爱功黥，我们把萄2 5 和图2 7 掰示电路等效至l 交艇器鹃 寸边，翔阉2 8 掰示： 图中：门：变聪器匝数比；如：电池电压鲋和e 2 ；麒图2 5 中的开芙管肼和肥， 输入燕半蠲时船工伟，负半髑1 ( 2 工作；捩萄2 5 中的二辍警掰和d 2 , 输入委 半周时膨工作，负半周们工作；盱+ n e c ：逆变器输出功率时加在电感前端的 晏 硕士学位论文 f 乜压，电感电流征电压( h + n e c f o ) 的作用下增加：盱一n e c ：逆变器吸收功 率利加在电感l 前端的电压，电感在电压( 一+ n e c ) 的作用下续流；助反 馈给0 ：逆变器，经过主逆变器调 厂 研。 l v 0 al 上 i l i c i ! 生 图2 7 功率因数校正技术的一种电路图 l re c 图28 理想的功军因数校正技术电路图 整与电池并连的电容的电压，然后反馈给d e l t a 逆变器的控制电路；p f c 控制： d e l t a 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 8 所示电路的特点与功能是： ( 1 ) 采用降压开关电路( b u c k ) ； ( 2 ) 输入功率因数补偿效