（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的串并联补偿型ups电源技术的研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n i n t e r r u p u b l ep o w e rs u p p l yi sw i d e l yu s e di n f i r e f i g h t i n g ，c o n s t r u c t i o n ， t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，e l e c t r i o i t ya n dv a n s p o r t a t i o na n do t h e ri n d u s t r i e s i th a st w o b a s i c f u n c t i o n s ：f i r 对，w h i l e p o w e r b l a c k o u t s ，t h o u g h d c a c c o n v e r e j o n ，i t i n v e r t a c o ft h eb a t t e r yt od ct op r o v i d ec o n t i n u o u sa cp o w e rf u rt h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t ； s e c o n d ti tc a np r o v i d ea ni s o l a t e dn e t w o r kb e t w e e nt h ee l e c t r i c i t yg r i da n de q u i p m e n tt o a v o i dt h es h o c k sa n dd i s t u r b a n c e s b e c a u s eo ft h i sd u a lf u n c t i o n ，u p s d e v e l o p e dr a p i d l y i nr e c e m y e a r s ，t h e r eh a v eb e e na l o to fe m e r g i n gt e c h n o l o g i e sa n dd e v e l o p m e n t v e n d s t h e r ea r et w op a r t i c u l a r l yn o t e w o r t h y t r e n d s ：f i r s t ， s e d a s p a r a l l e lc i r c u i tt o p o l o g yf d e l t a t r a n s f o r mt e c h n o l o g y ) i sf a rb e t t e rt h a nt h ec u r r e n ts e p a r a t es e d e eo rp a r a l l e ls e r i e s ； s e c o n d ，t h er s e l - t j m e ，a c c u r a c yo rr e l i a b i l i t yo fd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gj c o n t r o l t e c h n o l o g y ，h a v eb e e nm u c hb e t t e rt h a nt h ee x i s t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g i e s f i r s t 咻t h i sp a p e ra n a l y z e st h er o l eo ft h eu p s a sw e l l 髂t h ec u r r e n td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n tt r e n d s ，o ft h em a j o rt o p i c so fs t u d ya n dr e s e a r c hm e t h o d s ， n e x ti n t r o d u c i n gt h eu p s s o r t i n ga n ds e r i a la n dp a r a l l e lu p s c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i r c u i t s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，c o m p r e h e n s i v ec o m p e r i $ o no fd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d s ，a r e p e t i t i v ec o n t r o lu p s c o n t r o ls t r a t e g y ；t h e nt h e yb r o u g h tf o r w a r da d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) f o rt h ec o n t r o lo fc p ut oa c h i e v et h i sc i r c u i td e s i g np r o g r a mi n c l u d et h e o v e r a l lc o n t r o lp r o g r a md i a g r a m ( i n c l u d i n ga l lr e l a t e da n dp a r to ft h er o l eo ft h eh a r d w a r e p l a t f o r m ) s o f t w a r e d e s i g n i i n c l u d i n g p l l d e s i g n ，t h es e l e c t i o no f p w ms i g n a l ，t h e r s 4 8 5 c o m m u n i c a t i o np r o g r a md e s i g n ) t h e s o f t w a r eo f d e s i g n i s p a r t o ft i s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d i g i t a l 萌g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，f o r t h es i g n a lp r o c e s s o r t o c o m p l e t e t h e p r e p a r a t i o no ft h es o f t w a r e ，e v a l u a t i o ng a i n e dc o n t r e ls i g n a l sm g g e rp u l s e ( p w m ) f i n a l l ys y s t e mf o rp o s s i b l ei n t e r f e r e n c er e l a t e dt ot h ep r o p o s e da n t i - j a m m i n gd e s i g n t h eu p sc i r c u i td e s i g no ft h i si s s u eu s es e r i a la n dp a r a l l e ls t r u c t u r e c o m p e n s a t i o n c i r c u i ts t t u c t u r e ，w h i l ec o n t r o ls t r a t e g yo fu p sb a s e do nt h ed s p i tr e t a i n sa l lo f 峙 o n l i n ef t m c l j o na n dh i g h - q u a l i t yo u t p u tv o l t a g e ，a l s om a k e sm a n yo fi t sk e yp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r s h a v e i m p r o v e d b e c a u s e o f n o t o n l y d i r r d n a t n g t h ep d l u t i o n f o r t h eg r i d ，b u t 一 圭童塑皇查兰堡圭兰垡笙塞 a l s ot h eh i g h 。o u t p u ta n d h i g hr e l i a b i l i t y ，i ti sav e r yp r o m i s i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t p r o g r a m d s pt e c h n o l o g yu s e dt oc o n t r o lt h es e r i a la n dp a r a l l e lu p si nc h i n aw i l la l s o p r o m o t et h eu s eo fc h i n a se l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yt ob r i n ge n o r m o u se c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s i u ou a n gp o w e re l e c t r o n i c s & e l e c t r i c a ld a v e ) d i r e c t e db y a s s o c i a t ep r o f s h e n ) ( 1 0 n g k e y w o r d ：u p s ，d s p ，d e l t ac o n v e r s i o nt e c h n i q u e ，r e p e t i t i v ec o n t r o l ，p w m 珊 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 歪叁日期：二之：2 ：l 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名： j 免 u 导师签名：滥扯吼一7 7 。 上海海事大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第一章绪论 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 统持续供电一段时间，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问断，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 调节异常电压 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。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 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u p s 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，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 上海海事大学硕士学位论文 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，决不是可有可无的。 1 2 课题的国内外研究概况及发展趋势 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u p s 电源将向着高频化、数字化、智能化、网络化和大容量并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( d e l t a 逆变技术) 的典型产品是a p c 公司的s i l c o n 系列大型u p s 。d e l t a 逆变技术在保持了传统双变换在线式u p s 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 线式的技术己经非常成熟，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u p s 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，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， 其功能和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，以及对非 线性负载有更好的响应上起着重要的作用。 ( 2 ) 网络化、智能化、自动化 网络时代的的u p s 产品己经由独立外设产品发展成为整个计算机和网络系 统不可分割的一部分，除了要求u p s 产品可方便地接入网络和计算机，有些还要 要求其能够实现与网络和计算机问的双向数据通讯。为实现网络连接，目前大多 数的u p s 产品都提供了r s 一2 3 2 ，r s 一4 8 5 通信接口，对于要求能执行计算机网络 控制管理功能的u p s 来说，还配置了s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l ， 简单网络管理协议) 卡，实现了u p s 设备接入网络和计算机系统中。 由于微处理器技术的应用，u p s 产品实现了智能化。智能化的u p s 一方面实 现了设备运行过程中自我状态的监控，对一些故障现象进行预处理，使u p s 始终 平稳可靠地运行，同时也实现了计算机和网络与u p s 之间的双向数据通讯，用户 可以在计算机和网络中的各个结点上实时监视和控制u p s 电源的运行。利用这种 2 上海海事大学硕士学位论文 控制功能，用户可以实时监视u p s 电源的运行参数( 例如：输入输出的电压，电流 和频率，u p s 的电池组的充电放电和电压值，u p s 的输出功率及有关的故障报 警信息) ，实现计算机系统和电源系统的互动。 自动化是指u p s 电源自动完成一些自我检测、开关机控制、故障保护后的自 动恢复，无需过多的人工干预。u p s 的自动化是实现网络化和保证系统高可用的 重要因素。 ( 3 ) 监控软件多平台与监控远程化 由于未来网络的广泛化和全球化，必然带来网络的复杂化，多种形式的网络 系统连接在一起。作为网络系统的一部分，要求u p s 电源能够实现在各种网络平 台上的监控。因此目前像a p c 、中达一斯米克等公司的u p s 监控软件都提供了多 平台支持。 实现远程化监控是u p s 产品发展的另一趋势，由于因特网的普及，所有网络 最终将接入因特网。因此目前许多厂商的产品尤其是中大功率产品除了能够实现 网络化的本地监控外，还可实现w e b 远程监控。 ( 4 ) 数字化 随着数字化技术的发展，d s p ( d i g i t a ls i n g a lp r o c e s s ，数字信号处理) 技 术开始被c h r o m a 等一些u p s 厂商在产品中使用。d s p 技术的使用提高了u p s 产 品输出电压的稳定性和纯净程度，同时也提高了u p s 产品自身的可靠性。而i g b t 技术和高频技术的应用，大大提高了电源效率，降低了系统噪音和电源自身的电 力损耗，也提高了系统的可靠性。u p s 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m p u ( 如美国a p c ( s i l c o n ) 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d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) 结 合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，深圳华为安圣电气( 现为爱 默生兼并) 的i t r u s t 系列。其余公司未见有d s p 产品。 目前国内u p s 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、安圣电气公司已经用d s p 技术开发出传统的双变换u p s 。 在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 3 上海海事大学硕士学位论文 主流是d s p ，其电路结构的必然趋势是采用串并联型补偿式。 ( 5 ) 并机运行和冗余技术 己往的u p s 多为单机运行，随着包括计算机在内的电子设备应用数量的增加 和应用场合的重要，几百k v a 的容量已不能支持众多的设备用电，一次性购置昂 贵的大功率产品显然不是经济方案。因此模块化小功率产品逐步取代笨重的大功 切 率产品被认为是u p s 系统发展的一个方向，多个小城率产品采用并联技术连接后 实现并机运行，可以方便灵活地配置整个电源系统容量。 并联不一定是冗余的，并联是为了增容，而冗余是为了提高可靠性，为保证 系统的高稳定和高可用，通过多台u p s 设备并机运行实现电源容量的冗余也是 u p s 系统配置的一种趋势方案。 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，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 本课题研究内容 本课题隶属于上海市教育委员会科研项目“基于d s p 的串并联补偿型u p s 电源控制理论研究”，项目编号0 6 f z 0 1 9 。 本文首先对u p s 概念作了简单介绍，分析论述了u p s 在电力系统装置的重要 性以及当前该课题的研究现状和发展趋势；简单介绍下u p s 分类，着重介绍了串 并联补偿式u p s 的工作原理，特点及适合采取的控制策略。在日益广泛应用的数 4 上海海事大学硕士学位论文 字信号处理芯片及软硬件的基础上，提出了基于d s p 的串并联u p s 的设计实现方 案，介绍了相关硬件平台，为后续工作打好基础，接着提出相关的软件设计，软 件部分设计是采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器( d s p ) 作为信 号处理器件，完成了软件的设计，通过实验获得了控制信号触发脉冲( p w m ) 最后对整个系统可能出现的抗干扰做出相关的抗干扰设计。主要工作如下： ( 1 )逆变器控制技术是u p s 系统的关键技术，直接关系到u p s 的输出特性。 在分析逆变器数字控制技术的基础上，提出了带重复控制的控制策略， 并进行了详细的讨论。 ( 2 ) 提出了基于d s p 的串并联补偿型u p s 系统的整体设计方案，为后期做出 相关实物产品打下坚实基础。 ( 3 ) 进行了相关的软件设计。整个系统的性能指标不仅取决于它的硬件构成， 而且依赖于它的软件系统。为了完成数字u p s 电源系统的各个功能，软 件设计时要合理安排及利用l f 2 4 0 7 a 的许多功能模块。 5 上海海事大学硕士学位论文 2 1u p s 的分类 第二章u p s 的工作原理 u p s 的发展经历了四十多个春秋，在我国也已有三十多年的历史，由最初的 单一旋转发电机发展到今天多功能的旋转发电机式、径直变换式和旋转静止结合 式等三大类。旋转发电机式不论在欧洲还是在美国都有很大发展，容量可做到 1 0 0 0 k v a 以上，这类产品多用于工厂、矿山和大楼的集中供电。旋转静止结合式， 由于u p s 中旋转发电机部分是直流充电电机，当u p s 用电池放电时，电机并不启 动，只有党电池容量消耗到一定限值时才开始旋转，所以一般容量都不大，一般 常为l o k v h 以下，这种产品多用于要求容量较大而又怕吵闹的地方，如农村、一 些偏远的山区等等。 静止变换式u p s ，四十多年来得到了长足的发展，因为它的结构决定了其 应用的广泛性，目前已达到了必不可少的程度。u p s 包括的技术也几乎囊括了当 代所有先进的电子技术，从微电子到功率电子，从计算机硬件到软件，从有线通 讯到无线通讯到光纤通讯，从局部网路到广域网到互联网等。在新标准( i e c 6 2 0 4 0 - 3 ，e n v5 0 0 9 1 - 3 ) 中静止变换式u p s 根据其结构和运行原理又可以分为三 类： ( 1 ) 被动后备式( p a s s i v es t a n d b y ) ( 2 ) 在线互动式( 1 i n e - i n t e r a c t i v e ) ( 3 ) 双变换式( d o u b l ec o n v e r s i o n ) 2 1 1 被动后备式( p a s s i v es t a n d b y ) 被动后备式u p s 的定义：逆变器并联连接在市电与负载之间，仅简单地作为 备用电源使用。图2 1 为其结构图。 6 上海海事大学硕士学位论文 图2 1 被动后备式u p s 结构图 工作原理： ( 1 ) 市电正常时，负载完全而且是直接地由市电供电，电池由独立的充电器 供电； ( 2 ) 市电不正常时，负载完全由逆变器提供能量。 优缺点： ( 1 ) 由于其结构简单，因此最廉价； ( 2 ) 能满足某些非重要负载的使用，如家用计算机等逆变器不作任何电能变 换，随着家用计算机的普及，被动后备式u p s 具有广阔的市场前景； ( 3 ) 当市电断电时，继电器将逆变器切换至负载，继电器的切换有几个m s 的 间断，稍微重要的计算机设备都不应选用被动后备式u p s 。 2 1 2 在线互动式( ii n e - i n t e r a c t i v e ) 逆变器 图2 2 在线互动式u p s 结构图 在线互动式u p s 的定义：逆变器是并联连接在市电与负载之间，仅起后备电 7 上海海事大学硕上学位论文 源的作用，逆变器同时作为充电器给电池充电。通过它的可逆运行方式，满足逆 变和整流的需要，因此被称为“互动式”。图2 2 为其结构图。 工作原理： ( 1 ) 市电正常时，负载由经改良后的市电供电，同时逆变器作为充电器给蓄 电池充电，此时，逆变器起a c d c 变换器的作用； ( 2 ) 市电故障时，负载完全由逆变器供电，此时，逆变器起d c a c 变换器的 作用。 优点： ( 1 ) 结构相对双变换式u p s 简单，技术上易于实现； ( 2 ) 性能能满足某些计算机负载的要求，特别适用于网络中某些计算机设备 采用分布式供电的系统： ( 3 ) 由于逆变器长期充当充电器的作用，因此整机可靠性高。 缺点： ( 1 ) 在市电正常时，在线互动式u p s 的负载得到的是改良后的市电； ( 2 ) 在线互动式u p s 的结构决定了它的抗干扰能力，无输出隔离变压器的结 构抗干扰能力差； ( 3 ) 功率因数由负载性质决定。在线互动式u p s 中，由于没有有源功率因数 校正电路或无源滤波器，u p s 输入功率因数完全由负载性质决定。只有在纯阻性 负载时，功率因数才等于1 。计算机等非线性负载时，功率因数不可能等于1 ； ( 4 ) 从结构上可看出，在线互动式u p s 不能稳频。 2 1 3 双变换式( d o u b i eg o n v e r s i o n ) 双变换式u p s 的定义：逆变器是串联连接在市电与负载之间，电源通过逆变 器连续地向负载供电。图2 - 3 为其结构图。 工作原理： 当市电正常供电时，市电一方面经充电器给电池充电，另一方面经整流器变 成直流电后送至逆变器，经逆变器变换成高质量的交流电供给负载；而当市电供 电异常时( 如过压、欠压、断电等) ，由电池通过逆变器向负载提供电能，保证负 载供电不间断：而万一u p s 发生故障时，由市电经转换开关直接向负载供电。 8 上海海事大学硕士学位论文 巡控制的双变换式u p s 的优点： ( 1 ) 有很宽的输入电压范围，更适合应用在电网电压剧烈波动的地区，相对 于其它u p s 更有利于延长电池的寿命，减少电池的放电次数； 死电暑 图2 - 3 双边换式u p s 结构图 ( 2 ) p 州控制的i g b t 整流器，使得u p s 输入功率因数接近1 ，是最理想的绿 色电源： 极高的输入功率因数，使得网侧总谐波电流畸变率小，谐波损耗小，无功 电流也小； ( 4 ) 输出部分与传统u p s 一样，具有滤波、电气隔离部件，其输出指标与传 统u p s 的指标相当； ( 5 ) 整流器、逆变器、静态开关和集中监控的部件均为数字化控制，各主要 部件运行独立，相互间通过网络连接。整机长期运行稳定，易于调试、管理、监 控、维护。 2 2 串并联补偿型u p s 的工作原理 串并联补偿型u p s 结构脱出了传统双变换式由一个整流器和一个逆变器构 成电路的格局，而改由两个高频双向变换器构成，其工作原理也与以前不同，从 而实现了一些新的功能。 9 上海海事大学硕士学位论文 2 2 1 概述 高频双向变换技术，及以此技术用串并联补偿方法应用到u p s 电路结构中 去，可使u p s 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( 5 0 h z ) 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i g b t 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已经在电力综合调节装置，大型u p s ，以及交流稳压设备中 得到应用，在改进这些设备功能方面的效果是相当显著的。 2 2 2 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u p s ，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( u p s ) 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p 删方式工作， 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5 0 h z 正弦波输出电压。变换器在高频状态下工作，而 交流供电设各的主回路是5 0 h z ，5 0 h z 的负载电流i 。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：和：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 ) 。 上海海事大学硕士学位论文 图2 4 高频补偿电路原理图 第一状态：如图2 5 ( a ) 所示，外电路电压u ；处于正半周，负载电流1 0 方向 是由u ；流向负载，此时开关i 导通，变压器t 的电流i 。d a 童i g r g n e ，经开关v t , 流向变压器原边，变压器处在正向激磁状态，副边电压n e l 与输入电压u ；同极性( n 为变压器匝比) ，也与i 。方向相同，此时变换器输出功率，1 1 与i o 以及e 。与l l e 。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u 。仍处在正半周，负载电流i 。 方向是由u ；流向负载，此时令开关i 和v t 2 都处在关闭状态，变压器副边由负 载电流i 。激磁，在原边感应的电压强迫二极管v d ：通，变压器原边电压被嵌位在 e ：+ u 。( u 。为二极管正向压降) ，原边电流i ，通过二极管v d ：向直流电源e ：反充 电，副边g g 玉, n e ：与输入电压u ；极性相反，同时也与电流l 。方向相反，副边降压， 逆变器从主电路吸收功率，电流i 。，i o 以及电压e ：+ u d 、n e ：都符合变压器匝 比关系。 一“一” f o t d i 图2 - 5 高频双向变换器4 种状态的工作过程 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 1 1 上海海事大学硕士学位论文 入端，逆变器是v t 2 和v d 。交替，过程与第一、二状态相同，如图2 5 ( c ) 和( d ) 所示。 双向逆变器工作在高频状态( 例如2 0 k h z ) ，在交流电( 5 0 h z ) 的每半周( 1 0 m s ) 中，都会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，就形成 如图2 - 6 所示的正弦波u ，随着逆变器通导比的变化，u 可大可小、可正可负， 从而实现对输入电压u 。的可正可负地连续补偿，保证输出电压的稳定。图2 - 6 ( a ) 是的情况，产生的波形是上下宽度一样的p w m 波形，由于横线以上是电压，故其 平均代数和为0 ，即此时补偿电压为0 ，图2 - 6 ( b ) 是的情况，产生的p w m 波形时 在正半波时的平均值，它是一个正值的正弦半波，在负半波时的平均值是一个负 的正弦半波。图2 - 6 ( c ) 所示时的情况和图2 - 6 ( b ) 正好相反，图2 6 ( d ) 是原理示 图。 罚嗣垌嗣羽垌垌嗣f 叶 一赢；商五面一一-馕刊哥丑用吾吼魁凹栅 “= = = _ = = = ! 一 册h 噩i j l 硅嗣f 1 丌用兀f i m 卜一t ， 二妥善，1 盘譬乇” _ _ _ ，o 、，一- l q - m 图2 - 6 电压补偿波形图 2 3 串并联补偿型u p s 的特点 串并联补偿型u p s 是最近几年才发展起来的一种最新u p s ，其核心就是采用 了由两个d e l t a 逆变器组成的串并联补偿技术。它与传统u p s 相比有两个根本 的区别： ( 1 ) 一是电路的组成与结构型式与传统u p s 不同，采用了由两个双向四象限 工作的p w md e l t a 逆变器组成的串并联结构电路型式。两个d e l t a 逆变器i 和 眨 ，一个通过其输出变压器在魄路的输人端与负载串联，作为有源滤波器使用， 工作在正弦电流源状态，用来消除市电输人电流中的无功与谐波电流，使输人功 上海海事大学硕士学位论文 率因数等于l ；并对负载的不对称电流进行补偿，使u p s 的输入电流永远为三相 对称的正弦波有功电流。另一个通过共输出滤波器在电路的输出端与负载并联， 作为交流净化稳压电源使用，工作在正弦电压源状态，用来使负载上的电压成为 稳定纯净的正弦波对称电压，并向负载提供无功电流、谐波电流和负载不对称电 流，在市电掉电时向负载提供1 0 0 的功率。两个d e l t a 逆变器双在线连续对 电能质量的监视、调整和补偿，使电能质量大大提高，满足了u p s 电路对输入端 和输出端电能质量的要求。同时d e l t a 逆变器i 在电路的输人端通过变压器与 负载串联，工作在电流源状态相当于一个电感；d e l t a 逆变器1 i 在电路的偷出 端通过滤波器与负载并联，工作在电压源状态相当于一个电容。所以d e l t a 逆 变器i 和i i 在电路中构成了一个性能良好的l c 滤波器，阻断了市电与负载之间 的谐波互相干扰，使市电谐波不干扰负载工作，负载谐波也不污染市电电网。 ( 2 ) 二是电路的工作原理与传统u p s 不同，将传统u p s 的全功率变换工作方 式改成了对电能质量进行全面综合补偿的部分功率变换工作方式。使d e l t a 逆 变器i 和i i 在市电正常时，用2 0 的功率来控制在线u p s1 0 0 的负载功率， 降低了损耗、提高了效率，也使在线u p s 的过载能力大大提高。 2 3 1 与传统u p s 在电路组成和结构上的区别 1 与传统双变换u p s 的区别： 串并联补偿型u p s 是由两个d e l t a 逆变器组成的，如图2 7 所示，一工 作在串联有源滤波器状态，相当于一个电流源，另一个工作在并联交流净 化稳压器状态，相当于一个电压源。而传统双变换u p s 虽然也是由两个变 换器构成的，但一个是整流器，另一个是逆变器，两个变换器都工作在电 压源状态； 串并联补偿型u p s 中的两个d e l t a 逆变器，都是双向四象限工作，整流时 工作在b o o s t 开关整流器状态，可以双向变换传输电能。而传统双变换 u p s 中的两个变换器，一个是整流器，另一个是逆变器，都是单向工作的， 电能的变换和传输是不可逆的； 上海海事大学硕士学位论文 图2 - 7 串并联补偿型u p s 拓扑结构 串并联补偿型u p s 中的两个d e l t a 逆变器是按串并联电路形式组成的，是 一个电能质量综合补偿器，可以对电能质量进行全面综合的补偿。而传统 双变换u p s 中的两个变换器，都是串联在主电路中，一般不能调整输人 端的功率因数，而且都是全功率变换，效率较低； 串并联补偿型u p s 中的两个d e l t a 逆变器，是联合协调地相互交替对蓄电 池充电，以保持蓄电池电压的稳定。而传统双变u p s ，只有一个变换器( 整 流充电器) 对蓄电池充电； 2 与在线互动式u p s 的区别 串并联补偿型u p s 有两个双向四象限工作的d e l t a 逆变器。而在线互动式 u p s 那只有一个双向四象限工作的变换器； 串并联补偿型u p s 是电流源与电压源串并联双在线调整。而在线互动式u p s 是断续串联调整； 串并联补偿型u p s 中的两个d e l t a 逆变器一直是在线工作。而在线互动式 u p s 的双向变换器，只有市电异常时才投入工作，虽然也是在线供电，但有 后备工作方式； 串并联补偿型u p s ，是两个d e l t a 逆变器联合交替地对蓄电池充电。而在 线互动式u p s 是由惟一的一个双向变换器充电； 串并联补偿u p s 可以使市电输入功率因数等于1 。而在线互动式u p s 则不 能使市电输人功率因数等于l ； 串并联补偿型u p s 可以使输出电压精度调整到1 。而在线互动式u p s 只 能将输出电压调整到5 ； 串并联补偿型u p s 可以很方便地并联扩容。而在线互动式u p s ，则完全没 有这个功能。 1 4 上海海事大学硕上学位论文 2 3 2 串并联补偿型t i p s 所能达到的指标 串并联补偿型u p s 采用了串并联结构形式，使u f s 的性能指标达到了一个新 的高度，不仅保留了传统u p s 的性能指标，而且还突破了几项传统u p s 无法达到 的指标。以a p c 公司的d p 3 0 0 eu p s 为例，它所能达到的性能指标为： 输人功率因数 0 9 9 ； 整机效率达到9 7 ； 过载电流可达2 0 0 一分钟，过载1 2 0 不限时； 输出有功功率可以达到等于1 0 0 标称额定功率，即k w = k v a ，一般传统 双变换u p s 在带动功率因数为1 的阻性负载时，只能输出远小于8 0 的额定功 率值。 负载电流峰位系数等于5 ：l 等： 可以9 台并联运行。 传统u p s 对上述指标也可能在某一项或两项上能够达到，但却不能达到全都 的上述指标。 2 3 3 不同类型的u p s 对市电电网及负载的适应能力 不同型式的u p s 所具有的部件功能也不同，因而对市电电网及负载的适应 能力也不相同。表2 - 1 和表2 2 分别给出了不同的电路结构u p s 对市电电网及负 载的适应能力和主要技术性能比较。可知，串并联补偿型u p s 对市电电网及负载 的适应能力最强。 表2 - 1 不同电路结构u p s 对电网的适应能力 潜嚣 后备式u p s 在线互动式 双变换在线式 申并联补偿式 电同质量、箱麴 电压浪涌 无法解决 有限解决 完全解决完全解决 高压尖脉冲无法解决有限解决完全解决完全解决 暂态过压无法解决 有限解决完全解决完全解决 电压下陷 有限解决有限解决 完全解决完全解决 线路噪声 有限解决有限解决 完全解决 完全解决 频率偏移无法解决 无法解决 完全解决完全解决 持续电压 完全解决完全解决完全解决完全解决 市电中断完全解决完全解决 完全解决 完全解决 上海海事大学硕士学位论文 表2 2 不同电路结构u p s 的主要技术性能比较 嘉涵涞竺 国家 双变换在 嘎甘麒较内奢 = 标准 后备式 在线互动式 线式 串并联补偿式 输入电压范围 + 1 0 2 0 俜 + l o b l 5+ 1 5 2 5+ 1 5 2 5 + 1 5 3 0 + 1 5 1 5 0 7 o 9 5 o 9 9 入 输入功率因数 o 8 取决于负载取决于负载 ( 0 9 9 ) 指 5o 电冈同步电同同步 士1 4 8 1 4 8 标 输入频率 2 5 h z 辅入电漉谐渡 未规定 取决于负载取决于负载 3 0 ( 3 ) 3 r 、 电压稳压度 5 士2 ( 士1 ) 士l “) 士l o 5 士1 0 _ 4 - 5 士l o 波形失真度与电同和负 与电舟和负藕有 3 5 3 ( ) 5 ( 2 )载有关 关 市电不限市电不限 0 7 t o 8 功率因数 o 8 - 0 8 0 9 ( 电池o 7 )( 电池o 7 )f 0 m 电流峰值因数 未规定 市电不限(市电不限( 电 5 il 市电不限( 电 输 电池3 ：1 )池3 ：1 )池3 ：1 ) 出动态电压孵变 士1 0 5 2 0 m s4 5 4 2 0 = s 8 薯( 2 吣4 5 指 范围 标 瞬变响应时问 1 0 0 4 2 0 4 2 04 2 0 ( 9 0 ) 0 过载时问m i n1 0市电不限 市电不限满足 满足 旁路开关切换 4 54 84 1 4 1 4 1 时间m s 附注t1 国家标准g b t 1 4 7 1 5 9 3 2 括弧内数字是有些品牌u p s 能达到的指标 与备用柴油发电机组的最佳配置，仅需u p s 额定容量的1 2 1 5 倍的柴油 发电机组容量，而传统双变换u p s 至少需要3 倍以上的柴油发电机容量。 1 6 上海海事大学硕士学位论文 第三章逆变器控制策略研究 逆变器控制技术是u p s 系统的关键技术，直接关系到u p s 的输出特性。本 章在分析逆变器数字控制技术的基础上，提出了带重复控制的控制策略，并进行 了详细的讨论。 3 1 逆变器控制方法 近年来，由于微处理器和d s p 技术的广泛应用，u p s 数字化控制技术逐渐成 为主流，逆变器数字控制技术成为该领域的研究热点。从而出现了许多相应的逆 变控制器和控制方法，如数字p i d 控制、无差拍控制、重复控制、滑模控制、鲁 棒控制等，具有各自的特点，表现出许多优良的稳态和动态特性。 1 数字p i d 控制( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l - d i f f e r e n t i a lc o n