（电力系统及其自动化专业论文）单相在线式ups并联技术研究.pdf

青岛大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i u p sr e d u n d a n tp a r a l l e lo p e r a t i o ni sag o o ds o l u t i o nt or e a l i z eh i g hr e l i a b i l i t y a n d l a r g ec a p a c i t yo fp o w e rs y s t e m a n di ti so n eo ft h ev i t a lr e g i o n si np o w e re l e c t r o n i c s b e c a u s eo ft h eo u t p u to ft h eu p s ( o ri n v e r t e r ) i sa c ，i t sp a r a l l e l o p e r a t i o ni s m o r e d i f f i c u l tt h a nd c s u p p l i e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r e d u n d a n tp a r a l l e l o p e r a t i o n o fu p sh a sb e e nb e c o m eo ft h er e s e a r c hh o t p o i n ta n d d i f f i c u l tp o i n to ft h ed o m a i no f p o w e r e l e c t r o n i c s i nt h i s t h e s i s ，d e p e n d i n g o nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s 、c o m p u t e r s i m u l a t i o na n d p h y s i c a le x p e r i m e n t s ，t h eo p e r a t i o no ft y p i c a lo n l i n eu p s i sa n a l y z e da tf i r s t ；b a s e do n t h i s ，a p p l y i n gt h el a t e s tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h ep a r a l l e lo p e r a t i o no f t h ei n v e r t e r , t h e p r o b l e m ss u c ha sf o l l o w i n gb y p a s sa n db y p a s sc o n t r o lh a v eb e e ns o l v e d ，t h er e d u n d a n t p a r a l l e lo p e r a t i o n o fu p sh a sb e e nd e v e l o p e d an o v e l p a r a l l e lo p e r a t i o ns y s t e mb a s e do n c u r r e n ti n s t a n t a n e o u sr e g u l a t e di n v e r t e r si sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h es y s t e mo p e r a t i o n i sa n a l y z e d w i t ht h ec i r c u i t sg i v e n t h es y s t e mi s p r o v e dt ob ef e a s i b l eb yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dp h y s i c a le x p e r i m e n t s t h i si sn om a s t e r - s l a v ep a r a l l e l o p e r a t i o nw i t hs o m ei n t e r c o n n e c t i o n t h eu p s ，w h i c hh a sb e e np a r a l l e l e d ，i si d e n t i c a l w i t ho t h e r s e a c hm o d u l ew o r k s e q u a l l ya n ds y m m e t r i c a l l y , w i t h o u te x t r ac o n t r o lc i r c u i t s t h e s y n c h r o n i z a t i o na n d c u r r e n ts h a r i n ga r er e a l i z e dt h r o u 曲af e w s i g n a ll i n e sa m o n g t h e m o d u l e s t h em o d u l e sc a l lw o r ks e p a r a t e l yo ri np a r a l l e l ，t h e o r e t i c a l l yw i t h o u tl i m i tf o r t h en u m b e ro fm o d u l e s t h et h e s i sb a s e do nt h er e d u n d a n t p a r a l l e lo p e r a t i o no fu p s w i t h r e s i s t o ra n a l y s e st h eo p e r a t i o n so fs y s t e mw i t hi n d u c t o ra n dr e c t i f i e rb r i d g el o a da tf i r s t t h et h e s i sg i v e st h em a t l a bs i m u l a t i o nm o d e l sa n dw a v e f o r m so ft h ed i f f e r e n tl o a d s s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t r e s u l t sa r eg i v e na tt h ee n d t h er e s u l t ss h o wt h i ss o l u t i o ni s r e l i a b l y , a n dt h ep e r f o r m a n c e i sg o o d k e y w o r d s ：u p s ，i n v e r t e r ，p a r a l l e lo p e r a t i o n ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n 第一章引言 1 1 问题的提出 第一套引言 随着社会经济的发展，用电设备不断增加，对供电系统的容量要求也越来越高。 采用大功率开关器件的各类电源供电系统中，当因负载的增加而需加大电网容量时， 可以通过两个途径来实现：一是提高单台逆变器的设计容量；二是以现有型号的两 台或多台电源模块并联工作，共同分担电网负荷以提高电网容量。相对于前一方案， 第二种方案具有成本低、可靠性高以及可有效提高元件寿命的优点。因此，多模块 并联技术的研究正逐渐受到重视，成为电源技术的发展方向之一。 另外，多模块并联，可以灵活构成各种功率容量，以模块化取代系列化，从而 缩短研制、生产周期和降低成本，提高各类电源的标准化程度、可维护性和互换性 等。为了提高供电的可靠性，在冗余并联技术问世前常采用热备份串联连接的方式， 这种方式的特点是应用灵活，不外加设备，即使不同厂家、不同型号的u p s ，只要 有静态旁路，而且容量一样，就可以做这种连接，而且具有冗余的功能。不足之处 是不能增容，一台机器过载转到另一台时也同样过载，利用这种方法很少有两台以 上连接的例子。所以并联冗余方案的推出，有效地解决了增容和冗余的问题，直到 现在仍然是一种最佳方案。它不但可以准确地实现负载均分，而且还有着成倍的过 载能力。 系统冗余度为n + x ，其中n 的含义是并联系统中u p s 单机的总台数，x 的含 义是并联系统中允许出故障的u p s 单机台数。正常时这n + x 台u p s 并联工作，而 其中任一部分故障时都不会影响整个系统的正常运行，而且也不会留下任何隐患。 u p s 的主要任务是向用户的关键设备提供高质量的无时间中断的交流电源，如 计算机、程控交换机、数据通讯处理系统等，其实现较d c d c 变换器系统复杂得多。 u p s 并联的特点是：两台或多台u p s 的输出端直接短接在一起，同时给负载供电， 每台u p s 均分负载，没有主从机之分。当一台u p s 的逆变器出现故障时，立即自 动脱机，负载由余下的u p s 均分，不存在切换问题。同主电路和控制电路的研究发 展过程一样，u p s 并联运行技术的研究也是在借鉴d c d c 并联技术的基础上不断深 入，但由于其正弦输出，其并联运行远比直流电源困难，首先要解决三个问题： 两台或多台投入运行时，相互间及与系统的频率、相位、幅度必须达到一致 或小于容许误差时才能投入，否则可能给电网造成强烈冲击或输出失真。而且并联 工作过程中，各u p s 也必须保持输出致，否则，频率的微弱差异的积累将造成并 联系统输出幅度的周期性变化和波形畸变：相位不同使输出幅度不稳。 青岛大学硕士学位论文 功率的分配包括有功功率和无功功率的平均分配，即均流包括有功和无功均 流。直流电源的均流技术不能直接适用。 u p s 故障时能快速脱机。除单机内部故障保护外，当均流或同步异常时，也 要将相应u p s 模块切除。 与逆变器并联不同的是，u p s 并联还要解决市电跟踪以及在何种情况下如何 旁路的问题，以实现不间断转换。 1 2 单相u p s 并联运行技术研究的现状 1 2 1 逆变器的控制技术 u p s 的并联其实就是逆变器的并联，控制方式对逆变器模块的输出性能起着关 键性的作用，也决定着逆变器并联系统的结构形式和性能。因此，研究并联技术， 必须首先分析研究逆变器的控制方式。 1 、开环和电压反馈控制方式 继最早的方波逆变器、阶梯波合成逆变器之后，正弦脉冲宽度调制( s p w m ) 使逆变器的输出性能有了很大的提高。这种控制方式目前在大功率逆变系统中仍被 采用。其基本原理是由正弦参考波与调制三角波比较，产生逆变器的开关控制信号。 在此基础上s p w m 调制方式的各种改进仍在被研究，以改善输出频谱或降低开关管 的功率损耗等。早期的s p w m 逆变器依赖于开环前向控制，或附加一个相当慢的输 出有效值反馈环调节输出幅度。此类控制器以较低的开关频率在稳态即可以保持理 想波形，但对于负载阶跃变化的响应很慢( 长达几个输出周期) 而且非线性负载时 输出电压波形严重失真。 逆变器的设计目标时在任何负载条件或动态过程中保持希望的输出电压波形。 随着功率器件开关特性的改善，调制频率不断提高，各种现代反馈控制技术可用于 电压波形的连续控制，而非基于有效值反馈。这所谓的“瞬时”控制器提供了很多 性能优点，包括更快的瞬态响应( 几分之一周期) ，更低的总谐波失真( t h d ) ，输 出阻抗减小而提高了抗扰性等。下面介绍一种电流型瞬时反馈控制方式。 2 、电流型瞬时反馈控制方式 目前先进的瞬时控制一般采用双环或多环反馈，最典型的是输出滤波电感电流 和输出电压( 输出滤波电容电压) 反馈构成的电流型控制逆变器。其外环为输出电 压反馈，电压调节器一般采用p i 形式，其输出作为内环给定；电感电流反馈构成内 环，电流环设计为电流跟随器性质。但电流跟随的实现方式有很多，并由此产生出 不同的调制方式。 2 第一章引言 滞环控制是其中一类应用很广的电流跟踪控制方法，通常以响应速度快和结构 简单而著称。它以电感电流的谐波为调制波，逆变器的交流输出使电感电流的变换 率不固定，因此滞环宽度固定时，开关频率的变化范围很大，输出电压( 或参考电 压) 幅度最大时开关频率屋低、过零时开关频率最高。设置随输出或参考电压变化 的滞环宽度，可以实现开关频率的稳定。 3 、智能控制方式 微处理器技术的发展、数据处理能力的迅速提高，使各种复杂的现代控制理论 逐渐应用于高频电力电子系统中，数字信号处理器d s p 用于逆变器控制的研究工作 在国内外文献中多见报道，如：最优离散控制、无差拍控制、重复控制，还有状态 观测、解耦控制、数字鲁棒控制等。基于d s p 实现的各种智能控制的缺点是，每个 开关周期实时计算占空比，数据运算速度限制了开关频率：实现复杂、成本高，广 泛应用的条件还不具备，但它无疑是未来的发展趋势。 1 2 2 逆变器并联运行的几类典型方法 1 、自整步法 并联系统中各模块是等价的，没有专门的控制模块。通过模块间的均流线实现 同步和均流，源于航空恒速恒频( c s c f ) 电源的自整步并联技术f 1 1 】1 3 j 。 这一方法适合开环控制的低频调制逆变器，电流检测、分解和控制环节的电路 复杂，调节时间长、精度低。 2 、外特性下垂法 出发点类似于直流输出变换器并联均流的下垂法。模块间没有控制信号连线。 它仅以本模块有功功率、无功功率和失真功率为控制变量，从而使各模块独立工作。 各模块有自己的控制电路，之间唯一的连接是各模块交流并联功率输出线。均流靠 模块内部输出频率、电压和谐波电压分别随输出的有功功率、无功功率和失真功率 呈下垂特性，从而实现同步和均流。 该方案的优点是各模块仅在负载端相连，方便现场组成并联系统，特别适合于 分布式并联系统。缺点是下垂特性造成系统的频率和电压随负载而变，偏离理想工 作点( 虽然理论上偏离可以很小) 。文献1 4 】中提供的仿真和实验结果表明，均流效 果不够理想，特别是动态过程或带非线性负载时，算法实现较复杂。 3 、主从模块法 如参考文献1 5 】介绍的主从式并联系统，由一个电压控制p w m 逆变器( v c p l ) 单元、数个电流控制p w m 逆变器( c c p i ) 单元( 功率单元) 和功率分配中心( p d c ) 单元组成并联系统。并联系统的基本结构如图1 1 所示，它包括：( 1 ) 一个v c p i 青岛大学硕士学位论文 主控单元，其电压调节器保证系统输出幅度、频率稳定的正弦电压；( 2 ) n 个c c p i 从单元，设计其具有电流跟随器性质，分别跟随p d c 单元分配的电流；( 3 ) p d c 单元检测负载电流，并平均分配给各c c p i 单元，且是同步的。 v c p i 单元通过锁相环( p l l ) 使其正弦输出电压与市电或自身产生的基准电压 信号同步，而输出电流取决于负载性质。它与常规的逆变器或u p s 无异。 c c p i 单元必须具备快速响应性能以跟随所分担的负载电流，不需要p l l 实现 同步，故可适应v c p i 输出频率的变化。输出电压被看作干扰输入，通过前馈加以 补偿。 p d c 的主要功能是监控整个系统的工作状态，并按各单元的视在功率s i 为各工 作单元分配电流。 该并联系统采用单一电压调节器，c c p i 单元无需同步电路，故系统稳定性好， 易于容量扩展；均流效果好。问题是v c p i 、c c p l 和p d c 是不同性质的模块单元， 构成复杂，不能完全实现系统冗余，存在故障瓶颈现象。 图1 1 主从式并联系统 4 、热同步并机技术 一种称作“热同步并机”的逆变器并联技术，已应用在u p s 产品中。它不需要在 两台u p s 之间设置通信信号，在先进的微处理器所提供的数字信号处理技术的支持 下，采用独特的自适应调控技术，每台u p s 只需检测自己的输出电压、电流、相位 第一章引言 和功率的变化状态，就能实现同步和均流。其基本原理是：首先，两台u p s 的输出 电压被调至相同的幅度，参数和性能的一致性必须很好。在这一前提下，并联工作 时，若其相位略有差异则输出波形处于“超前”状态的那台，就会承担较大的负载电 流。因此，每台u p s 检测自己每个周期输出功率的变化情况，当变化量增大时，说 明其相位超前，应略降低输出频率。每次频率的调节量( 步长) 是极小的，以确保 负载均分的平滑性和频率精度。它可以做到模块均流的不平衡度小于2 。 它本质上属于“外特性下垂法”的一种简化形式。算法实现复杂，对模块参数的 一致性要求较高。 5 、无主从同步均流技术 在分析和借鉴逆变器现有并联方法的基础上，我们研究了一种基于先进的电流 型瞬时反馈控制技术的逆变器并联运行系统的构成方式。其实现要点是：( 1 ) 各个 逆变器模块的基准信号发生电路之间通过局部反馈( 同步信号) 实现基准信号的同 步( 同频、同相、同幅) ，为各模块提供公共的基准信号；( 2 ) 各模块电压调节器 的输出信号共同作用生成各模块公共的电流基准。 此并联系统突出的结构特点是：( 1 ) 电压基准同步环节和电流基准生成环节分 散在各个逆变器模块中，各模块完全等价；( 2 ) 构成并联系统时不用附加额外的控 制模块，通过模块间的少量信号线( 2 3 条) 实现输出同步和均流；( 3 ) 理论上 可以任意数目模块并联，也可单机运行。 其优良的控制性能体现在：( 1 ) 并联系统的动、静态性能不低于单模块设计性 能；( 2 ) 各模块电感电流的均衡程度基本上只取决于各模块电流反馈系数的一致性。 当电流采样电路参数安全相同时，理论上各模块没有均流误差。 缺点是只适用于电流型控制的逆变器。 1 3u p s 并联冗余结构主要有两种方式 1 、通过并机柜或旁路柜将多台u p s 并联 正常工作模式下，u p s l 与u p s 2 通过共用的旁路系统同时向负载供电，任意一 台u p s 的整流器或逆变器故障都将自动脱离，不影响系统的正常工作。当两台u p s 同时故障时才会转换到旁路供电，如图1 2 所示。 青岛大学硕士学位论文 工 j z j 图1 2u p s 共用旁路系统的并联 2 、冗余直接并联技术 在正常工作模式下，采用直接并机，u p s l 与u p s 2 通过各自的系统同时向负载 供电，实现负载均分。任意一台l i p s 的整流器或逆变器故障都将自动脱离，不影响 系统的正常工作。每一台u p s 均有各自一套旁路系统，大大增强了系统可靠性。 图1 3 u p s 冗余并联技术 其优点：多台u p s 同时供电，整流器、逆变器及旁路系统都是冗余配置；抗过 载能力强；带分散式旁路系统，不存在单点故障点，是真正的全冗余结构，可靠性 最高；可在线扩容。 其缺点是成本较高。 第一章引言 1 4 国内外u p s 并联技术的特点与发展趋势 世界上许多国家( 如日本、美国、德国、荷兰等国家) 的u p s 公司在u p s 的 并联冗余控制技术方面已经做了大量的工作，并有一系列的产品投入了实用。目前， 这些品牌的u p s 并联控制技术的特点及发展表现在以下几个方面： 可并联单元数增多，以多种途径实现高可靠并联运行 目前，几种知名品牌的u p s 如梅兰日兰、e x i d e v i c t r o n ( 畅电) 、西力、西门子、 三菱、东芝、a p c 等公司可以实现并联运行，但最大并联单元数不超过1 0 个；而 p k e l e c t r o n i c s 公司声称可并联1 0 0 个以上，因而并联单元数的增多是今后的发展趋 势。而并联系统控制方式呈现多样化，其中仅e x i d e 公司为无互连线独立控制的并 联方式，而其他公司多以主从控制或分散逻辑控制方式为主。 在小功率u p s 电源中用较低成本实现较先进的并联策略 目前可并联u p s 电源多为三相中、大功率u p s ，因此为实现并联运行，控制电 路成本的增加一些对总成本影响不大。而普通小功率u p s 的控制电路一般较简单， 特性也不如大功率u p s 电源好，因此要实现并联运行，电路的设计要综合考虑控制 电路特性和成本的关系。在这方面各大公司都有一些独特的经验，如采用同一规格 的电源模块和控制电路以适应不同容量的客户要求以及实现不同的控制功能。 采用高频链结构技术 为完成u p s 的并联、提高u p s 的性能和减小u p s 模块的体积，各公司大多采 用高频链结构技术。u p s 内减少了工频变压器，装置的体积重量大为减轻，同时也 节约了成本，减少了装置的复杂性。 采用全数字化控制技术 为提高系统的控制性能和完成并联控制的复杂算法，u p s 的控制一般应用全数 字化控制方案，如应用单片机和d s p 完成系统的检测、运算和控制。 我国在u p s 并联技术方面的研究起步甚晚，而且还没有形成国产化的系列产品， 因而大多以合资的形式投入市场。因此在u p s 并联控制的研究方面还需要做大量的 工作，特别是无互连线独立控制的并联方式仍处在美国e x i d e 公司的专利拥有期， 而这种并联控制技术可很方便的解决各种不同结构的逆变电源之间或逆变电源与公 共电网之间的并联运行控制及负载均流控制，所以，对这种技术的研究将要付出更 大的努力。 青岛大学硕士学位论文 1 5 本文的主要研究内容 在分析和借鉴逆变器现有并联方法的基础上，我们确定本文以电流型双环瞬时 反馈控制的桥式逆变器为并联系统的构成模块。此类控制方式的共同特点是电流环 均呈现良好的电流跟随特性，其传递函数可近似等效为电流放大倍数，使电压外环 的阶次降低，控制性能远远高于单闭环或开环控制方式，是实现高性能并联系统的 基础。 本文以电压电流双环反馈逆变器作为分析对象，电流瞬时反馈控制方式是摄典 型的瞬时双环控制方案。其外环为输出电压反馈，电压调节器采用p i 形式，其输出 作为内环给定；电感电流反馈构成内环，电流环设计成电流跟随器性质。它是一类 先进的变换器控制方式。 本文在逆变器并联技术的基础上，研究了u p s 的冗余并联运行技术。在并联技 术中，项最关键的技术是并联系统中各个模块对于负载的均分，即各模块间的均 流。本文将采用各个并联模块共用一个电压调节器来实现各个并联模块间的负载电 流均分。目前大量普及等等微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源，其整流 部分是单相桥式不可控整流电路。以前很多文章只对阻性负载进行了研究，本文除 了对阻性负载仿真研究以外，还对阻感负载、电容滤波的单相不可控整流电路进行 了仿真研究。 本文第一章，论述了并联运行实现大容量、高可靠性电源系统的意义和可行性， 介绍了u p s 中逆变器并联运行及相关技术的研究现状，以及国内外u p s 并联的现 状和发展，还介绍了现有u p s 并联的几种系统构成。 本文第二章，以单相在线式u p s 为研究对象，讲述了u p s 的分类和特点，及 其逆变器的控制，同时给出单相逆变器的仿真分析。 本文第三章，以电压电流双闭环逆变器为对象，分析了双环逆变器的特点，并 对该逆变器并联系统的模型进行分析，得出了环流特性，并分析了环流抑制的并联 系统的模型。 本文第四章，研究了共用电压调节器逆变器并联技术，分析该并联技术中对环 流产生影响的两个主要因素。本文首次对并联系统带阻性负载、感性负载和整流性 负载的不同情况作了仿真分析，并给出仿真波形。 本文第五章，对6 k v a i j p s 进行并机实验，利用第四章所述的并联方案，在带 阻性负载时输出理想波形。 第二章在线式u p s 的分析和实验 第二章在线式u p s 的分析和实验 2 1u p s 的分类和特点 u p s 有很多种分类方式，按其工作方式可以分为以下几种类型 1 、在线式( o nl i n e ) u p s l 随组 在线式u p s 电源一般采用双变换模式。当市电正常时，在线式u p s 输入交流 电压，通过充电电路不断对电池进行充电，同时整流器将交流电压转换为直流电压， 然后通过脉冲宽度调制技术( p w m ) 由逆变器再将直流电压逆变成交流正弦波电压 供给负载，起到无级稳压的作用；而当市电中断时，后备电池开始工作，此时电池 的电压通过逆变器变换成交流正弦波或方波供给负载，因此无论是市电供电正常时， 还是市电中断由电池逆变供电期间，逆变器始终处于工作状态，这就从根本上消除 了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响，真正实现了对负载的无干扰、稳压、 稳频以及零转换时间。 在线式u p s 的特点是：输出的电能经过u p s 的处理，输出电源品质最高； 无转换时间；结构复杂，成本高；保护性能最好，对市电噪音以及浪涌的抑 制能力最强。在线式u p s 的这种特点，使它比较适合于用外加电池或加装优质发电 机的方法，改装成长时间不问断供电系统。在线式u p s 输出多为正弦波，电压及频 率稳定，所以它多被用在供电质量要求很高的场所。 在线式u p s 具有极其优越的电气特性： 9 青岛大学硕士学位论文 具有微处理器控制的电压负反馈电路，可使输出电压稳定精度高达 + - 0 5 - + 1 ： 利用锁相同步电路确保u p s 的输出频率在同步窗口内锁相同步，当超出同步 窗口时，u p s 处于本机振荡状态，输出频率精度可达到5 0 h z - + 0 1 ； 在线式u p s 普遍采用正弦脉宽调制( s p w m ) 技术，输出的波形失真度一般 在3 以下。带峰值比( c r e s tr a t i o ) 3 ：1 负载时，失真度不超过5 ； 由于采用了a c d c 、d c a c 双变换设计，可完全消除来自于市电电网的任何 电压波动、波形畸变、频率波动及干扰产生的任何影响。u p s 逆变器向负载提供毫 无干扰的高质量的纯洁正弦波电源； 2 、后备式u p s ( o f fl i n e ) 后备式u p s ，又称离线式( o f fl i n 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 y b y 等字眼的一般均为后备式u p s 。 早期的后备式u p s 在市电供电正常时，市电直接通过交流旁路和转换开关供电于负 载，交流旁路相当于一条导线，逆变器不工作，此时供电效率高但质量差。在近年 的后备式u p s 往往在交流旁路上配置了交流稳压电路和滤波电路加以改善。当市电 异常( 市电电压、频率超出后备式u p s 允许的输入范围或市电中断) 时，后备式 u p s 通过转换开关切换到电池状态，逆变器进入工作状态，此时输出波形为交流正 弦波或方波。后备式u p s 存在切换时间，一般为4 1 0 m s ，但对一般的计算机设备 的工作不会造成影响。由于后各式u p s 工作时输出波形大都为方波，供电质量相对 较差，只适用于要求不高的场合，并且功率一般都较小，多在2 0 0 0 瓦以下。 后各式u p s 的工作过程是：当市电供电正常时，市电一方面经变压器至充电器 给蓄电池充电；另一方面经变压器和旁路开关送给负载。这时送给负载的是没有经 过u p s 加工处理的市电，供电质量明显不及在线式u p s 的供电质量好。市电供电 异常时，控制电路立即切断市电与负载的关系，同时启动逆变器并使转换开关打到 逆变器通路上来，由蓄电池提供电能向负载供电，提供高质量的正弦波电源。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2 2 。 1 0 第二章在线式u p s 的分析和实验 图2 2 后备式u p s 框图 若对市电进行了调压a v r ( 智能电压调节，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，称为b a c k - a v ru p s 。根据逆变 器的输出波形不同，后备式又分为正弦波输出u p s 和方波输出u p s 。方波u p s 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或下降沿的尖峰干 扰的峰值急剧增大，容易损坏u p s 或负载。但因方波后备式u p s 的价格便宜而被 广大非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，技术上讲可靠性是最高的。一般采用 1 2 v d c 7 a h 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。 后备式u p s 的特点是：当市电正常时，后备式u p s 对市电没有任何处理而 直接输出至负载，因此对市电噪音以及浪涌的抑制能力较差；转换开关转换时存 在转换时间；保护性能差；结构简单、体积小、重量轻、易于控制、成本低。 3 、在线互动式( i n t e r a c t i v e ) u p s 在线互动式u p s 是界于后备式和在线式工作方式之间的u p s 设备，它集中了 后备式u p s 效率高和在线式u p s 供电质量高的优点。在线互动式u p s 的逆变器一 直处于工作状态，具有双向功能，即在输入市电正常时，u p s 的逆变器处于反向工 作给电池组充电，起充电器的作用：在市电异常时逆变器立刻投入逆变工作，将电 池组的直流电压转换为交流正弦波输出。在线互动式u p s 也有转换时间，比后备式 u p s 短，保护功能较强。采用了铁磁谐波变压器，在市电供电时具有较好的稳压功 能。由于充电逆变器共用一个模块，在给电池充电时，由逆变器产生的高频成份很 难滤掉，充电效果不是非常令人满意，故不适合作长延时的u p s 。 在线互动式u p s 的基本工作原理是：当市电正常时，向外提供的是仅对市电电 网电压稍加稳压处理的质量偏低的正弦波市电电压；仅当市电供电不正常时，在线 互动式u p s 由它的逆变器向外提供质量较高的正弦波电源。可见，只有当市电异常 1 1 青岛大学硕士学位论文 时，才向负载提供高质量的正弦波电源。 在线互动式u p s 的特点是：u p s 电池回充时间较短；存在转换时间；控 制结构复杂，成本高；保护性能介于在线式和后备式u p s 之间，对市电噪音和浪 涌的抑制能力较差。 上 图2 3 在线互动式u p s 结构框图 综上所述，在线式u p s 不管市电是否正常，向负载提供的都是高质量的纯正的 正弦波电源。而后备式和在线互动式则是在市电异常时才向负载提供高质量的电源， 这就是目前在线式u p s 被广泛应用的原因。 2 2 逆变器及其控制 2 2 1 逆变器输出控制 现代u p s 的一个主要作用就是要提供给负载经过其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。 本文采用单相桥式逆变电路，由直流电源、输出变压器及i g b t 管组成。它是电压 型逆变电源，采用正弦脉宽调制( s p w m ) 方式，其基本原理是由反馈电压和基准 正弦波比较，生成的误差电压再与三角波进行比较，产生逆变器的开关控制信号， 去控制各i g b t 管的导通与关断。下面是u p s 的逆变器控制框图。 第二章在线式u p s 的分析和实验 图2 4 逆变器控制框图 2 2 2 单相逆变器的建模与仿真 本小节先就单相逆变器的模型进行分析。单相逆变器的等效电路模型如图2 5 所示。 图2 5 单相电压型逆变器的等效电路模型 对一个理想桥臂而言，一般定义为开关函数s r 叫篇； 由图2 5 可知： u 。= ( 卧s ：) 饥= 哮 得微分方程为： n 青岛火学硕士学位论文 l ( s ) - 0 。一s ：p 。( l s + r ) 为了提高输出电压的稳压精度，改善输出波形，采用了瞬时电流反馈控制。输 入基准电流，= 2 4 萄v , ，( 5 0 h ：) ，g a i n 对偏差电流进行放大，输入直流电压 u 。；2 2 0 v ，i 要t e e - f 方的电路产生三角波信号，幅值为2 a ，频率为1 k h z ，由此得 出m a t l a b 6 5 环境下s i m u l i n k 仿真模型如下图所示： 仿真结果如图2 7 所示： 图2 6 单相逆变器仿真模型 图2 7 单相逆变器输出电流波形 由仿真结果，采用电流采样反馈控制的单相逆变器，恰当的选择电流放大倍数， 并经过滞环比较器的控制就能输出良好的电流波形。这种单相逆变器的仿真模型为 下面章节的分析做了铺垫。 1 4 第二章在线式u p s 的分析和实验 2 3 小结 本章详细论述了u p s 的分类和特点，以单相在线式u p s 为研究对象，分析逆 变器的控制，同时给出单相逆变器的仿真分析。总之，逆变器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 u p s 逆变器控制技术的最终目的所在。 青岛大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章u p s 的并联运行技术的分析 从一般原理上讲，普通在线式u p s 都可直接并联，但应说明的一点是，这些 u p s 都必须由同一路电网供电，在这种情况下，因为l i p s 的逆变器永远在跟踪旁路 市电，由于这些u p s 都在跟踪同一路市电，也就相当于互相在相位上跟踪。这些 u p s 在频率和相位上都是一致的，因此可以并联。但这种并联是不保险的，因为： 在相位上 虽然它们都在频率和相位上跟踪旁路，但在相位上有超前和落后之分，一般大 容量u p s 的相位跟踪在士3 。，如果这两台并联的u p s 一个是+ 3 。，另一个是3 0 ，那 么两个并联后就有可能在相位上相差6 。，这就有可能使两台u p s 输出电压相差 2 u 。s i n 3 0 = 6 0 0 s i n 3 0 = 3 0 v 这就会在u p s 输出端造成很大的环流。如图3 1 ( a ) 在电压上： 虽然是同一厂家生产的u p s 逆变器，但由于逆变参数和变压器参数的微小差异 会导致输出电压不致，比如一个为2 1 8 v ，一个为2 2 2 v 等，也会在输出端造成环 流。 a ) 当两台u p s 仅输出电压相等，但不能b ) f i 两台u p s 仅频率和相位相等 保证频率或相位相等时，可能形成的瞬但不能保证输出电压相等时， 态电压差可能形成瞬态电压差 图3 1 出现环流的两种情况 第_ = 章u p s 的并联运行技术的分析 因此，要获得比较好的可靠的并联系统性能，必须加以并联控制。分析现有的 d c d c 、d c j a c 变换器的并联方式及各自的特点，不难发现，要获得比较好的并联 系统性能，各模块问必须要有足够的信息交流，以使它们的功率电路保持相同或相 近的丁作状态和输出量。外特性下垂法( 各模块只在负载输出端相连接) 难以获得 很好的均流性能。特别是对于u p s 中的逆变器而言，要实现输出电压相位、频率一 致，就更困难；而若在系统中设置集中控制模块，虽然有利丁获得较好的系统性能 ( 输出同步、均流) 。但系统不能实现冗余、灵活性差。 因此，本文研究并联的基本出发点是：并联系统巾没有专门的控制模块，各模 块结构、功能完全等价，但模块间必须有控制信号连线，通过实时信息交换，很好 地同步和均流。 当u p s 中的逆变器输出呈电压源性质时，由于输出引线阻抗极小，结果造成其 输出电压向量的微弱差异( 相位、幅值) 即可导致输出电流的很大偏差( 有功和无 功分量) 。由此想到，假如使逆变器呈电流源性质，则输出引线阻抗越小，输出电流 的差异所引起的输出电压偏差就越小，这样模块间的瞬时功率平筏容易实现，而且 并联系统抗扰力强，易于稳定。因此，电流型控制的逆变器比电压型控制的逆变器 具有更快的动态响应性能和更好的稳定性。 双环瞬时反馈控制( 也称电流型控制) 是一类先进的变换器控制方式，它使变 换器模块具有良好的控制性能，特别使其内环为电流跟随器性质，电感电流跟随负 载电流，使逆变器输出口具有电流源性质。故本文以工作于此类控制方式的u p s 为 研究对象。电流内环的传递函数可以简化为电流放大倍数k r ( 电流反馈系数的倒数) ， 模块原理如图3 2 ，简化框图如3 3 所示。 输出滤波器 图3 2 电流型瞬时反馈控制的逆变器 青岛大学硕士学位论文 图3 3 电流型瞬时反馈控制逆变器的简化框图 3 2u p s 并联运行技术 u p s 并联要解决的三个关键问题是：( 1 ) 逆变器的并联和均流；( 2 ) 市电跟踪 和基准正弦信号同步；( 3 ) 旁路控制。 3 2 1 逆变器的并联原理 基于电压电流双环瞬时反馈控制的逆变器其并联运行方式的基本思想是：( 1 ) 瞬时反馈控制方式下，各逆变器模块输出电压跟随基准电压变化，因此，要实现输 出电压同步，必须首先使各模块的基准电压信号始终保持同步( 同频、同相和同幅) ； ( 2 ) 发挥模块的电流跟随器性质，使各模块跟随同一个基准电流而变，自然均流。 各模块独立工作时，是以其电压调节器的输出作为内环电流跟随器的给定信号，并 联系统的电流基准信号还必须保持原有的调节功能，以维持系统的“双环”反馈控 制特性。 具体的实现要点是：( 1 ) 各模块的基准信号发生电路之间通过局部反馈( 同步 信号) 实现基准信号的同步( 同频、同相、同幅) ，为各模块提供公共的基准信号： ( 2 ) 各模块的电压反馈信号平均后输入给各模块中的电压调节器；( 3 ) 各模块的电 流给定( 电压调节器的输出) 信号平均后作为并联系统各模块公共的电流基准。 系统的结构特点是，上述同步和平均电路分散在各模块中，各模块完全等价。 允许任意各模块并联( 数目无需人为设置) ，这也是实现冗余并联运行的重要条件。 一方面，电流型跟踪控制使各模块输出端等效为电流源( 电感电流订，为了便 于说明问题，负载为纯阻性负载z 时，输出滤波电容归入负载z ) ；另方面，逆变 器的电压调节器一般为p i 型，逆变器正弦输出、闭环系统是有静差的，也正因此， 各p i 调节器( 对于交流信号具有低通高阻性质) 的参数和输入信号略有差异时，其 输出不易饱和，而且基本一致，也就是说，其输出端口又可等效为有一定内阻的电 压源，允许各输出端引线阻抗等的误差造成的模块输出电压的微弱偏差。这是并联 第三章u p s 的并联运行技术的分析 系统稳定工作的基础。 冠步 图3 4 并联系统的框图 已有证明 1 3 】此系统是稳定的；其控制性能不低于单模块的设计性能；可实现很 好的均流性能。两模块并联系统的输出等效电路原理图如图3 5 所示。 图3 5 并联系统输出等效电路原理图 3 2 2 双环控制逆变器的数学模型及性能分析 3 2 2 1 电压电流双闭环逆变器的结构 逆变器并联系统中各逆变器的模块是一个重要的基本组成。本文所用的逆变器 9 青岛大学硕士学位论文 模块采用电压电流双闭环结构( 如3 2 图所示) 。它使变换器模块具有良好的控制性 能，特别是内环为电流跟随器性质，电感电流跟随负载电流，使逆变器具有较好的 电流控制特性，故本文以工作于此类控制方式的逆变器模块为研究对象。 图3 6 电压电流双闭环逆变器的系统控制模型 图中虚线框是电流内环，采用三态d m p 电流滞环跟踪控制方法。其中对电感 电流跟踪性能产生影响的主要有两个参数，即滞环宽度占和调制频率f 。滞环宽度6 过大过小会影响输出电压：若环宽占过大，即意味着电感电流误差较大；若环宽占过 小，主功率管的开关频率增加，不仅开关损耗增加，而且负载回馈能量较大，影响 直流变换器的输出电压，但是可加快调节速度。调制频率f 的影响：若调制频率过 小，系统电感电流的跟踪性能下降，该环节的开关损耗减少；若调制频率过大，该 环节的延迟时间减少，电流跟踪速度将会加快，但是开关器件的开关损耗将会增加。 综上所述，当该电流环的参数选取合适，则可忽略该环节所产生的滞后延迟， 并可将该环节等效为一个理想的比例环节，其增益为k ，其值为电流反馈系数k ，的 倒数。则逆变器系统的控制框图可简化为图3 7 。 图3 7 简化的控制框图 第三章u p s 的并联运行技术的分析 逆燹器采用电压电流双闭环滞环控制逆夏器，糸统如图3 6 所不。仿冥米用的 环境是m a t l a b 提供的图形环境s i m u l i n k 进行的。参数为：电压调节器参数k ，= 4 、 f 。= 1 0 s ，电压反馈系数k 。= 0 0 3 4 ，电流环放大倍数p = i 7 9 6 ，电流反馈系数 k ，= 0 5 5 6 8 ，滤波电感l = l m h ，输山滤波电容c ，= 2 2 t f ，输入电压： 一= 1 0 6 帆，( 5 0 h 。) ，负载为纯阻性r = 5 f 1 ，v o = 2 2 0 v , , 。，( 5 0 h z ) 。 嗍节器g p ) 啦+ 去小志= 黑等 ，_ ( 1 ) 基准电流i g = e ( s x v , 一k ，) 3 - ( 2 ) 输出电压巩( 毒z 吐，( 一5 ) ，书， 下图为电压电流双闭环滞环控制逆变器的m a t l a b 仿真模型 图3 8 电压电流双闭环滞环控制逆变器仿真模型 此逆变器输出电压波形如图3 9 所示 2 l 青岛大学硕士学位论文 图3 9 双闭环控制逆变器输出电压波形 上图显示输出波形质量较好，可见电压电流滞环控制是一种很好的控制方式。 3 2 2 2 逆变器中各参数对系统性能的影响 通过以上仿真，分析逆变器中对输出电压的相位与幅值产生的因素。 影响逆变器输出电压相位的因素 从系统原理图分析可知，对逆变器输出电压相位产生影响的因素主要有：输出 滤波电感l 和电容c ，。 ( a ) 输出滤波电感l 对输出电压相位的影响。已有证明 1 4 l 输出滤波电感微小变化 时输出电压的相位基本不变，即输出电压的相位对滤波电感的变化不敏感。这是由 于在该种控制方式中电感是位于电流环内，电流环是跟随器性质，因而这一参数的 变化被电流