（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的ups智能模块化技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em u l t im o d u l ea n d i n t e l l i g e n t u p s s y s t e m i s n tr e s t r i c t e d b yp o w e r c a p a c i t i e s t h e r e f o r e ，i tc a n n o to n l yf l e x i b l yb eu s e dt oe x p a n d p o w e rs y s t e mc a p a c i t i e sa n d b u i l du p p a r a l l e lr e d u n d a n ts y s t e m s t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , b u ti tc a na l s of i n da n dd e a l w i t ht h ef a u l to fu p si nn ot i m e ，a n ds h o r t e nt h et i m ec a u s e db yt h ef a u l to ri n s p e c t ，w h i c h m a k ei tb e c o m eat r u eu p s s i xs i n g l e - p h a s ed o u b l e c o n v e r s e do n l i n eu p s sa r ed e s i g n e d i nt h i sp a p e r a n dw er e a l i z e dp a r a l l e lo p e r a t i o no ft w oa n dt h r e ea n ds i x3 k v a u p s ，a tt h e s a m e t i m e ，w eb u i l d t h em o n i t o r - n e to nt h eb a s eo fc a ni nt h i ss y s t e m i no r d e rt os a r i s f yt h ee n g e e r i n gn e e da n dt a k et h ea d v a n t a g eo f d i g i t a la n ds i m u l a t e c o n t r o l , t h eo u t e rv o l t a g el o o pi sd i g i t a l l yc o n t r o l l e da n dt h ei n n e rc u r r e n tl o o pi sc o n t r o l l e d b yh y s t e r e s i sb a n dw i t hs i m u l a t ec i r c u i tf o rp f cc o n t r o l i nt h es e c to fr e c t i f i e r a n dt h e d e s i g no fc o n t r o l l e rp a r a m e t e r si si n t r o d u c e d t h ec i r c u i to fh a l f - b r i d g ei n v e r t e ri sa d o p t e d i nt h es e c to fi n v e r t e r , t h em o d e l so fs p w mi n v e r t e ra r ee s t a b l i s h e da n da ne x a m p l ei s g i v e n t oe x p l a i nh o wt od e s i g np ic o n t r o l l e rp a r a m e t e r sw i t h v o l t a g er m s f e e d b a c k ， t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c 、t h eg e n e r a ls i t u a t i o no f d e v e l o p m e n ta n dt h e n e tb u i l d u po fc a nb u s a n da n a l y z et h ef i v ek e yt e c h n o l o g yo ft h ec a n ，s u c ha st h e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l 、t h ef o r m a to f f r a m e 、t h ea r b i t r a t i o n 、t h e a c c e p t a n c em a s k f i l t e r a n dt h eb u s s y h c h r o n i z a t i o n ，a tl a s t ，t h i sp a p e r a l s oi n t r o d u c et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ei n t e u i g e n t i z a t i o no f t h es y s t e m m o d e l so f p a r a l l e ls y s t e m a r ee s t a b l i s h i e dt o a n a l y z e t h e s p e c i a l i t y o ft h e c i r c u m f l u e n c e ，t h e nt h ep r i n c i p l eo ft h ep a r a l l e lo p e r a t i o ni sa n a l y z e di n d e t a i l i e t h e i n f u e n c eo fi n v e r t e r so u t p u ti m p e d a n c et ol o a d s h a r i n gi np a r a l l e lo p e r a t i o ni st h o u g h to r n o ta nn e w w a y t oa d j u s tt h ea m p l i t u d ea n dp h a s eo f o u t p u tv o l t a g ei n d e p e n d e n t l yi sg i v e n a t l a s t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa b o u tp f cr e c t i f i e r ，i n v e r t e ra n d p a r a l l e lo p e r a t i o na r eg i v e n a n d a n a l y z e d a tt h ee n do f t h i sp a p e r k e y w o r d s ： u p sc a nb u sm u l t im o d u l e i n t e l l i g e n t i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 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 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：诉寸童l l ； 生 日期： 一午年序月二? 日 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，即： 学校有权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密图。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：；咐f ，婀 日期：2 e 甲年辞月叩日 指导教师签名：谚驾 日期：沙牛年争月2 宁日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 电力电子技术发展现状“1 电力电子技术( p o w e re l e c t r o n i c s ) 是= 十一世纪重要的关键技术之一。美国 电气和电子工程师协会( i e e e ) 对电力电子技术的阐述是：“有效地使用电力半导体 器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一 门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。 电力电子技术的应用领域不断拓宽，其发展逐渐进入到一个日新月异的阶段。作 为研究采用电力半导体器件实现对电能的控制和变换的科学，电力电子技术是应用于 电力技术领域中的电子学。作为一门交叉学科，电力电子技术和它临近的学科是互相 渗透、互相促进的。 电力电子器件是电力电子技术的基础，电力电子技术是随着电力半导体器件的发 展而发展的。从1 9 5 7 年以晶闸管为核心的传统电力电子技术阶段开始，到7 0 年代后 期可关断晶闸管、电力晶体管及其模块的问世，期间伴随着微电子技术和电力电子技 术的发展与结合。其后出现的功率场控晶体管、绝缘门极晶体管等形成了一个新的全 控型器件大家族。这些器件正沿着功率化、快速化、模块化和智能化的方向发展。 在高电压大电流的应用中( 如高压直流输电、无功补偿等) ，目前晶闸管仍占主 导地位，在中小容量的电力电子设备中，i g b t 和m o s f e t 应用则比较广泛。 典型的电力电子产品有斩波器、整流器、变频器、逆变器等，另外还有很多组合 变换器，如不停电电源( 先整流再逆变) 等。 电力电子器件和电力电子电路之间的关系十分密切，新器件的出现会促使电路达 到新的水平，新的电路设计又反过来对器件提出新的要求。随着电力电子器件的功率 化、高速化，电力电子电路的容量水平和工作频率不断提高，电能变换的质量也越来 越好。 1 2 u p s 的技术现状及发展。1 随着电力电子技术的迅速发展和整个社会的进一步信息化，用电设备对电源质量 的要求越来越高，供电中断带来的损失也变得越来越难以承受，因此不停电电源的应 用也f i 益广泛，对不停电电源性能的要求也越来越高。如今，商性能、高效率、小型 轻量化和智能监控越来越成为各类不停电电源追求的目标，因而u p s 技术的提高也势 在必行。u p s 技术包括整流( a c d c ) 、逆变( d c a c ) 、滤波、锁相、开关调制信号的触 华中科技大学硕士学位论文 发与驱动、信号跟踪与反馈、微处理器控制的数字化等技术。 1 2 1u p s 技术的主要发展方向 1 采用高频软开关技术，软开关技术减小器件应力和发热，提高了工作效率；器 件开关频率的提高使动态响应、谐波失真、可闻噪音等指标大幅度提高的同时也使得 装置的体积和重量大大减4 、”1 。 2 采用p f c 功率因数校正技术，将u p s 输入功率因数提高到相当理想的程度，降 低辐射干扰，从而引出了绿色无污染u p s 的新概念。 3 采用新的电路结构，如整合u p s 的整流器和充电器等，减小u p s 的体积和成本， 复杂程度“。 4 采用模块化方式，容量模块方便用户扩容和管理，同时也便于安装和维修。只 需在原来的机箱里增加一个或几个模块。模块之间互相形成热备份并可带电插拔。功 能模块：便于开发，自由选用所需功能，大大缩短开发周期、减少成本。 5 采用完善的蓄电池保护技术和完善的网络管理系统通讯等，通过网络及时向管 理员报告各种消息，便于及时修理维护州m - “1 。 6 采用高档微处理器和数字信号处理器的数字化控制，模拟系统存在元器件数量 大、分散性强、不利于生产与调试的缺点；且具有漂移、老化等不良特性，系统可靠 性难以提高。数字控制系统集成度高，且具有很强的数据、逻辑运算能力，可以实现 一些复杂的先进算法和智能算法，这些在模拟系统中甚至是不敢企及的。d s p 技术的 优势还在于具有良好的自我诊断功能，能迅速地排除故障；大幅度地减少零件的数量， 从而大大降低因元器件而造成的系统故障，提高其可靠性，并且运算控制起来比原来 简单、准确、完美，同时d s p 技术的引入也极大地推动了并联技术的发展，d s p 也将 是日后u p s 技术向成熟化发展的必然趋势。u p s 系统的控制将朝着全数字化控制的方 向发展。该技术有利于提高u p s 的效率、可靠性以及并机技术的发展，是u p s 技术同 后的必然发展趋势，另外采用数字控制的系统很容易实现与计算机网络的通讯，可以 通过网络对关键器件进行有效的监视，对已发生的故障有冗余措施处理。 综上所述，u p s 将朝高频化、数字化、智能化、绿色化、网络智能化等趋势发展。 1 2 2u p s 系统及分类。“”1 目前国内市场u p s 品牌众多，大部分都可满足基本的指标要求：比如市电到电池 的不停电切换、输入输出电压稳定度、输出频率稳定度、r s 2 3 2 接口、联网能力、无 人值守等等。从电路结构上来说可以分为下面几类： ( 1 ) 后备式 华中科技大学硕士学位论文 后备式( o f f l i n e ) 输出u p s 电源：又称离线式u p s 。有方波输出和正弦波输出两 种，其单机输出功率从0 2 5 k v a 2 k v a 左右。当市电电源电压在正常范围内时，它向 用户提供经变压器抽头调压的市电电源，当市电电源的电压异常时，提供具有稳压输 出特性的5 0h z 方波电源或者u p s 逆变器正弦波电源。图1 1 是后备式u p s 的结构示 意图。 这种u p s 的优点是可靠性高、结构相对简单、效率高、成本低、价格便宜。缺点 是供电波形质量较差，市电异常时需启动逆变器工作因而需要一定切换时间。输入输 出直接相连，对电源的浪涌和噪音不能提供根本上的保护，需加浪涌吸收电路。频率 适应性差。因而一般只有无重要设备和重要信息的用户采用，或者用于对信息处理要 求不是非常严格的场合，如小功率为单台计算机供电。 图1 1 后备式u p s 结构简圈 ( 2 ) 在线互动式 在线互动式( o n l i n e ) u p s 电源：其单机输出功率从0 7 k v a 2 0 k v a 左右。当市电 电源在正常范围内时，市电经交流稳压处理后输出，双向变换器作为整流器向蓄电池 充电。同时因为变换器一直连接着输出，所以可以提供附加的滤波，减小市电瞬变对 负载的冲击。仅当市电电源电压异常时，蓄电池经由变流器向用户提供真正的“u p s 逆变器正弦波”电源，此时双向变换器作为逆变器向负载提供正弦波电源。其结构简 图如图1 2 所示。 因为市电正常时，在线互动式市电只经过一级变换向负载供电，而不是象在线双 变换一样经过整流再逆变的双变换，因而效率比在线式双变换要高，典型值为9 7 。因 为双向变换器一直连接在输出并处于工作状态，在从市电转向电池供电的过程中只需 要通过控制器内部调节即可完成，因此具备在线式的切换性能。 在线互动式u p s 的主要应用场合是对交流电压的精度要求不太高的地方，因 为一般在线互动式u p s 的稳压程度不如双变换在线式。在线互动式单变换u p s 省去了 输入整流器和充电器，充电器由被称为双向变换器的逆变器充当。其切换效果也是在 华中科技大学硕士学位论文 线式的，即当市电在一定范围中变化时，负载主要由经过粗稳和滤波的市电提供，只 有当市电异常时，才由逆变器全力向负载供电，这时的功能和双变换结构一样。其主 要的不足就是输出电压稳定度不如双变换高，对输入功率因数也无调整作用。 图1 2 在线互动式u p s 结构简图 ( 3 ) 双变换在线式 当市电正常时，由市电经a c d c 、d c a c 两次变换后供电给负载。当市电异常时， 电池经d c d c 变换再逆变后供给负载能量。因为市电经过两级变换，因而市电和负载 的波动完全隔离，给负载提供完善的保护。 大功率u p s 通常是在线式工作方式，它一般由整流回路、逆变回路、旁路切换回 路、充电回路以及d c 1 ) c 升压隔离回路或a c a c 输出升压隔离回路，其原理框图如图 l 3 所示。 旁路 图1 ，3 在线式u p s 结构简图 双变换在线式u p s 有许多优点：供电质量好，无论任何时候供给负载的都是真正 纯净的正弦波；市电到电池的零切换时间；输出电压无三次谐波：对市电到负载和负 载到市电两个方向上的电压变化都有缓冲作用：允许逆变器在很宽的直流电压范围工 作：中线上无电流等。然而传统双变换在线式u p s 的缺点和局限性也很明显：电路复 杂、系统效率低、成本高，大功率u p s 产品采用的相控整流还会出现对电网的干扰。 4 华中科技大学硕士学位论文 还有因为逆变器一直处于工作状态，因而对逆变器的可靠性和寿命有较高的要求。且 由于在任何状态下，1 0 0 的负载功率都要经过两次转换，因此其整机效率不高， 主要功率器件发热厉害，寿命降低，影响整机的可靠性。由于整机输入功率因数低， 输入电流高次谐波可达3 0 ，无功功率和谐波电流对电网的公害非常严重。 双变换结构u p s 的出现解决了传统式双变换结构体积大、效率低和造价贵的问题。 但是没有输出隔离变压器，因此也就没有隔离和缓冲的余地，其输出电压直接受负载 变化的影响；逆变器功率管在接近满载时比传统式容易坏；输出电压零线上有不易限 制的谐波电流，因而零线电位不为零；在负载上有直流分量，容量也不易做大。 上述三种u p s 结构，从技术难度上讲，在线式、在线互动式、后备式是从高到低 的排列。然而从造价上讲，则正好相反。 市电正常时，只有在线式输出波形是真正纯净的正弦波，输出电压稳定度最好。 市电异常时，均由电池供电，输出波形理论上没有明显差别。 关于u p s 的切换时间，当市电异常时，u p s 切断输入，与逆变器并联的电容电压 降到一定程度时，蓄电池开始放电，这一转换过程因为不通过开关切换，所以一般可 以做到零转换时间。现在市电异常而改由电池供电时的这一转换过程一般可达到切换 时间为零。由于u p s 过载时要从逆变器到旁路之间的切换时间则根据切换方式有所不 同。通过晶闸管切换或者增加储能环节可以补充切换时间但需要增加造价。一般过载 转旁路时每当进行切换前，首先启动旁路开关，当切换停止后才关闭逆变器，这就起 到了类似贮能器件的作用。当逆变器突然故障时的切换时间则很少能做到零。目前只 有一些厂家号称其在线互动式的u p s 做到了任意状况下的零切换。 ( 4 ) d e l t a 变换u p s “。2 1 “”1 其单机输出功率从i 0k v a 、4 8 0 k v a ，d e l t a 变换u p s 系统取消了整流器( 充电机) 。 系统结构如图1 4 所示。两个功率变换器连接到公共的蓄电池上，其中一个变换器称 为d e l t a 变换器，其容量约为系统的容量的2 0 左右，它通过一个d e l t a 变压器串联 连接在市电电源和负载之间。另一个变换器称为主变换器，主变换器容量等于u p s 系 统容量，并联连接在系统输出端。这两个变换器都是四象限p w m 逆变器，可以工作在 逆变和整流方式。当市电电压正常时，市电经d e l t a 变换器向负载供电，主变换器稳 定系统输出电压。市电电压变动时，市电和系统输出问的电压差由d e l t a 变换器补偿。 它向用户提供的电源是由普通市电电源和d e l t a 逆变器所产生电源叠加而形成的交 流稳压电源。当市电电压超出正常范围时，系统转入蓄电池供电方式，为负载提供真 正的“u p s 逆变器正弦波电源”。 华中科技大学硕士学位论文 d e l t a 逆变器：高频双向脉宽调制逆变器控制输入电流，是一个高阻正弦波电流 源。其作用是控制电流充电、补偿输入电压、控制调整输入功率因数。 这种u p s 系统的优点是主变换器始终连接在系统输出端从市电到蓄电池的切换 不会产生供电中断：市电正常时，d e l t a 变换器只需补偿与市电电压和系统输出电压 差有关的功率，故损耗小，效率高；功率裕量大，过载能力强。 缺点主要表现在电网电压波动较大时工作方式频繁切换。而双变换在线式可以拥 有较宽的市电电压工作范围。 旁路 m 电 - 匪习怔 输入 王f 厂= = 。 图i 4d e l t a 变换u p s 系统结构简图 当市电频率在允许的范围内时，u p s 系统的输出频率必须与市电频率同步，称为 外同步：当市电频率变化超出允许范围时，u p s 逆变器频率不再跟踪市电频率而是由 u p s 内部的频率基准同步，称为内同步。d e l t a 变换u p s 系统和双变换u p s 系统在内 同步阶段有一个重要的差别，后者转入内同步阶段可以继续由市电提供能量，而前者 必须由蓄电池供电。因而在频率变动较大的场合，前者电池寿命极低。这也是一个缺 陷。 1 3u p s 的模块化技术 所谓模块，是指那些功能相对完整独立的大规模功能块，而用系统地观点，采用 分解和组合的方法，建立模块体系，并将若干具有相同或不同功能、可以互换的模块， 通过模块的选择和组合，构成不同的整体，这种分解组合的方法称为模块化。模块化 技术包括模块分解技术和模块组合技术，“分解”是将大的系统根据功能结构有目的 的分解为若干小的系统，使问题由大变小，复杂问题转化为简单问题，因此这种方法 可以有效的简化系统的分析与设计；“组合”是根据特定的技术性能和使用条件，选 择特定的模块以合适的连接方式进行连接，使各功能小系统融合为符合要求的大系 统，也就是在基础功能模块的基础上通过更换或增减一些模块的方法形成很多变种产 品1 。 我们将模块化技术应用到u p s 的设计中，形成了u p s 的模块化电源。是将整台复 华中科技大学硕士学位论文 杂的u p s 分成若干不同或相同的功能模块，单独设计这些功能模块，然后根据用户的 不同需要，选取不同模块进行组合成功能不同的u p s 。这种模块化u p s 不仅体积、重 量大大减小，可靠性也会大大提高。可以实现模块生产标准化、通用化、系列化后， 根据不同的要求方便灵活地组成各种功能和结构地u p s ，提高生产效率。同时也便于 设备地维修和更新换代，可以降低生产成本。 在u p s 的设计中采用模块化技术，主要需要解决如下技术问题： 1 整台u p s 分解为若干个基础功能模块技术。功能模块的合理划分是实现整机模 块化的重要先决条件，除要求功能模块独立和通用性强外，还好考虑生产工艺、性能 比以及是否便于检测和维修：同时模块应具有方便的接口，否则不但模块之间、模块 和非模块之间拼接困难，会造成整机的性能不稳。本系统中将整台u p s 根据不同的功 能划分为智能监控模块和若干个u p s 基本模块，其中u p s 基本模块均是可以对外独立 供电的单相双变换在线式u p s ，且性能结构完全一样。而每个u p s 基本模块又可以分 为整流模块，逆变模块、充电模块、旁路模块等单元模块。由于篇幅有限，本文中将 详细的介绍u p s 基本模块中的核心模块一整流模块和逆变模块，以及智能监控模块中 的智能化技术- - c a n 总线技术。 2 将各个功能模块组装成不同功能的u p s 技术。组装技术分为若干等级，为了简 化起见，通常将组装分为一级组装和二级组装。本系统中一级组装是指将上述的各个 单元模块组合成u p s 基本模块，即将整流模块，逆变模块、充电模块、旁路模块等单 元模块组成可对外独立供电的单相双变换在线式u p s ，二级组装是指将若干个u p s 基 本模块组合成u p s 系统，即将若干个独立的u p s 并联起来共同对负载供电，也就是常 说的u p s 的并联技术。组装的具体技术本文中均会详细介绍。 u p s 的模块化技术除了上述关键技术外，还有u p s 模块的带电热插拔技术、兼容 性技术以及热插拔过程中的逻辑时序等问题。由于篇幅原因，在本文中未一一提及。 1 4 智能化u p s 技术发展概况。”“”“7 1 在计算机网络运行统计中，由于电源质量不高而引起的服务器系统瘫痪的几率为 8 0 ，数据出错和丢失的几率为4 5 ，网络瘫痪的几率为3 4 ，这些数据表明为网 络设备提供可靠的高质量的电源显得越发重要。u p s 的智能化主要是使u p s 有个良 好的外部接口，可以使设备的各类功能( 如在线控制、通信、数据采集、保护、报警、 故障的自诊自检和记录、运行状态显示等) 都得以方便的实现，使得产品具有一定的 辨析和判别能力的智能化设备。这样在不提高u p s 的性能指标的情况下，使系统的可 靠性明显提高。如在u p s 电池用完之前或在u p s 出现故障时，启用后备u p s 或保存数 华中科技大学硕士学位论文 据关机，使用电设备受电网的影响达到最小。 现在对于u p s 的小型化、智能化的研究已经广泛的开展。目前，u p s 已由初期的 单纯供电发展到目前的多功能应用，u p s 不再仅仅是供电电源，向用户提供高质量的 稳压器、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 能自动的定时关机、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的关机，如a p c 公司的u p s 除联网功 能外还可以对环境温度、湿度进行监视，往u p s 具有了智能。 在最近推出p o w e r w a r ep l u s 系列产品有多种崭新功能，内置式d ce x p e r t 电池监 察系统能够高度准确地提供运行时间和电池状况，避免因突如其来的故障导致数据丢 失，其指示的电池运行时间误差仅为3 。内置式数字化t o k e n - r i n g 网络采用数字 讯号处理专利算法，有效地解决并行系统模组之间的相互沟通问题，并采用有效的设 计将产品的元件数量减至最低程度，以减少故障机会，成为业界首家提供9 9 9 9 可用 性的并行冗余系统。新推出的r e m o t en o t i f y 选件在大部分情况下能够自行诊断故障， 并且随即解决问题，如果遇到重大故障，可以就用户预测的1 9 0 多种故障情况，自动 向传呼机或个人电脑发出最多长达4 0 个字的求助信息。r e m o t en o t i f y 可以向两个不 同的电话号码发出呼叫，并且最多可以重拨2 5 6 次，以确保信息可以顺利地传达，而 网络管理人员则可以通过拨号进入系统内部检查u p s 的全面运行情况。 a p c ：新款b a c k - u p sa v r5 0 0 是专为中国的小型商业用户和个人设计的产品。它 适合于为电力供应不稳定环境中的商业计算机用户提供连续的运行时间，同时也将为 国内越来越多的上网用户提供网络保护功能。b a c k u p sa v r5 0 0 采用了效能更高的 后备电池，并能够配合多种燃料发电机一起使用( 包括便携式发电机) 。它具有2 个 兼具电池后备和浪涌保护的固定的输出插口一除专门为打印机提供的1 个浪涌抑制出 口外，还为p c 、显示器和其他数据密集型外设提供了2 个后备电池出口。它还安装了 专用端口，可为m o d e m 、传真机或电话机提供浪涌抑制保护。 u p s 智能化的主要功能：“”“” ( 1 ) 实时监控功能。监视电路中各部分的状态，随时获取主机工作时的有关参 数。应用户的要求提供电源品质的历史记录，包括输入、输出电压、频率、负载、电 池质量及环境温度等关键信息。( 2 ) 入机交互功能。双向通信是未来u p s 发展趋势。 用户可按实际情况，自行设定各种参数。( 3 ) 自动传呼功能。u p s 软件或软件渗测到 u p s 系统故障时，可通过不同的方式实时通知系统管理员，以最快的速度解决问题。 ( 4 ) 故障检测功能。发生故障时，在各个用户报警的同时，给出参数且及时分析， 华中科技大学硕士学位论文 追踪引发电源故障的重要信息，必要时给出处理方法。( 5 ) 自动保存功能。u p s 的电 力快要耗尽时，执行此项功能，从而保证数据及系统的完整性和可恢复性。( 6 ) u p s 的自检及定时开、关机功能。这些预防性功能都可在u p s 系统故障发生之前采取适当 的措施。( 7 ) 远程监控功能。提供一个计算机接口，通过r s 9 _ , 3 2 或r s 4 8 5 ，经调制解 调器实现与异地计算机的终端通信，实现上述的所有功能。可以1 台主机同时监控多 台u p s 。 目前，u p s 厂商们掰推出的多种新产品，包括多种不间断电源供应技术，电源管理 软件以及连接装置，都不会由于电源冲击、浪涌、陡降、电力不足和电力中断等问题 而使受保护的重要信息资源遭受损失。 针对不间断电源系统我们将现场总线技术应用到不间断电源系统的网络监控 中，并充分利用现场总线能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干挠环境 下可靠地工作的优点，开发出了u p s 网络监控系统。 1 5 现场总线技术概况皿们旺”2 2 1 现场总线是种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实 现双向、串行、多节点数字通信的通信网络( 国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 ) ： 现场总线控制系统( f c s ) 是继集散式控制系统( d c s ) 后的新一代控制系统。现代工 业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”，使得“控制分散，危险分散”。但既 使是现在流行的d c s 控制与其工业过程打交道的过程控制站仍然还是集中的，这正是 对分散控制，集中监控思想的违背。而f c s 控制系统真正做到了这一点，它把控制彻 底的下放到现场，具有通信功能的现场智能设备，能完成诸如数据采集，数据处理， 控制运算和数据输出等功能。只有一些现场仪表，无法完成的高级控制功能才由上位 机来完成。而且现场节点之间可以相互通信，实现互操作，节点也可以把自己的诊断 数据传送给上位机，以便于设备管理。 1 5 1 现场总线特点： 1 系统的开放性( 开放是指对相对标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与 遵从。) ；现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准都是公开的，用户可以自由地集 成不同厂商的通信网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。它的实施有利 于解决工厂各层次的信息集成及支撑技术计算机网络问题，有利于构筑cim s 网络系统，并有效地发挥作用。此外，用户可以很方便地共享网络数据库。 2 互可操作性与互用性( 可点对点，一点对多点的数据通信，性能类似的设备可 替换) ；由于功能分散在多台现场仪表中，并且可以统一组态，供用户灵活地选用各种 华中科技大学硕士学位论文 功能模块，因此现场仪表或设备通过一对传输线互连就可实现不同厂商产品的交互操 作和互换，将各厂商性能价格比最优的产品集成在一起，实现“即接即用”，即所谓互 操作性。这样，用户也能自由地集成现场总线控制系统。 3 现场设备的智能与自治( 现场设备完成自动控制，自诊断功能) ：现场总线技 术采用计算机数字通信技术连接现场设备。控制设备可以很便捷地从现场设备获取所 需的信息，能够实现设备状态、故障、参数信息的快速传送，完成对设备的远程控制、 参数化及故障的诊断工作。 4 系统结构的高度分散( 是全分散性控制系统，改变现有d c s 集中与分散的集散 控制系统体系) ：现场总线技术是计算机网络通信向现场级的延伸，因此它可以把d c s 控制站的功能分散地分配给现场仪表，构成虚拟的控制站，这样就废弃了d c s 的i o 单 元和控制站。现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制或运算功能，通过微处理 器能够完成诸如p i d 等算法和逻辑控制，实现一表多能。测量控制一体化。通过现场仪 表和装置就可以构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了控制系统的可靠性、自 治性和灵活性。 j 对现场环境的适应性( 具较强的抗干挠能力，能采用两线制实现通信与供电) 。 1 5 2 现场总线优点： i 一对多结构( 一对传输线，可接多个节点) ； 2 可靠性高，危险分散，而且，传输的是数字信号，抗干挠能力强，精度高； 3 可互换性( 不同厂家的设备可用同功能的类似产品互换，不同品牌的设备可互 连在一个网络上) ； 4 开放性互联网络( 可与同层网络，不同层网络互联，网络数据库共享) ： j 系统易于重构( 改变控制系统的结构，改进算法) 。 1 5 3 现场总线缺点： 1 通信“瓶颈”( 对物理介质的访问取决于介质访问控制( m a c ) 协议，必须对 通信流量进行仔细调度才能确保消息在规定的时间完成传输) ： 2 缺乏一致性( 无中央处理器，须提供相应的协议来保证变量的数值相同；无单 一时钟，须提供时钟同步保证变量及事件的时间标签一致性) ； 3 故障容错( 所有通信集中在一条物理链上很危险，易瘫痪，这样就无法传输任 何信息) 。 1 5 4 现场总线现状 华中科技大学硕士学位论文 目前，现场总线的发展现状是：i 多种现场总线并存于一个现场总线标准( f f 、 p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 、l o n w o r k s ) ；2 多种现场总线既相互竞争，又相互依存； 3 现场总线与d c s 结合；4 现场总线向e t h e r n e t 网过渡。 1 5 5 现场总线的发展趋势 现场总线的正朝着如下趋势发展：1 朝着开放系统，统一标准的方向发展； 2 低速现场总线的继续完善和发展；3 高速现场总线技术的发展。 目前，现场总线的产品主要是低速总线产品，高速总线的开发相对缺乏，高速总 线的设计开发将是以后发展的一大热点，而高速总线应该采用什么样的网络技术又是 这一热点的核心。从9 9 i n e r i ( a m a 展览会上看，许多f c s 系统都采用e t h e r n e t 连接， 再进一步与i n t e r n e t 相连。目前较流行的现场总线主要有以下几种：c a n 总线， l o n w o r k s 总线，p r o f i b u s 总线，h a r t 总线，f f 总线。 1 6 u p s 并联技术概况”朝强蚰 传统的供电系统有着其固有的缺陷：单台电源供电时，一旦发生故障则可能导致 系统瘫痪，并导致不可估量的损失，逆变电源并联技术是提高逆变电源运行的可靠性 和扩大供电容量的重要技术手段。当前大容量的逆变电源的发展趋势是采用新型全控 高频开关器件构成逆变电源模块单元，再通过多个模块并联进行扩容。这样可以充分 利用新型全控高频开关器件的优势，减少系统的体积，降低噪音，提高动态响应速度； 同时利用并联技术，采用模块化设计，可以提高逆变电源变换器的通用性和灵活性， 使系统设计、安装、组合更加方便，可靠性进一步提高o ”啡“2 “。 u p s 的并联运行主要有以下三个好处：第一，可以灵活的扩大电源系统的容量； 第二，可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性；第三，具有极高的系统可维修性 能，在单台u p s 出现故障时，可以很方便的进行热插拔更换或维修。因而，这样的并 联运行系统在各种应用领域得到了广泛的推广和应用。 由于大功率负载的需求以及模块化电源系统的发展，为了实现完全稳定可靠的全 冗余电源系统，模块化电源的并联技术则显得尤为重要。实现模块化电源的并联，可 采取的并联控制方式有：集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互连线独立控制。 集中控制方式中，并联控制单元检测市电频率和相位，给每个逆变电源发出同步脉冲， 没有市电时，同步脉冲可由晶振产生或d s p 发出，各个逆变电源的锁相环电路用来保 证其输出电压频率和相位与同步信号同步。这种控制方式直接把电流偏差作为电压指 令的补偿量加到各逆变电源单元中，用以消除电流的不平衡。集中控制方式认为各逆 变单元的相位已经一致，且环流是由于电压幅值差异引起的，这对于控制环流的精度 华中科技大学硕士学位论文 是有影响的。另外，集中控制方式还存在单点故障，可靠性并不是很高。主从控制方 式在工作时选择其中一台作为并联控制单元，负责完成并联控制功能，其他逆变电源 做从机。主从工作方式当主逆变电源的并联控制单元有故障时，只要其他仍能部分正 常工作，可切换为另一台逆变电源做主机来完成并联控制功能。主从控制方式较常规 的集中控制方式的并联系统的可靠性有所提高，在系统中任何一个模块失效的情况下 仍能维持继续运行。但这种并联系统仍存在着一些国有的缺陷，如同步基准信号仍为 公共集中同步信号，一旦主机有故障，则在切换过程中会有一段时间所有的模块失去 同步而可能出现更大范围的模块失效，同时各模块的控制逻辑判断电路的复杂性及可 靠性也会不可避免影响整个系统的工作性能指标。分散逻辑并联控制能独立地检测和 控制本模块在系统中的工作状态而实现模块间的输出功率合理分配，并能很好地抑制 模块间的环流。它采用了在各逆变电源中把每个电源模块中的电流及频率信号进行综 合，得出各自频率及电压的补偿信号的控制策略，可实现真正的n + i 并联运行，有一 个模块故障退出时，并不影响其他模块的并联运行。但是分散逻辑并联控制方式控制 复杂，实现起来困难，且各逆变电源之间互联线较多，大容量设备并联时互联线距离 较远，干扰较严重。因而，要实现较完善的并联系统中逆变电源独立控制，并且在不 同容量、不同结构的电压型逆变电源之间或逆变电源与公共电网之间实现并联运行控 制及负载均分控制，则取消逆变电源模块间的均流互联线应为最理想的选择，即采用 “无互联线的并联控制”技术。这种无互联线的逆变电源并联控制系统的同步及均流 控制只依赖于各模块内的系统控制策略，可使各逆变电源模块之间的控制系统电气联 系完全隔离，系统安装或维修更加简便、快速，并联运行更加可靠，容量的扩展也更 加容易和方便”。“。 目前，世界上许多国家( 如美国、日本、德国、荷兰、意大利等) 的u p s 公司在 u p s 的并联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市场。从收集 的资料来看，只有一些国际知名品牌的u p s 公司如梅兰日兰、e x i d e 、v i c t r o n 、西力、 三菱、东芝、a p c 等已经把具有并联控制功能的u p s 推向了市场。从并联控制的方式 来看，大多数公司以主从控制或分散逻辑控制为主，只有e x i d e 公司实现了无互联线 独立并联控制方式。而在国内，并联控制技术的研究起步较晚，而且还没有形成国产 化的系列产品，因而在并联控制的研究方面还需要做大量的工作。 1 6 1 分散逻辑并联控制方式 分散逻辑并联控制在各逆变电源中把每个电源模块中的电流及频率信号进行综 合，得出各自频率及电压的补偿信号，实现模块间的输出功率合理分配，并能很好地 华中科技大学硕士学位论文 抑制模块间的环流。其并联控制框图如图1 5 所示。 来自只 墨篓只 的有 功信 号 只 来自g 一 蓬篓呸 的无 功信 号 口 p k扣 卜l 晖g ) 卜均一 b 一+ p pwm l 际弘省- 图1 5 分数逻辑并联控制框图 对于多模块并联运行的系统，理想情况应该是输出的有功和无功功率都均分， 但是由于元器件参数的分散性，各逆变单元输出的电压相位和幅值会有些差异，再加 上逆变滤波参数的不一致，直接并联肯定会有较大的环流产生。因此，必须采用闭环 控制，时时检测本模块单元的输出功率并与平均功率比较，从而调节输出电压的相位 和幅值。当本模块输出有功大了，则表示输出电压的相位超前了，须减小输出电压的 频率，从而使相位滞后。当本模块输出无功大了，则表示输出电压的幅值大了，须减 小本模块输出电压的幅值。反之，则向相反的方向调节。 1 7 选题依据及研究内容 高频双变换在线式u p s 解决了传统式双变换结构体积大、效率低和造价贵的问题， 而且供电质量好。无论任何时候供给负载的都是真正纯净的正弦波：市电到电池的零 切换时间。输入p f c 整流技术，真正将u p s 输入功率因素提高到理想的程度，实现绿 色无污染u p s 。 逆变电源的模块化及其最优化并联控制技术研究，是交流电源系统从传统的集中 式供电向分布式供电乃至全功能电源系统供电模式发展过程中必须解决的一个重大 课题。逆变电源的模块化运行，可大大提高系统的灵活性，打破了逆变电源在功率等 级上的局限，用户可根据需要任意组合系统的功率，同时可方便的采用冗余设计，因 而具有高可靠性、易大功率化的优点。 华中科技大学硕士学位论文 同时，u p s 的智能化能对u p s 运行状态进行实时监控，及时发现异常情况和事故 隐患，在出现异常和故障时迅速进行诊断并予以修复，最大限度地减少u p s 的停机时 间。 本文研究设计了一种3 k v a 的高频双变换在线式u p s 。输入市电正负半波分别p f c 整流，得到直流母线电压4 - 4 0 0 v 。p f c 电压外环采用d s p 数字控制，即采样输出的 母线电压，并与给定比较作调节，调节器的输出作为电流环的给定。电流环采用滞环 控制，控制电路简单适用。采用半桥逆变，l c 滤波，输出5 0 h z 2 2 0 v 的交流，无输出 工频隔离变压器，进一步减小电源的体积和重量。在设计好单个模块电源的基础上， 实现多个模块的热插拔冗余并联。并联控制采用分散逻辑控制方式，满足电源系统对 大功率化和高可靠性两方面的要求；同时探讨了现场总线中的c a n 总线技术，研究了 d s p 与c a n 独立控制器的接口方案，充分利用c a n 能够以较低的成本、较高的实时处 理能力在强电磁干挠环境下可靠地工作的优点，将其应用到模块化电源的网络监控系 统中，形成基于单相双变换在线式u p s 的智能模块化系统。 华中科技大学硕士学位论文 2单相双变换在线式u p s 2 1 单相双变换在线式u p s 电路工作原理。” 对于单相双变换在线式u p s ，其主要的环节为输入功率因数校正( p f c ) 和输出 逆变。图2 1 所示为一种广泛应用于中等容量单相双变换在