三相不間斷電源的新進展
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在今后相當長的一段時間內(nèi)，我國市電電網(wǎng)供電不足，電壓波動大，干擾嚴重的局面仍將存在。而各行業(yè)、各領(lǐng)域的快速發(fā)展對供電質(zhì)量提出了越來越高的要求，尤其是實時性很強的重要系統(tǒng)、重要部門和重要的用電設(shè)備對供電質(zhì)量的要求和我國的電網(wǎng)實際狀況的矛盾日益尖銳。因此，不間斷電源(UPS)作為一種穩(wěn)壓穩(wěn)頻純凈化的綠色電源越來越成為人們關(guān)注的焦點。為了不斷提高UPS的性能，科研人員對UPS系統(tǒng)做了大量的研究，提出了很多的電路拓撲與控制策略。
1 UPS的電路拓撲
UPS的可靠運行離不開各模塊的協(xié)調(diào)工作，下面就UPS主要功能模塊電路拓撲進行簡要分析。
1．1 整流和功率因數(shù)校正電路
整流電路在應(yīng)用中構(gòu)成直流電源裝置，是公共電網(wǎng)與電力電子裝置的接口電路，其性能將影響公共電網(wǎng)的運行和用電質(zhì)量。高性能的UPS要求有較高的輸入功率因數(shù)，并盡量減少輸入電流的諧波分量
1．1．1 傳統(tǒng)三相相控式整流電路和電壓型單管整流電路
相控式整流電路采用半控式功率器件作為開關(guān)，存在著以下問題：
1)網(wǎng)側(cè)諧波電流的存在將降低設(shè)備網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，增加無功功率；
2)相控整流換流方式，導(dǎo)致?lián)Q流期中電網(wǎng)電壓畸變，不僅使自身電路性能受到影響，而且對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，對同一接地點的網(wǎng)間其他設(shè)備帶來不良影響；
3)相控整流環(huán)節(jié)是一個時滯環(huán)節(jié)，無法實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。
電壓型單管整流電路是三相不控整流橋加Boost電路的簡稱，它的缺點是：電流峰值大，不僅妨礙系統(tǒng)功率的提高，也增加了導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；為了保持網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的提高，Boost電路必須有一定的升壓比，這對三相電路會導(dǎo)致直流輸出電壓過高。
1．1．2 電流型三相橋式整流電路
電流型三相橋式整流電路如圖1所示，其優(yōu)點是反饋控制簡單，不需要在控制電路中加入電流反饋，只須調(diào)節(jié)各開關(guān)管的占空比就可以實現(xiàn)輸入電流正弦化；直流側(cè)的電壓較低。缺點是輸入電流正弦度不是很好，在輸入側(cè)必須加入并聯(lián)電容，實現(xiàn)移相。這種電路現(xiàn)在開始成為研究的熱點之一。這種電路適用于大功率整流電路且對功率因數(shù)要求不高的場合。
1．1．3 電壓型三相橋式整流電路
電壓型三相橋式整流電路如圖2所示，其特點是采用高頻PWM整流技術(shù)，器件處于高頻開關(guān)狀態(tài)，由于器件的開通和關(guān)斷狀態(tài)可以控制，所以整流器的電流波形是可控制的。這種電路的優(yōu)點是可以得到與輸入電壓同相位的輸入電流，也就是輸入功率因數(shù)為1，輸入電流的諧波含量可以接近為零；能量可以雙向流動，正常時能量從交流側(cè)向直流側(cè)流動，直流輸出電壓高于給定值時，能量從直流側(cè)向交流側(cè)流動，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。缺點是屬于Boost型整流電路，直流側(cè)電壓要求較高。這種電路也是近年來研究的一個熱點。
1．2 蓄電池組和充放電電路
蓄電池組是UPS的儲能單元，市電正常時它吸收來自市電的能量并以化學(xué)能的形式儲存起來，一旦市電中斷，它把儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能向逆變器供電，維持負載供電的連續(xù)性。在中小功率的UPS系統(tǒng)中，電池組的電壓通常比較低，因此，通常使用能量能夠雙向流動的充放電電路[4]。大功率系統(tǒng)中為了提高效率，簡化電路通常直接把電池組并接在直流母線上。
1．3 逆變電路
逆變器是UPS的核心，它把直流電能轉(zhuǎn)換成用戶所需的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電能。下面仍以三相逆變器為對象分析近年來逆變器的研究熱點。
1．3．1 三相半橋式逆變電路
在三相逆變電路中以三相半橋橋式電路應(yīng)用最為普遍，這種電路的特點是采用全控型器件組成逆變器，存在著功率密度高，性能好，小型輕量化等優(yōu)點。這種電路便于使用新的控制策略以提高逆變器的質(zhì)量。但是，要實現(xiàn)帶100％的獨立負載是比較困難的。
1．3．2 H橋逆變器
對于超大容量的逆變器，由于功率等級的大幅度提高，對逆變器的結(jié)構(gòu)提出了新的要求，H橋臂逆變器便是選擇之一。這種逆變器輸出變壓器采用多繞組接法，輸出變壓器的原邊采用3個獨立的繞組，逆變器輸出采用3個獨立的H橋。這樣控制方便，但是成本較高。
1．3．3 三相四橋臂變換技術(shù)
由于三相電路中，三橋臂逆變器本身存在著固有的缺陷，人們開始尋求新的電路結(jié)構(gòu)，于是出現(xiàn)了三相四橋臂逆變器，如圖3所示。這種電路結(jié)構(gòu)輸出為三相四線制，三相電壓可以獨立控制，控制方法靈活，但是這種拓撲的算法比較復(fù)雜，PWM矢量在三維空間中旋轉(zhuǎn)，必須采用數(shù)字控制方法才能實現(xiàn)空間PWM波形的生成，這種電路成為了近年來研究的熱點之一。
1.4 三相UPS整機電路
1.4．1 傳統(tǒng)三相UPS電路結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的三相UPS結(jié)構(gòu)，輸入采用晶閘管整流，輸出采用逆變器，電池直接掛接于直流母線，整流器同時作為充電器。輸出采用變壓器隔離，可以實現(xiàn)輸入輸出完全隔離，確保電網(wǎng)的擾動不會對負載造成干擾。市電斷電時，電池通過逆變器輸出穩(wěn)定的交流電；在逆變器出現(xiàn)故障時，通過旁路輸出電壓，保證了供電的可靠性。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點是體積和重量都比較大。
1．4．2高頻鏈式三相UPS
為了降低成本，減小UPS的體積和重量，出現(xiàn)了高頻鏈式三相UPS，如圖4所示。這種電路省去了龐大的工頻變壓器，輸入采用高頻整流，可以獲得較高的輸入功率因數(shù)和較低的輸入諧波電流。其缺點是輸入輸出沒有變壓器隔離，電網(wǎng)的擾動可能會給UPS的輸出造成擾動；輸出三相電壓靠電池和電容中點形成中線，所以在控制中必須保持正負直流電壓幅值的相等，否則輸出中線會有較大的直流成分，對負載和負載中的變壓器不利；輸入采用三相四線制，中線有電流流過，可能會造成中線電位偏移，對負載造成干擾；輸入輸出不隔離，并聯(lián)時的環(huán)流問題較難解決。
1．4．3 新的在線互動式UPS
由于以上兩種UPS都要經(jīng)過兩次滿功率變換，因此系統(tǒng)的效率較低，從提高系統(tǒng)效率的角度出發(fā)，出現(xiàn)了一種串并聯(lián)補償式的大容量結(jié)構(gòu)，是一種新的在線互動式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。這種拓撲輸入輸出同樣沒有變壓器隔離，所以會有高頻鏈式UPS的缺點。這種UPS的輸出頻率必須保持與電網(wǎng)一致，而且對電網(wǎng)的擾動的抑制能力不強，因而供電質(zhì)量比傳統(tǒng)的三相UPS差。它的特點是從輸入到輸出間的能量不是經(jīng)過滿功率的變換，同樣是由兩個高頻變換器組成，但是變換器1最大只承受20％的功率，從成本上講，這種結(jié)構(gòu)的成本更低。在控制方法上，變換器1是一個電壓補償器，用于補償電網(wǎng)電壓的畸變；變換器2是一個電流補償器，用于補償負載的諧波電流，并且在市電斷電時作為滿功率電壓型逆變器向負載供電。
1．4.4 輸入輸出隔離的高頻鏈UPS
由于傳統(tǒng)工頻UPS的輸入輸出帶有隔離變壓器，輸出有很好的隔離特性，高頻鏈式的UPS有很好的輸入特性，因此，出現(xiàn)了這種帶有輸入輸出隔離的高頻鏈式的UPS如圖6所示。由于高頻整流的缺點，在輸入側(cè)必須接一個自耦變壓器降壓，增加了整機的重量和成本；另外，由于輸入采用了高頻變換器，整機的效率比高頻鏈式和傳統(tǒng)式UPS的效率都低。但是，由于輸入功率因數(shù)是1，沒有諧波電流，所以所消耗的總電能低于傳統(tǒng)三相UPS。
1．4．5輸入輸出并聯(lián)的UPS
這種電路中，輸入端由多個整流器并聯(lián)而成，給直流母線供電，同時直流母線給多個逆變器提供直流電壓，多個逆變器的輸出端直接連接同時給負載供電。這種方式可以增強UPS的容量，增加系統(tǒng)的可靠性，成本下降，可維護性增強，但是，并聯(lián)模塊越多，各模塊間的均流問題越難解決。
2 不間斷電源的控制技術(shù)
隨著控制理論和功能豐富，性能優(yōu)良的各種微控制器的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了多種離散化控制方法。從控制反饋回路的數(shù)目可分為單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán)控制。在硬件允許的條件下盡可能地提高反饋回路數(shù)目，可以提高控制效果。從控制原理上看包括數(shù)字PID控制、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)路控制、空間矢量控制等方法。
數(shù)字PID控制控制的適應(yīng)性好，具有較強的魯棒性；算法簡單明了，便于用單片機或DSP實現(xiàn)。但是存在兩方面的局限性：一方面是系統(tǒng)的采樣量化誤差降低了算法的控制精度；另一方面，采樣和計算延時使得被控系統(tǒng)成為一個具有純時間滯后的系統(tǒng)，造成PID控制器穩(wěn)定域減少，增加了設(shè)計難度。
預(yù)測控制可以實現(xiàn)很小的輸出電流畸變，抗噪音能力強，但是，這種算法要求知道精確的負載模型和電路參數(shù)，因此魯棒性差，而且由于數(shù)值計算造成的延時在實際應(yīng)用中也是一個問題。滯環(huán)控制具有快速的響應(yīng)速度，較高的穩(wěn)定性，但是滯環(huán)控制的開關(guān)頻率不固定，使電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜變差，對系統(tǒng)性能不利。
無差拍控制的基本思想是根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號推算出下一個開關(guān)周期的PWM脈沖寬度，因此，從理論上可以使輸出電壓在相位和幅值上都非常接近參考電壓，由負載變化或非線性負載引起的輸出電壓誤差可在一個開關(guān)周期內(nèi)得到校正。但是，無差拍控制是一種基于被控制對象精確數(shù)學(xué)模型的控制方法，魯棒性很差。
滑摸控制是一種非線性控制，這種控制的特點是控制的非連續(xù)性。這種控制既可以用于線性系統(tǒng)也可用于非線性系統(tǒng)。這種控制方法具有很強的魯棒性。缺點是要得到一個令人滿意的滑模面是很困難的。
重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法。逆變器采用重復(fù)控制的目的是為了消除因整流橋負載引起的輸出電壓波形周期性的畸變。重復(fù)控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，但是，由于重復(fù)控制延時一個工頻周期的控制特點，使得單獨使用重復(fù)控制的UPS逆變器動態(tài)特性極差。
模糊控制屬于智能控制的范疇。模糊控制器的設(shè)計不需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因此具有很強的魯棒性和自適應(yīng)性。模糊控制類似于傳統(tǒng)的PD控制，因而這種控制有很快的響應(yīng)速度，但是其靜態(tài)特性不令人滿意。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制是模擬人腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力、并行計算能力和較強的魯棒性等優(yōu)點，已廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域，尤其是非線性系統(tǒng)領(lǐng)域。目前在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、學(xué)習(xí)算法等方面已取得了一定成果。但是，由于硬件系統(tǒng)的限制，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還無法實現(xiàn)對逆變器輸出電壓波形進行在線控制，多數(shù)應(yīng)用都是采用離線學(xué)習(xí)獲得優(yōu)化的控制規(guī)律，然后利用得到的規(guī)律實現(xiàn)在線控制。
諧波注入式PWM技術(shù)，直流母線電壓的利用率基本上可以達到loo％。這種方法對于電壓開環(huán)的控制系統(tǒng)非常有效，但在閉環(huán)控制系統(tǒng)中由于諧波注入的初始相位必須與基波保持一致，在電壓瞬時值控制中電壓基波的初始相位無法精確定位而難以應(yīng)用。
空間矢量PWM具有電流畸變小、直流母線電壓利用率高以及易于數(shù)字化實現(xiàn)等優(yōu)點，因此近年來得到了較多的應(yīng)用。這種控制方式也需要電路的精確模型。
上述各種控制方案都有其優(yōu)勢，但是也有其不足。同時采用不同的控制方法形成復(fù)合控制的控制方案在實踐中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了較好的效果。
3 不間斷電源設(shè)計和應(yīng)用中存在的問題
美國UPS廠商APC．公司，總結(jié)并歸納了UPS供電系統(tǒng)當前面臨的、也是今后必須解決的5個方面的問題:
1)生命成本周期問題；
2)不間斷電源系統(tǒng)的可適應(yīng)性及可擴展性問題；
3)提高不間斷電源的可用性問題；
4)不間斷電源對供電系統(tǒng)的可管理性問題；
5)可服務(wù)性問題。
4 不間斷電源的最新發(fā)展動向
不間斷電源的發(fā)展動向是UPS的多機并聯(lián)冗余化，采用冗余并機技術(shù)提高UPS的容量和可靠性；采用功能更豐富的硬件設(shè)備實現(xiàn)全數(shù)字控制，使各種先進的復(fù)雜控制算法得以運用而不斷提高UPS的性能，即向數(shù)字化和高頻化發(fā)展；UPS的進一步智能化和網(wǎng)絡(luò)化，使計算機網(wǎng)絡(luò)成為不間斷網(wǎng)絡(luò)。
4．1 UPS的多機并聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)冗余化
UPS的并聯(lián)技術(shù)可以帶來以下幾個方面的好處：
1)可以靈活地擴大電源系統(tǒng)的容量；
2)可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運行的可靠性：
3)極高的系統(tǒng)可維修性，當單臺電源出現(xiàn)故障時，可以很方便地通過熱插拔的方式進行更換和維修。
采用并聯(lián)技術(shù)可以形成具有容錯功能的冗余式供電系統(tǒng)，從目前掌握的資料來看，主要有以下幾種冗余配置方案：
1)集中式并聯(lián)控制；
2)主從式并聯(lián)控制；
3)分散式并聯(lián)控制；
4)環(huán)鏈式并聯(lián)控制；
5)無線式并聯(lián)控制。
這幾種并聯(lián)方式，從可靠性的角度看，集中式最差，無線式控制最好，也成為近年來的研究熱點。
4．2 UPS的數(shù)字化、高頻化
最初的UPS采用模擬控制方法有很多局限性。隨著數(shù)字處理器計算速度的不斷提高，使得各種先進的數(shù)字控制方法得以實現(xiàn)，使UPS的設(shè)計具有很大的靈活性，設(shè)計周期縮短，性能大為提高。UPS高頻化，有效地減小了裝置的體積和重量，并可消除變壓器和電感的音頻噪音，同時改善了輸出電壓的動態(tài)響應(yīng)能力。數(shù)字化控制方法成了當今交流電源領(lǐng)域的一個研究熱點，一種必然的發(fā)展趨勢是各種方法相互滲透，互相結(jié)合形成復(fù)合控制方案。數(shù)字化復(fù)合控制是UPS控制的一個發(fā)展方向。
4．3 UPS的智能化、網(wǎng)絡(luò)化
為了適應(yīng)計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，UPS中已經(jīng)開始配置RS232接口、RS485接口、USB接口、SNMP卡和MODEM結(jié)合，成為計算機網(wǎng)絡(luò)的一部分，具有以下優(yōu)異的智能化、網(wǎng)絡(luò)化特性。
1)實時監(jiān)控功能它對UPS各模擬參量和表示工作狀態(tài)的開關(guān)量進行實時高速采樣，實現(xiàn)數(shù)字式監(jiān)控。
2)自診斷、自保護功能 UPS將實時采集來的各項模擬參量和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)中的關(guān)鍵硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)與正常值進行分析比較，以判斷UPS是否有故障隱患存在。如果有故障，根據(jù)相應(yīng)的故障信息級別在控制面板的顯示屏上以友好的圖形界面、文字提示方式報警，或者在現(xiàn)場和控制室以指示燈燈光、報警器嗚叫方式報警、也可以用自動撥通電話等方式報警，并做出相應(yīng)的保護動作。
3)人機對話的控制方式 大型UPS可向用戶提供監(jiān)控器液晶顯示屏，以圖形和文字方式顯示工作流程和參數(shù)信息。可以提供讓用戶操作的可視化菜單。并以幫助和不斷提示的方式引導(dǎo)用戶按照既定方式處理故障，有效防止誤操作。
4)遠程控制功能在網(wǎng)絡(luò)化時代，UPS不僅應(yīng)能向由它直接供電的硬件設(shè)備提供保護，還應(yīng)該對整個網(wǎng)絡(luò)中的運行程序和數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸途徑進行全面地保護，使之成為不間斷網(wǎng)絡(luò)。這就意味著UPS應(yīng)配置相應(yīng)的電源監(jiān)控軟件、SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)管理器，使其具有遠程管理能力，用戶可執(zhí)行UPS與網(wǎng)絡(luò)平臺之間的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信操作，使UPS成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要組成部分。這樣，由網(wǎng)管員通過網(wǎng)管軟件監(jiān)控多臺UPS，而且被管理的UPS可以在同一個LAN也可以在不同的LAN，甚至可以通過互聯(lián)網(wǎng)，納入網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)來管理UPS。
由于未來網(wǎng)絡(luò)的廣泛化和全球化，必然帶來網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化，多種形式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接在一起。作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分，要求UPS能夠?qū)崿F(xiàn)在各種網(wǎng)絡(luò)平臺上的監(jiān)控，而且隨著Internet、Intranet和電子商務(wù)的超高速發(fā)展，用戶對網(wǎng)絡(luò)的可用性要求會越來越高，使UPS從對網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備的保護延伸至對整個網(wǎng)絡(luò)路徑的保護。
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