三相不間斷電源的新進(jìn)展
(浙江大學(xué) 王林兵 何湘寧)


0、引言

　　在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)市電電網(wǎng)供電不足，電壓波動(dòng)大，干擾嚴(yán)重的局面仍將存在。而各行業(yè)、各領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)供電質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求，尤其是實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的重要系統(tǒng)、重要部門和重要的用電設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量的要求和我國(guó)的電網(wǎng)實(shí)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(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了不斷提高UPS的性能，科研人員對(duì)UPS系統(tǒng)做了大量的研究，提出了很多的電路拓?fù)渑c控制策略。

1、UPS的電路拓?fù)?

　　UPS的可靠運(yùn)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?fù)溥M(jìn)行簡(jiǎn)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(yùn)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。傳統(tǒng)單相UPS多采用模擬方法，三相UPS多采用相控式整流電路和電壓型單管整流電路。

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(wú)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(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，對(duì)同一接地點(diǎn)的網(wǎng)間其他設(shè)備帶來(lái)不良影響；
3)相控整流環(huán)節(jié)是一個(gè)時(shí)滯環(huán)節(jié)，無(wú)法實(shí)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(jiǎn)稱，它的缺點(diǎn)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(duì)三相電路會(huì)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(diǎn)是反饋控制簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化；直流側(cè)的電壓較低。缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)移相。這種電路現(xiàn)在開始成為研究的熱點(diǎn)之一。這種電路適用于大功率整流電路且對(duì)功率因數(shù)要求不高的場(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)，正常時(shí)能量從交流側(cè)向直流側(cè)流動(dòng)，直流輸出電壓高于給定值時(shí)，能量從直流側(cè)向交流側(cè)流動(dòng)，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。缺點(diǎn)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(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

1.2 蓄電池組和充放電電路

　　蓄電池組是UPS的儲(chǔ)能單元，市電正常時(shí)它吸收來(lái)自市電的能量并以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，一旦市電中斷，它把儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能向逆變器供電，維持負(fù)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(dòng)的充放電電路[4]。大功率系統(tǒng)中為了提高效率，簡(jiǎn)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(duì)象分析近年來(lái)逆變器的研究熱點(diǎn)。

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(diǎn)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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)帶100％的獨(dú)立負(fù)載是比較困難的。

1.3.2 H橋逆變器

　　對(duì)于超大容量的逆變器，由于功率等級(jí)的大幅度提高，對(duì)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(gè)獨(dú)立的繞組，逆變器輸出采用3個(gè)獨(dú)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(dú)立控制，控制方法靈活，但是這種拓?fù)涞乃惴ū容^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(shí)現(xiàn)空間PWM波形的生成，這種電路成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。

1.4 三相UPS整機(jī)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(shí)作為充電器。輸出采用變壓器隔離，可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出完全隔離，確保電網(wǎng)的擾動(dòng)不會(huì)對(duì)負(fù)載造成干擾。市電斷電時(shí)，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(shí)，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(diǎn)是體積和重量都比較大。

1.4.2 高頻鏈?zhǔn)饺�相UPS

　　為了降低成本，減小UPS的體積和重量，出現(xiàn)了高頻鏈?zhǔn)饺�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(diǎn)是輸入輸出沒有變壓器隔離，電網(wǎng)的擾動(dòng)可能會(huì)給UPS的輸出造成擾動(dòng)；輸出三相電壓靠電池和電容中點(diǎn)形成中線，所以在控制中必須保持正負(fù)直流電壓幅值的相等，否則輸出中線會(huì)有較大的直流成分，對(duì)負(fù)載和負(fù)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(huì)造成中線電位偏移，對(duì)負(fù)載造成干擾；輸入輸出不隔離，并聯(lián)時(shí)的環(huán)流問題較難解決。

1.4.3 新的在線互動(dòng)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(bǔ)償式的大容量結(jié)構(gòu)，是一種新的在線互動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。這種拓?fù)漭斎胼敵鐾瑯記]有變壓器隔離，所以會(huì)有高頻鏈?zhǔn)経PS的缺點(diǎn)。這種UPS的輸出頻率必須保持與電網(wǎng)一致，而且對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)的抑制能力不強(qiáng)，因而供電質(zhì)量比傳統(tǒng)的三相UPS差。它的特點(diǎn)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(gè)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(gè)電壓補(bǔ)償器，用于補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的畸變；變換器2是一個(gè)電流補(bǔ)償器，用于補(bǔ)償負(fù)載的諧波電流，并且在市電斷電時(shí)作為滿功率電壓型逆變器向負(fù)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?zhǔn)降腢PS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?zhǔn)降腢PS如圖6所示。由于高頻整流的缺點(diǎn)，在輸入側(cè)必須接一個(gè)自耦變壓器降壓，增加了整機(jī)的重量和成本；另外，由于輸入采用了高頻變換器，整機(jī)的效率比高頻鏈?zhǔn)胶蛡鹘y(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(gè)整流器并聯(lián)而成，給直流母線供電，同時(shí)直流母線給多個(gè)逆變器提供直流電壓，多個(gè)逆變器的輸出端直接連接同時(shí)給負(fù)載供電。這種方式可以增強(qiáng)UPS的容量，增加系統(tǒng)的可靠性，成本下降，可維護(hù)性增強(qiáng)，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(wú)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(qiáng)的魯棒性；算法簡(jiǎn)單明了，便于用單片機(jī)或DSP實(shí)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(jì)算延時(shí)使得被控系統(tǒng)成為一個(gè)具有純時(shí)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(jì)難度。

　　預(yù)測(cè)控制可以實(shí)現(xiàn)很小的輸出電流畸變，抗噪音能力強(qiáng)，但是，這種算法要求知道精確的負(fù)載模型和電路參數(shù)，因此魯棒性差，而且由于數(shù)值計(jì)算造成的延時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中也是一個(gè)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(duì)系統(tǒng)性能不利。

　　無(wú)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(hào)推算出下一個(gè)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(fù)載變化或非線性負(fù)載引起的輸出電壓誤差可在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)得到校正。但是，無(wú)差拍控制是一種基于被控制對(duì)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(diǎn)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(qiáng)的魯棒性。缺點(diǎn)是要得到一個(gè)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(fù)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(shí)一個(gè)工頻周期的控制特點(diǎn)，使得單獨(dú)使用重復(fù)控制的UPS逆變器動(dòng)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(jì)不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因此具有很強(qiáng)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(dòng)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(jì)算能力和較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)、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(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓波形進(jìn)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(shí)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(dá)到loo％。這種方法對(duì)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(shí)值控制中電壓基波的初始相位無(wú)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(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)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(shì)，但是也有其不足。同時(shí)采用不同的控制方法形成復(fù)合控制的控制方案在實(shí)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(jì)和應(yīng)用中存在的問題

　　美國(guó)UPS廠商APC．公司，總結(jié)并歸納了UPS供電系統(tǒng)當(dāng)前面臨的、也是今后必須解決的5個(gè)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(kuò)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(duì)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(dòng)向

　　不間斷電源的發(fā)展動(dòng)向是UPS的多機(jī)并聯(lián)冗余化，采用冗余并機(jī)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(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制，使各種先進(jìn)的復(fù)雜控制算法得以運(yùn)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(jìn)一步智能化和網(wǎng)絡(luò)化，使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成為不間斷網(wǎng)絡(luò)。

4.1 UPS的多機(jī)并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)冗余化

UPS的并聯(lián)技術(shù)可以帶來(lái)以下幾個(gè)方面的好處：

1)可以靈活地?cái)U(kuò)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(yùn)行的可靠性：
3)極高的系統(tǒng)可維修性，當(dāng)單臺(tái)電源出現(xiàn)故障時(shí)，可以很方便地通過熱插拔的方式進(jìn)行更換和維修。

　　采用并聯(lián)技術(shù)可以形成具有容錯(cuò)功能的冗余式供電系統(tǒng)，從目前掌握的資料來(lái)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?zhǔn)讲⒙?lián)控制；
5)無(wú)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(wú)線式控制最好，也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

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(jì)算速度的不斷提高，使得各種先進(jìn)的數(shù)字控制方法得以實(shí)現(xiàn)，使UPS的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性，設(shè)計(jì)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(shí)改善了輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。數(shù)字化控制方法成了當(dāng)今交流電源領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，一種必然的發(fā)展趨勢(shì)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(gè)發(fā)展方向。

4.3 UPS的智能化、網(wǎng)絡(luò)化

　　為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)控功能它對(duì)UPS各模擬參量和表示工作狀態(tài)的開關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)高速采樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式監(jiān)控。

2)自診斷、自保護(hù)功能 UPS將實(shí)時(shí)采集來(lái)的各項(xiàng)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(jìn)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(jí)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(bào)警，或者在現(xiàn)場(chǎng)和控制室以指示燈燈光、報(bào)警器嗚叫方式報(bào)警、也可以用自動(dòng)撥通電話等方式報(bào)警，并做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

3)人機(jī)對(duì)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�？梢蕴峁┳層脩舨僮鞯目梢暬�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(yuǎn)程控制功能在網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，UPS不僅應(yīng)能向由它直接供電的硬件設(shè)備提供保護(hù)，還應(yīng)該對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸途徑進(jìn)行全面地保護(hù)，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(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)管理器，使其具有遠(yuǎn)程管理能力，用戶可執(zhí)行UPS與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的遠(yuǎn)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(tái)UPS，而且被管理的UPS可以在同一個(gè)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(lái)管理UPS。

　　由于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的廣泛化和全球化，必然帶來(lái)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(tái)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(duì)網(wǎng)絡(luò)的可用性要求會(huì)越來(lái)越高，使UPS從對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備的保護(hù)延伸至對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路徑的保護(hù)。

來(lái)源：電源技術(shù)應(yīng)用

2006-11-16