全数字控制、模块化的UPS设计方案.pdf

近几年来，模块化可并联 UPS 电源系统在各电力行业、通信运行企业中得到了较为广泛的应用，它具有高可靠性、易拓展性、便于维护性和供电灵活等优点。   本文分析研究了在线式 UPS 系统中的 TL-HB PWM 整流器模块和三电平半桥逆变器模块。对于 TL-HB PWM 整流器，首先分析研究了整流器的 SPWM 调制策略，然后分析了整流器的双闭环控制；通过对数字控制整流器中调制波与输出电压关系的分析，研究了中点电位平衡控制策略；最后研究了整流器的并联控制策略。对于 TL-HB 逆变器，首先简单分析了双闭环控制加重复控制的复合控制方法；然后研究了逆变器的同步控制策略，提高了同步控制精度；最后研究了逆变器的分布式并联控制策略。设计完成了 1 台基于 DSP 的 1KVA UPS 原理样机，给出了硬件电路和软件程序的设计方法，并以此样机为平台进行了相关实验，实验结果验证了上述分析与研究的正确性和合理性。   计算机和通讯设备等绝大部分是非线性负载，它们在运行过程中将对电网造成谐波污染，使供电质量普遍恶化。因此，随着计算机的普及和信息处理技术的广泛应用，电网污染越来越严重，由于谐波对用电设备和电网本身都会造成危害，许多国家和学术机构都制定颁布了限制谐波的标准和规定，如 IEC-2，IEC-100-3-2 等，对不同等级的用电设备制定了相应的谐波要求标准。   一些重要的用电部门（如银行，医院，机场）和一些重要的用电设备（如计算机，通信设备）对供电质量要求越来越高。UPS 可以向用户提供高质量电源，它的输出电压精度高，工作频率稳定，失真度小，且 UPS 因具备不间断工作的特点，不管市电供电是否正常，它都能为用户提供高质量的交流电源。因而不间断电源（简称 UPS）系统得到越来越广泛的应用。传统的 UPS 控制系统多为模拟控制或模拟与数字相结合，它存在以下缺点：控制电路的元件比较多，体积庞大，结构复杂；灵活性不够，不易更新换代；调试复杂。   为了解决传统 UPS 电源中的诸多问题，人们开始研究全数字控制的 UPS 电源系统，随着高速、廉价的数字信号处理器 DSP 的出现，使得 UPS 电源由模拟控制向数字化控制发展成为了今后发展的趋势。数字控制具有如下优点：可以实现复杂的非线性控制策略；具有很强的抗干扰能力；控制系统具有更好的灵活性，更新换代成本低；易于实现电源模块化、集成化、绿色化。这些优点大大提高了变换器的整体性能。   根据工作方式的不同，UPS 可以分为三类：后备式 UPS、在线式 UPS、线路交互式 UPS。本文研究的 UPS 属于在线式 UPS，其结构图如图 1.1。   在线式 UPS 工作原理如下：当市电正常时，市电经过整流和逆变后给负载供电，同时给蓄电池充电；当市电出现异常或整流器出现故障时，蓄电池向逆变器提供电能，逆变后给负载供电；当逆变器出现故障或 UPS 进行维修、维护时，UPS 工作在旁路状态，此时市电直接给负载供电。在市电旁路时，必须保证逆变器的输出电压与市电保持相同相位。   近几年来，模块化可并联 UPS 电源系统在各电力行业、通信运行企业中得到了较为广泛的应用，它使得系统交流不间断供电的稳定性、可靠性、连续性得到提高。模块化 UPS 电源系统具有以下优点：   1） 采用模块化可并联 UPS 系统可以在电源系统的任何部分出现故障的时候，不会影响其他模块的正常运行，不影响整个电源系统的正常供电； 2） 可以根据用户负载容量来进行灵活配置，可通过标准化模块实现大功率需求； 3） 当系统某模块出现故障时，可以很方便的实现维护； 4） 可通过单相 UPS 系统组成三相 UPS 系统。   在线式 UPS 系统中，可将 UPS 的整流器、逆变器、充电器分别模块化，实现 UPS 系统的模块化，模块化 UPS 能很方便的实现用户的各种不同需求，具有很强的应用性。