UPS控制方式及其研究動態(tài)

1、ups控制方式及其研究動態(tài)摘耍不間斷電源u ps (uninterruptible power supply)是一種含有儲能裝置,以整流 器、逆變器為主要組成部分的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電源。主要利用電池等儲能裝置在停電 時給計算機(jī)/服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等計算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或工業(yè)控制系統(tǒng)、 需要持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工業(yè)設(shè)備等提供不間斷的電力供應(yīng)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和川電設(shè)備的 不斷增加，各行業(yè)對ups容量的要求越來越大。ups具有以卜兒項基本功能：1)電網(wǎng)電 壓正常時，市電電壓通過ups穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，性能好的ups本身就是良好的 交流穩(wěn)壓器，同時改善電源質(zhì)量；同時它還對機(jī)內(nèi)的電池進(jìn)行充電，儲存后

2、備能量。 2)電網(wǎng)電壓異常吋(欠壓、過壓、掉電、干擾等)ups的逆變器將電池的直流電能轉(zhuǎn) 換為交流電能維持対負(fù)載的供電。3) ups在電網(wǎng)供電和電池供電之間自行切換，確保 對負(fù)載的不間斷供電。而且可以根據(jù)設(shè)備的精密程度來選擇町承受的切換時間。ups 供電系統(tǒng)從產(chǎn)生至今已有40余年，40年的歷程，ups發(fā)展到今天已經(jīng)不再是孤立的電源技 術(shù)的發(fā)展，ups木身不再是單獨的電源系統(tǒng)，冃前所說的供電機(jī)房，已成為一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 集不間斷電源、機(jī)柜、電源管理、散熱、電力電纜和數(shù)據(jù)布線為一體的全套電源供應(yīng)與管理 整體方案。這就大大便利于用八的選購、安裝、維護(hù)和擴(kuò)容，降低日常管理和維護(hù)的成本, 并能對整個網(wǎng)絡(luò)

3、中的碩件設(shè)備、運(yùn)行程序利數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸途徑進(jìn)行全而保護(hù)，使z成 為不間斷供電網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)還具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，過載力能強(qiáng)，智能化監(jiān)控及防 雷擊、防浪涌等功能。未來的發(fā)展還會采用先進(jìn)的功率因素校正技術(shù)、高頻脈寬調(diào)制技術(shù)、 多脈沖整流技術(shù)、電磁屛蔽和濾波技術(shù)、廣義的軟開關(guān)技術(shù)、串并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)等來盡快盡好 的實現(xiàn)ups綠色化°引言隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用電設(shè)備的不斷增加，各行業(yè)對ups容量的耍求越來越大。大容 量的ups供電系統(tǒng)有兩種構(gòu)成方式:一種是采用單臺大容量ups,另一種是ups的逆變器采 用n+nt冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)。前者的缺點是成本高、體積重量大、運(yùn)輸安裝困難、町靠性差，一

4、旦出現(xiàn)故障將會引起供電癱瘓。后者的好處是提高了供電的靈活性，可以將小功率ups逆變 模塊的開關(guān)頻率提高到mhz級，從而提高了單機(jī)(或逆變模塊)的功率密度，使ups的逆變模 塊休積重量減小，并且減小了各ups逆變模塊的功率開關(guān)器件的電流應(yīng)力，提高了 ups的町 靠性，同時動態(tài)響應(yīng)快、便于維修等。正文a： ups不間斷電源連接控制方式"n+nt兀余并聯(lián)技術(shù)是專門為了提高ups的可靠性和熱維修(也稱作熱插拔和熱更換)而 采用的一種新技術(shù)。在正常運(yùn)行時ups由n+nt個逆變模塊并聯(lián)向負(fù)載供電，每個逆變模塊 平均負(fù)擔(dān)1 /(n+m)的負(fù)載電流，當(dāng)其屮某一個或k個(kwm)變模塊出現(xiàn)故障時，就自

5、行退出 供電，而市剩下的n+(m-k)個逆變模塊繼續(xù)向負(fù)載捉供100%的電流，從而保證了 ups系統(tǒng)的 不間斷供電。常見的ups冗余采用“n+1”（呼1）的并聯(lián)方式，或是ups的逆變模塊經(jīng)系統(tǒng)控制柜并聯(lián) 后再向外供電的主從供電體系，以及將并機(jī)功能直接設(shè)計在各個ups的逆變模塊單元中的分 散邏輯供電方案。不管采用那種方式，在正常工作吋每個ups的逆變模塊都要平均分配負(fù)載 電流。在運(yùn)行中，如果遇到其中一臺ups的逆變模塊出故障吋，并聯(lián)系統(tǒng)自動把故障的逆變 模塊脫機(jī)。此時，全部負(fù)載山剩下的逆變模塊按照比例平均分擔(dān)。顯然，采用這樣的供電系 統(tǒng)，大大增強(qiáng)了 ups供電系統(tǒng)的可靠性。ups的n+1&quo

6、t;冗余并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)，是提高ups可靠 性和可用性的關(guān)鍵技術(shù)。ups的并聯(lián)按照其連接方式一般分為集中控制、主從控制、分散邏輯控制、3c連接控制 和無互連線控制方式。（1）集中控制集中控制又可以分為直接集中控制和間接集中控制。直接集中控制方式中并聯(lián)單元檢測 市電的頻率和相位，向每個ups逆變器發(fā)出同步脈沖，無市電吋可由晶振產(chǎn)生同步脈沖通過 各個逆變器單元的鎖相環(huán)控制，來保證各單元輸出電壓同步。并聯(lián)單元還要檢測負(fù)載的總電 流，然后除以并聯(lián)單元數(shù)作為各個單元的電流參考，并與木單元電流比較求出偏差并控制使 其最小。不過山于存在檢測誤差，所以實際輸岀電壓相位仍然可能存在誤差。為了消除這一 缺陷，可以采用

7、間接集屮控制方式，這利方式是用電流誤差和輸出電壓u計算出和 q,其中作為相位補(bǔ)償雖，zxq作為電壓幅值補(bǔ)償量，可進(jìn)一步提高并聯(lián)運(yùn)行時均流的 精度。但是由于系統(tǒng)仍采用一個集中的控制單元，如果該控制單元出現(xiàn)故障時整個ups并聯(lián)系 統(tǒng)就會癱瘓，存在單點故障，不能真正達(dá)到高可靠性和真正冗余的目的，所以目前的并聯(lián)系 統(tǒng)較少采用這種方式。（2）主從控制主從控制方式是將并聯(lián)控制單元做到每個模塊上，通過工作方式選擇開關(guān)來選擇一臺 ups模塊做主機(jī)，其它單元做從機(jī)。各個ups模塊單元檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號線，并由其內(nèi)部主 從標(biāo)志來控制開關(guān)的閉合與否。當(dāng)系統(tǒng)中的一臺出現(xiàn)故障對其余單元仍可以工作，當(dāng)主機(jī)岀 現(xiàn)問題吋可以通

8、過切換，使得另外一臺ups模塊作為主機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。通常做主機(jī)的 一臺ups模塊處于電壓控制模式，而其它的ups處于電流控制模式。這種方式雖然可靠性冇所增加，但其同步信號仍為公共集中同步信號，切換過程中失去 同步信號可能使模塊火效，并r切換控制電路的復(fù)雜性也可能影響系統(tǒng)的正常工作，從而影 響整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)，所以主從式并聯(lián)控制系統(tǒng)并不是較理想的并聯(lián)兀余系統(tǒng)。3）分散邏輯控制分散邏輯控制是將控制權(quán)分散。在逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時，各個電源模塊檢測出自身的冇 功和無功功率大小，通過均流母線傳送到其它并聯(lián)模塊中，與此同時電源模塊木身也接收來 口其它模塊的有功和無功信號進(jìn)行綜合判斷，確定本模塊的有功無

9、功基準(zhǔn)，從陽確定各個模 塊的電壓和同步信號（頻率和相位）的參考值。分散邏輯控制技術(shù)，即為一種獨立并聯(lián)控制方式，它采用了在各逆變電源中把每個電源 模塊的電流及頻率信號進(jìn)行綜合，得出各口頻率及電壓的補(bǔ)償信號控制策略。這種方式可實 現(xiàn)真正的冗余并聯(lián)，有一個模塊故障退出時，并不影響其它模塊的并聯(lián)運(yùn)行。它以可靠性高、 危害性分散、功能擴(kuò)展容易等良好的特性，在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，并且成為計算 機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一，是一種比較完善的分布式智能控制技術(shù)。但當(dāng)多個模塊并 聯(lián)吋互連線數(shù)目較多，信息量大，實現(xiàn)較復(fù)雜。(4) 3c (circularchaincontrol)連接3c型并聯(lián)的思想是減少

10、互連線的數(shù)目和信號的傳遞，以減少對其它模塊的依賴程度。 它是將第一臺逆變器的輸出電流反饋信號加到第二臺逆變器的控制回路中，第二臺的輸出電 流反饋信號加到第三臺，依次連接。最后一臺的輸出電流反饋信號返回到第一臺逆變器的控 制回路，使并聯(lián)系統(tǒng)在信號上形成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，在功率輸出方面形成并聯(lián)關(guān)系。3c型方案在控制回路中引人共它模塊信號，加強(qiáng)了模塊z間的影響，使得常規(guī)方案難 以控制，因此一般采用hs理論設(shè)計控制器以解決穩(wěn)定性問題。每個逆變器部由pi控制器 來得到快速動態(tài)響應(yīng)，用魯棒控制來得到多個模塊逆變器的魯棒性，以減少逆變器間的相互 影響。與詢而的方案相比，3c型并聯(lián)方案僅引人一個模塊的電流信號，無

11、需模擬信號平均 電路，也無需知道并聯(lián)模塊數(shù)。但是控制器復(fù)雜，多采用數(shù)字控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，成本高，而 且采用h8方法設(shè)計控制器，控制器階數(shù)過高，技術(shù)難度大。b： ups不間斷電源的發(fā)展ups供電系統(tǒng)從產(chǎn)生至今已有40余年，40年的歷程，ups發(fā)展到今天已經(jīng)不再是孤立 的電源技術(shù)的發(fā)展，ups本身不再是單獨的電源系統(tǒng)，目前所說的供電機(jī)房，已成為一體化 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，集不間斷電源、機(jī)栢、電源管理、散熱、電力電纜和數(shù)據(jù)布線為一體的全套電源 供應(yīng)與管理整體方案。這就大大便利于用戶的選購、安裝、維護(hù)和擴(kuò)容，降低日常管理和維 護(hù)的成木，并能對整個網(wǎng)絡(luò)中的便件設(shè)備、運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸途徑進(jìn)行全面保 護(hù)，使

12、之成為不間斷供電網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)還具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，過載能力強(qiáng)，智能 化監(jiān)控及防雷擊、防浪涌等功能。新型ups中的逆變器大多采用了 pwm技術(shù)，同時采用了石 英晶體振蕩控制逆變器的頻率，通過電壓負(fù)反饋電路確保輸出電壓的穩(wěn)定。它具開關(guān)電源的 一系列特定點，通過精確調(diào)整脈沖寬度，保證功率穩(wěn)定輸出，同時，開關(guān)管在截止期間沒有 電流流過，故b身損耗很小。由于微處理器監(jiān)控技術(shù)和先進(jìn)的1gbt驅(qū)動型spwm等高技術(shù)的 采用，目前的ups已達(dá)到了極高的可靠性水平，對于大型ups電源來講，其單機(jī)的年均無故 障工作時間(mtbf)超過20萬小時已不成問題。如果采用雙總線輸出的多機(jī)“冗余”型ups 供電系統(tǒng)

13、，其mtbe #至可達(dá)100萬小時數(shù)量級。目前ups可以分為離線式、在線式、在線 互動式三種ups。離線式ups,也稱為示備式ups,以小功率(5kva)為主，主要特點是轉(zhuǎn) 換效率高，易于維護(hù)，且價格低廉，轉(zhuǎn)換時間為兒ms,為絕大多數(shù)屮小功率用戶首選。在 線式ups以大中(5kva以上)功率為主，供電轉(zhuǎn)換吋間為零，供電質(zhì)量高，町以向用戶的 負(fù)載提供純凈、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抗干擾和波形失真極小的e弦波，但價格昂貴。在線互動式 ups以網(wǎng)絡(luò)使川為主，它結(jié)合了離線式轉(zhuǎn)換效率高和在線式供電質(zhì)量高的特點，與離線式相 比，切換吋間短。ups除了穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、不間斷供電基本功能外，逐步增加了自我控制功能、 對外告警

14、功能、集中監(jiān)控功能、環(huán)境檢測功能、自動開關(guān)機(jī)功能、聯(lián)網(wǎng)功能、電池自動補(bǔ)償 和檢測功能、低功率損耗功能、直接并機(jī)功能、對線性負(fù)載和非線性負(fù)載具有同等輸出的功 能，及并機(jī)吋功用電池或分用電池的功能等。在原有的商用ups、變頻ups、工業(yè)用ups的 棊礎(chǔ)上，為適應(yīng)市場的需要又增加了小靈通ups、有線電視用ups。所以ups冃前已廣泛應(yīng) 用于金觸、電信、政府、制造行業(yè)、教育和醫(yī)療等方面。總結(jié)ups不間斷電源現(xiàn)已廣泛采用少傳統(tǒng)諧振式zus、zcs軟開關(guān)不同的廣義軟開關(guān)技術(shù)， 來減小開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率。這種軟開關(guān)就是一種無損緩沖電路，它不但能使開關(guān)過程 軟化，而且還具有電路簡單，不需要附加諧振網(wǎng)絡(luò)，成

15、本低廉的特點。ups的輸入端加裝高 效輸入濾波器和有源功率因素校止器，并采用串并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)，來降低輸入電流失真度，減 小ups電源對市電電源的污染，使其向綠色電能變換型發(fā)展。為實現(xiàn)ups電源小型化，減小 輸出變壓器即輸出濾波器的尺寸，減小電磁干擾，防上高頻變壓器的飽和，目前在韓國采用 的是串聯(lián)諧振逆變器，再經(jīng)過隔離變壓器和變頻器組成高頻連接的ups。數(shù)字控制已成為新 型ups控制技術(shù)發(fā)展的主流，即廣泛應(yīng)川數(shù)字處理器dsp,盡町能使控制電路全微處理器化。 因為數(shù)字控制器具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)，易于實現(xiàn)對ups的檢測，故障診斷和隔離，易 于實現(xiàn)遙控遙測，易于實現(xiàn)多臺ups的并聯(lián)和熱插撥，易于實現(xiàn)

16、對蓄電池的監(jiān)控和管理，也 就是說，計算機(jī)的介入可以使ups實現(xiàn)智能化管理，可以使電源運(yùn)行在最優(yōu)化狀態(tài)。蓄電池 是ups的心臟，目前ups-般都使用免維護(hù)密封鉛酸蓄電池，美國還運(yùn)用了高功率鉛一空氣 備川電源裝置(rpu)取代蓄電池。為增大電池的使用壽命，冃前使川一種三階段電池管理 方案，即恒流均衡充電，浮充充電和自然放電三人階段，以防過充、過放?，F(xiàn)己引入以微處 理器監(jiān)控技術(shù)為主的電池管理體系，隨時觀察電池的充、放電狀態(tài)，對電池充、放電進(jìn)行雙 重保護(hù)。采用兀余技術(shù)和熱插撥技術(shù)。采用智能化ups的管理系統(tǒng)。所謂智能化ups,是指 將傳統(tǒng)的ups與計算機(jī)相連的硬件接i，結(jié)合特殊設(shè)計的軟件，以提供計算機(jī)

17、及數(shù)據(jù)資料的 雙重保護(hù)，保證ups在完成基本功能外，還能対一切故障進(jìn)行檢測，顯示和處理等，完全實 現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理。在將來的幾年里，大容量級別的ups將達(dá)到9000臺/每年的需要，并以 10%以上速度不斷增長。小機(jī)市場“火爆”，市場潛力巨人。據(jù)有關(guān)人十估計，ups電源需 求量為：93.8萬臺/05年，102.5萬臺/06年，133. 4萬臺/07年，122.3萬臺/08年。產(chǎn)品 性能/價格比是贏得市場占有率的永恒主題。企業(yè)耍走出跨國經(jīng)營，不僅要創(chuàng)出國際品牌， 還要使品牌在跨國經(jīng)營中“本土化”。要想在市場上長久發(fā)展，除提高性價比外，還要提高 服務(wù)質(zhì)量，以適應(yīng)市場產(chǎn)品深層次競爭的兼并整合狀態(tài)。應(yīng)用新工藝器件，并采用柔性切換 技術(shù)，來解決由于切換損耗導(dǎo)致的高頻限制，不斷實現(xiàn)ups電源高頻化。采用數(shù)字控制技術(shù)、 數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號處理技術(shù)、電源管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，計算機(jī)碩件及軟件技術(shù)來完 整實現(xiàn)ups電源網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化。釆用數(shù)字信號處理器dsp技術(shù)、并聯(lián)冗余技術(shù)、 熱插撥技術(shù)。采丿ij先進(jìn)的工藝封裝技術(shù)、高度的集成化技術(shù)、運(yùn)川高品質(zhì)的元器件和原材料, 不斷提高ups電源的可靠性和可用性，力爭可用性八為0. 9999999,也就是說，一年之屮允 許停機(jī)吋間w3s。這些數(shù)據(jù)才是用八真正需要的結(jié)果。采用先進(jìn)的功率因素校正技術(shù)、高頻