三相不間斷電源的新進展
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在今后相當(dāng)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(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?fù)渑c控制策略。
1 UPS的電路拓?fù)?/STRONG>
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?fù)溥M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(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(fù)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?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(fù)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?zhǔn)饺郩PS
為了降低成本，減小UPS的體積和重量，出現(xiàn)了高頻鏈?zhǔn)饺郩PS，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(fù)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(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，可能會造成中線電位偏移，對負(fù)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?fù)漭斎胼敵鐾瑯記]有變壓器隔離，所以會有高頻鏈?zhǔn)経PS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(fù)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(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，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?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(fù)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(fù)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(fù)載變化或非線性負(fù)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(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(dāng)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(dāng)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?zhǔn)讲⒙?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(dāng)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?？梢蕴峁┳層脩舨僮鞯目梢暬藛巍２⒁詭椭筒粩嗵崾镜姆绞揭龑?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(yuǎn)程管理能力，用戶可執(zhí)行UPS與網(wǎng)絡(luò)平臺之間的遠(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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