三進三出不間斷電源的并聯(lián)技術

1.前 言

不間斷電源(UPS)并機系統(tǒng)以其擴容方便、節(jié)約投資、可靠性高而逐漸被廣泛采用，并深受用戶歡迎。所謂UPS并機系統(tǒng)是指需并聯(lián)的多臺UPS的輸出直接并聯(lián)短接在一起，同時分擔負載電流，不需外加任何設備，使整個供電系統(tǒng)的可靠性提高，供電容量也同時得到提高。但是，并聯(lián)UPS會有如下主要問題：

1) 各臺UPS輸出的電壓、相位、頻率很難嚴格一致，即使有1度的相位誤差也可引起50%的功率差別，當空載時，某些UPS可能會運行在整流狀態(tài)。

2) 由于各臺UPS的輸出電壓、電流均為正弦量，而且有相位誤差和頻率誤差，所以，很難實現(xiàn)負載分配和均流。

3) 并聯(lián)運行時，若各臺UPS的頻率和相位相同，而幅度不同，則系統(tǒng)中各臺UPS之間會存在無功的環(huán)流分量，嚴重時會使UPS保護，甚至使逆變器停止工作。

鑒于以上存在的問題，我們提出在并聯(lián)系統(tǒng)中，把每一臺UPS輸出的電壓、電流、頻率和相位信號進行采樣、綜合，然后，再與其它UPS的相應信號進行綜合，從而得出各自電壓及頻率的補償信號，然后送至系統(tǒng)中的其它UPS，最終保證各臺UPS輸出電壓的幅值、電流、相位和頻率嚴格一致。當其中某臺UPS因故障而退出時，并不影響整個并聯(lián)系統(tǒng)的運行，因而可實現(xiàn)真正的N+1 臺并聯(lián)運行。

2.并機原理

整個UPS并機系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器TMS320F240為核心，輔以必要的外圍功能單元電路構成,UPS并機控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

數(shù)字信號處理器(DSP)通過對各種信號的檢測，加以分析處理，然后送到逆變器控制電路和狀態(tài)顯示電路;同時，通過通信接口電路與并機系統(tǒng)中的其他UPS進行信息交換。

波形控制接口電路的功能是將DSP發(fā)出的控制后級UPS的逆變輸出信號進行電平匹配，使其符合一定的精度和幅值要求。

相位控制接口電路的作用是將DSP發(fā)出的同步信號經(jīng)過電平轉換及阻抗匹配后送到后級UPS控制電路中作為UPS鎖相的給定信號。

邏輯切換控制電路的功能是將DSP發(fā)出的控制信號經(jīng)過電平變換后去驅動靜態(tài)開關動作，完成相應的邏輯關系控制。

直流母線電流檢測電路的功能是檢測UPS整流輸出直流母線上流過的電流大小，該直流母線電流經(jīng)霍爾傳感器變換，再經(jīng)電平匹配電路后送到DSP的AD接口。

直流母線電壓檢測電路的作用是將UPS整流輸出的直流母線電壓變換后送到DSP的AD接口。

輸出電流及輸出電壓檢測電路的作用是將UPS的輸出電壓及輸出電流經(jīng)過交流電壓互感器及交流電流互感器檢測后，再經(jīng)過電平轉換，送到DSP的AD接口，作為DSP的控制程序對UPS的輸出電壓和輸出電流進行實時控制的反饋量。

市電檢測電路的作用是將交流市電經(jīng)變換后送到DSP中，作為控制UPS電源與市電同步的給定值。

所有的檢測量經(jīng)AD接口送到DSP，DSP完成對各模擬參數(shù)的模擬/數(shù)字轉換及數(shù)字優(yōu)化濾波，濾除噪聲干擾，分離出有用的信號，保證檢測信號的真實性及有效性。

UPS并聯(lián)控制系統(tǒng)的通訊接口電路將本UPS的工作狀態(tài)(輸出電壓幅值、輸出電壓頻率、輸出電壓的相位、切換邏輯要求等)送到通訊總線上，并通過通訊總線接收并聯(lián)控制系統(tǒng)其它UPS發(fā)出的工作狀態(tài)信號，作為并聯(lián)系統(tǒng)進行均流控制、邏輯切換的重要依據(jù)。

3.并機系統(tǒng)結構及DSP控制軟件

3.1 UPS并機系統(tǒng)結構

UPS并機系統(tǒng)結構框圖如圖2所示，并機系統(tǒng)中的所有UPS均通過通訊接口相連，各UPS的輸出則直接并接給負載供電。

3.2 控制軟件

3.2.1. DSP主程序

DSP主程序根據(jù)并聯(lián)控制系統(tǒng)的通訊接口電路接受到的其他并聯(lián)運行UPS發(fā)出的切換邏輯要求，并根據(jù)當前本機的運行狀況進行相應的邏輯分析和判斷，保證所有并聯(lián)運行UPS的靜態(tài)開關同時切換到旁路運行狀態(tài)p或同時切換到逆變器運行狀態(tài)，完成并機系統(tǒng)的邏輯切換控制。由于在并機系統(tǒng)的邏輯切換過程中，沒有主機或從機之分，因此，任意一臺處于并聯(lián)運行且處于負載狀態(tài)下的UPS可以從并聯(lián) 運行的UPS并聯(lián)系統(tǒng)中退出，或者任意一臺處于空載狀態(tài)的(或者新啟動的)UPS可以并入N臺并聯(lián)運行的UPS并聯(lián)運行系統(tǒng)中，實現(xiàn)N+1臺UPS的并聯(lián)運行，也就實現(xiàn)了N+1冗余并聯(lián)運行。DSP的主程序流程圖如圖4 所示。

3.2.2. DSP控制子程序

DSP控制子程序根據(jù)由通訊接口電路接收到的其它并聯(lián)運行的UPS發(fā)出的輸出電壓幅值、輸出電壓頻率、輸出電壓相位等數(shù)據(jù)，以及接收到的本UPS的輸出電壓幅值、輸出電壓頻率、輸出電壓相位等數(shù)據(jù)，經(jīng)過采樣處理，然后經(jīng)過輸出電壓幅值控制算法程序、輸出電壓的頻率算法程序、輸出電壓的相位算法程序等的綜合運算，從而對UPS輸出電壓的相位、頻率、幅值等參數(shù)進行實時控制，使各臺并聯(lián)運行的UPS輸出相同的電壓幅值、電壓頻率和電壓相位，使各臺UPS共同對負載供電，且實現(xiàn)所有并聯(lián)運行的UPS平均分擔負載，滿足并聯(lián)運行的技術要求。控制子程序流程圖如圖3 所示。