數(shù)字控制UPS電源技術(shù)及應(yīng)用

傳統(tǒng)的UPS采用模擬電路控制，對于生產(chǎn)廠家和用戶而言，無論是相控技術(shù)還是SPWM技術(shù)，模擬控制存在諸多局限性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，高速數(shù)字信號處理芯片（Digital Signal Processor, DSP）的出現(xiàn)，使得數(shù)字化的控制在更廣闊電氣控制領(lǐng)域中應(yīng)用有了可能性，也成為主要發(fā)展趨勢之一。

　　一、數(shù)字控制UPS的應(yīng)用優(yōu)勢

　　有了高速數(shù)字信號處理芯片的支持，采用數(shù)字化的控制策略不僅可以較好的解決UPS電源模擬控制里的有關(guān)問題，而且還增加了UPS電源模擬控制中很難實(shí)現(xiàn)的一些控制功能，其主要應(yīng)用優(yōu)勢有：

　　（1）數(shù)字化控制可采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得UPS的智能化程度更高，性能更加完美。智能化控制代表了自動控制的最新發(fā)展階段，繼承了人腦的定性、變結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)等思維模式，也給電力電子控制帶來了新的活力。在高頻開關(guān)工作狀態(tài)下，逆變電源的模型更加復(fù)雜化，這是模擬控制或經(jīng)典控制理論難以有良好控制效果的，而采用先進(jìn)、智能化的數(shù)字控制策略，就可以從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

　　（2）控制靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必對硬件電路做改動。數(shù)字控制系統(tǒng)的控制方案體現(xiàn)在控制程序上，一旦相關(guān)硬件資源得到合理的配置，只需要通過修改控制軟件，就可以提高原有系統(tǒng)的控制性能，或者根據(jù)不同的控制對象實(shí)時(shí)、在線更換不同控制策略的控制軟件。

　?。?）控制系統(tǒng)可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化。由于數(shù)字控制的高可靠性，必然使得整個(gè)控制系統(tǒng)可靠性的提高，而且可以針對不同的系統(tǒng)（或不同型號的產(chǎn)品），采用統(tǒng)一的控制板，而只需要對控制軟件做一些修改即可，這對生產(chǎn)廠家而言是有著巨大的吸引力的。

　?。?）系統(tǒng)維護(hù)方便，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地通過RS-232或RS-485接口或USB接口進(jìn)行調(diào)試，故障查詢，歷史記錄查詢，軟件修復(fù)，甚至控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試。這樣就可以以較低的成本完成自我校正及遠(yuǎn)程服務(wù)，給廠家的售后服務(wù)帶來了極大的方便。

　?。?）系統(tǒng)一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不會像模擬器件那樣存在差異，所以對于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也沒有模擬系統(tǒng)中模擬器件調(diào)試帶來的差異問題，那么同一控制板的一致性就會比模擬系統(tǒng)高很多。采用了軟件控制，就實(shí)現(xiàn)了硬件軟件化，使控制板的體積大大減小，生產(chǎn)成本下降。

　?。?）易于組成并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。由于單位UPS系統(tǒng)均是數(shù)字控制，有相應(yīng)的控制變量代表系統(tǒng)中的狀態(tài)量，那么就可以較方便地獲得均流所需要的信息，利用相應(yīng)的均流算法實(shí)現(xiàn)UPS的并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。

　　二、DSP控制的UPS工作流程

　　DSP控制的數(shù)字式UPS電源的工作流程是：當(dāng)市電正常，輸入電壓、頻率在允許的范圍時(shí)，PFC部分對輸入進(jìn)行功率因數(shù)校正，使得該系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)為0.98左右，同時(shí)避免對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，輸入的市電經(jīng)PFC環(huán)節(jié)變換得到400V直流輸出電壓，為后面的逆變電路提供能量。同時(shí)DC/DC部分仍然在正常工作，只是由于電池電壓經(jīng)過DC/DC電路變換得到360V輸出電壓，略小于市電經(jīng)PFC變換得到的直流母線電壓，這樣通過二極管就將它和直流母線隔離，DC/DC部分空載運(yùn)行，處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)市電不正常時(shí)，市電掉電或者輸入電壓、頻率不在允許的范圍時(shí)，市電經(jīng)PFC得到直流母線電壓迅速降低，當(dāng)?shù)陀?60V時(shí)，二極管導(dǎo)通，使得直流母線電壓維持在360V,此時(shí)逆變器得到的能量是由電池電壓經(jīng)由DC/DC電路變化得到的直流母線電壓。無論市電是否正常逆變部分均可以正常的工作。一般蓄電池可提供幾分鐘到幾十分鐘的后備供電時(shí)間，大容量的電池組的后備供電時(shí)間可以達(dá)幾個(gè)到幾十個(gè)小時(shí)，對于備有柴油發(fā)電機(jī)的用戶，可以在市電停電5~10秒之內(nèi)把柴油發(fā)電機(jī)投入到UPS電源的輸入端，可以在長時(shí)間停電的情況下向用戶提供高質(zhì)量的正弦波電源。經(jīng)處理以后的市電同時(shí)還送給市電電壓/流相位測量電路，產(chǎn)生市電電壓信號和相位信號，供微處理器電壓/流測量和同步鎖相之用。這樣就實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載的不間斷供電功能。

　　三、DSP控制的UPS組成結(jié)構(gòu)

　　UPS要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，那么用更多的模擬器件才能實(shí)現(xiàn)的控制功能和算法就可以通過DSP的軟件的編程來實(shí)現(xiàn)，所以整個(gè)UPS的結(jié)構(gòu)就相比較用模擬器件的實(shí)現(xiàn)的UPS的整體結(jié)構(gòu)要簡單得多。如圖1所示下面就是數(shù)字化的UPS的整體框圖。主要由輸入功率因數(shù)校正、逆變部分、DC/DC等組成。

　　四、DSP控制的UPS關(guān)鍵電路結(jié)構(gòu)

　?。?）UPS的功率校正電路

　　輸入功率因數(shù)校正電路如圖2所示主要由功率管T5、電感L1、二極管D1、電容C1組成。它為輸入部分提供功率因數(shù)校正功能，并且提升電壓至400V.

　　輸入功率因數(shù)校正因數(shù)電路的工作原理，UPS市電通過功率因數(shù)校正模塊，來進(jìn)一步減少來自電網(wǎng)上的干擾，也同時(shí)使整個(gè)UPS系統(tǒng)的功率因和轉(zhuǎn)換效率得到提高。功率校正模塊是一個(gè)AC/DC變換器，它完成輸入的整流，同時(shí)控制輸入電流為正弦波，從而達(dá)到很高的輸入功率因數(shù)。功率因數(shù)校正部分還必須保持直流電壓恒定，不隨輸入的變化而改變。直流電壓又在逆變部分變換成幅值、頻率合適的交流電源。當(dāng)UPS工作在蓄電池方式時(shí)，該直流電源經(jīng)過DC/DC變換隔離后得到逆變部分所需的直流電壓。