三進(jìn)三出不間斷電源的并聯(lián)技術(shù)

1.前 言

不間斷電源(UPS)并機(jī)系統(tǒng)以其擴(kuò)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(hù)歡迎。所謂UPS并機(jī)系統(tǒng)是指需并聯(lián)的多臺(tái)UPS的輸出直接并聯(lián)短接在一起，同時(shí)分擔(dān)負(fù)載電流，不需外加任何設(shè)備，使整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性提高，供電容量也同時(shí)得到提高。但是，并聯(lián)UPS會(huì)有如下主要問(wèn)題：

1) 各臺(tái)UPS輸出的電壓、相位、頻率很難嚴(yán)格一致，即使有1度的相位誤差也可引起50%的功率差別，當(dāng)空載時(shí)，某些UPS可能會(huì)運(yùn)行在整流狀態(tài)。

2) 由于各臺(tái)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(shí)現(xiàn)負(fù)載分配和均流。

3) 并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，若各臺(tái)UPS的頻率和相位相同，而幅度不同，則系統(tǒng)中各臺(tái)UPS之間會(huì)存在無(wú)功的環(huán)流分量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使UPS保護(hù)，甚至使逆變器停止工作。

鑒于以上存在的問(wèn)題，我們提出在并聯(lián)系統(tǒng)中，把每一臺(tái)UPS輸出的電壓、電流、頻率和相位信號(hào)進(jìn)行采樣、綜合，然后，再與其它UPS的相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行綜合，從而得出各自電壓及頻率的補(bǔ)償信號(hào)，然后送至系統(tǒng)中的其它UPS，最終保證各臺(tái)UPS輸出電壓的幅值、電流、相位和頻率嚴(yán)格一致。當(dāng)其中某臺(tái)UPS因故障而退出時(shí)，并不影響整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行，因而可實(shí)現(xiàn)真正的N+1 臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。

2.并機(jī)原理

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

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)通過(guò)對(duì)各種信號(hào)的檢測(cè)，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(shí)，通過(guò)通信接口電路與并機(jī)系統(tǒng)中的其他UPS進(jìn)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(jí)UPS的逆變輸出信號(hào)進(jìn)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(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換及阻抗匹配后送到后級(jí)UPS控制電路中作為UPS鎖相的給定信號(hào)。

邏輯切換控制電路的功能是將DSP發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)電平變換后去驅(qū)動(dòng)靜態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，完成相應(yīng)的邏輯關(guān)系控制。

直流母線電流檢測(cè)電路的功能是檢測(cè)UPS整流輸出直流母線上流過(guò)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(cè)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(cè)電路的作用是將UPS的輸出電壓及輸出電流經(jīng)過(guò)交流電壓互感器及交流電流互感器檢測(cè)后，再經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，送到DSP的AD接口，作為DSP的控制程序?qū)PS的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的反饋量。

市電檢測(cè)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(cè)量經(jīng)AD接口送到DSP，DSP完成對(duì)各模擬參數(shù)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換及數(shù)字優(yōu)化濾波，濾除噪聲干擾，分離出有用的信號(hào)，保證檢測(cè)信號(hào)的真實(shí)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(guò)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(hào)，作為并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行均流控制、邏輯切換的重要依據(jù)。

3.并機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及DSP控制軟件

3.1 UPS并機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

UPS并機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，并機(jī)系統(tǒng)中的所有UPS均通過(guò)通訊接口相連，各UPS的輸出則直接并接給負(fù)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(yùn)行UPS發(fā)出的切換邏輯要求，并根據(jù)當(dāng)前本機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行相應(yīng)的邏輯分析和判斷，保證所有并聯(lián)運(yùn)行UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)同時(shí)切換到旁路運(yùn)行狀態(tài)p或同時(shí)切換到逆變器運(yùn)行狀態(tài)，完成并機(jī)系統(tǒng)的邏輯切換控制。由于在并機(jī)系統(tǒng)的邏輯切換過(guò)程中，沒(méi)有主機(jī)或從機(jī)之分，因此，任意一臺(tái)處于并聯(lián)運(yùn)行且處于負(fù)載狀態(tài)下的UPS可以從并聯(lián) 運(yùn)行的UPS并聯(lián)系統(tǒng)中退出，或者任意一臺(tái)處于空載狀態(tài)的(或者新啟動(dòng)的)UPS可以并入N臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的UPS并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)N+1臺(tái)UPS的并聯(lián)運(yùn)行，也就實(shí)現(xiàn)了N+1冗余并聯(lián)運(yùn)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(yùn)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(guò)采樣處理，然后經(jīng)過(guò)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(yùn)算，從而對(duì)UPS輸出電壓的相位、頻率、幅值等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使各臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的UPS輸出相同的電壓幅值、電壓頻率和電壓相位，使各臺(tái)UPS共同對(duì)負(fù)載供電，且實(shí)現(xiàn)所有并聯(lián)運(yùn)行的UPS平均分擔(dān)負(fù)載，滿(mǎn)足并聯(lián)運(yùn)行的技術(shù)要求。控制子程序流程圖如圖3 所示。