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當(dāng)前UPS存在的問(wèn)題，向UPS廠商提出了更高的要求。目前，電源領(lǐng)域的專家一致認(rèn)為，UPS應(yīng)向“綠色化、模塊化，智能化”方向發(fā)展。“綠色化”要求UPS電源系統(tǒng)以高效率及高功率因素運(yùn)行，并對(duì)電網(wǎng)不造成諧波污染，對(duì)其他用電設(shè)備不產(chǎn)生電磁干擾。“模塊化”在大幅提高供電系統(tǒng)可靠性，降低初期投資容量、熱插拔簡(jiǎn)化維護(hù)操作的同時(shí)，由于避免了“大馬拉小車”的工況，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。“智能化”可實(shí)現(xiàn)UPS的多制式運(yùn)行及靈活的故障診斷與保護(hù)，確保供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

 

由于電信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和IT支撐平臺(tái)的發(fā)展，特別是IDC（客戶托管機(jī)房）業(yè)務(wù)的開(kāi)展，使得通信機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器等使用交流供電的IT設(shè)備大量增加，相應(yīng)配置的UPS（交流不間斷電源）的數(shù)量也與日俱增。但由于傳統(tǒng)整機(jī)式UPS的一些弊病，為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃和通信電源維護(hù)工作帶來(lái)很大的困擾，而模塊化UPS正是人們?yōu)榻鉀Q傳統(tǒng)整機(jī)式UPS供電的局限性而發(fā)展起來(lái)的一種新型UPS設(shè)備。

 

二、模塊化UPS將是綠色電源必然的發(fā)展方向

 

滿足“綠色電源”特征的模塊化UPS將是必然的發(fā)展方向，但長(zhǎng)期以來(lái)其國(guó)內(nèi)市場(chǎng)一直為國(guó)外產(chǎn)品所壟斷。國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格昂貴，維修不易。因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模塊化綠色UPS是推動(dòng)我國(guó)電源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)高效用電的重要舉措。

 

廣東志成冠軍集團(tuán)為國(guó)內(nèi)UPS行業(yè)的籠頭企業(yè)。經(jīng)過(guò)多年自主研發(fā)UPS的技術(shù)，高頻模塊化綠色UPS于2006年10月成功推出。該產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

 

1、高可靠性的模塊化技術(shù)

 

由模塊化綠色UPS所構(gòu)成的供電系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過(guò)UPS模塊的并聯(lián)運(yùn)行，將大幅提高供電的可靠性，節(jié)省初期投資，而功率模塊與旁路模塊的熱拔插功能大大簡(jiǎn)化了維護(hù)工作。

 

 

圖1中，模塊化UPS供電系統(tǒng)由3個(gè)UPS模塊并聯(lián)運(yùn)行為負(fù)載供電，其中，UPS模塊的主電路框圖如圖2所示，主要包括PFC高頻整流器，三相三電平逆變器及逆變輸出隔離開(kāi)關(guān)（接觸器）等部分。其中，交流接觸器用于在關(guān)機(jī)或故障時(shí)將逆變器從并聯(lián)系統(tǒng)中斷開(kāi)，便于檢修與維護(hù)。

 

 

如圖2所示，三相或單相市電電源從空氣開(kāi)關(guān)輸入，進(jìn)入PFC高頻整流單元。高頻整流單元是UPS與市電電網(wǎng)的接口部分，它將三相或單相交流電變換為穩(wěn)定的±430V直流電送至直流母線，為后級(jí)的高頻逆變電路提供穩(wěn)定的直流母線電壓。

 

2、高效高頻整流技術(shù)

 

為提高功率密度及整機(jī)效率，減小對(duì)電網(wǎng)的污染，整流器采用了單管功率因數(shù)校正（PFC）的高頻整流技術(shù)，如圖3所示。每相的高頻整流電路只需一個(gè)IGBT即可提供正負(fù)直流母線電壓，效率很高。采用了帶功率因數(shù)校正的高頻整流技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)UPS輸入的功率因數(shù)為1，輸入電流諧波大大降低（諧波畸變率小于5%），可對(duì)直流母線電壓實(shí)現(xiàn)快速調(diào)控，從而在大大減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染的同時(shí)，大大降低了直流母線電壓的紋波系數(shù)，提高了直流母線電壓的穩(wěn)定性，此外，對(duì)蓄電池的充放電更加地靈活。而所有模塊的高頻整流電路的輸出能夠并聯(lián)運(yùn)行，這也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

 

圖3是一個(gè)含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器APFC（Active Power Factor Correction）的高頻整流器電路原理及波形圖。主電路由單相橋式不控整流器和DC－DC Boost變換器組成。虛線框內(nèi)為控制電路，包括：電壓誤差放大器VAR、電流誤差放大器CAR、乘法器、比較器C和驅(qū)動(dòng)器等。假定負(fù)載需要一個(gè)電壓為V*0的直流電壓，有源功率因數(shù)校正器APFC的工作原理如下：將主電路的輸出電壓V0和指令輸出電壓V*0送入一個(gè)比例積分PI型電壓誤差放大器VAR，VAR的輸出是個(gè)直流量m，當(dāng)實(shí)際輸出直流電壓V0大于指令值V*0時(shí)，V0>V*0，m減小；當(dāng)V0二極管整流電壓Vdc檢測(cè)值Vdc="|VS|(交流電源電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值)和VAR的輸出電壓信號(hào)m共同加到乘法器的輸入端，用乘法器的輸出m|VS|作為電感電流iL(|iS|=iL)的電流指令值ir，因此電流指令ir(ir=mvdc)=m·|VS|的波形與交流電源電壓VS相同，即指令電流ir是與交流電源" VS同相位的正弦波，而ir的大小則取決于實(shí)際電壓V0與電壓指令值V*0的誤差。將ir與電感電流iL的檢測(cè)值（iL="|iS|）一起送入比例、積分PI型電流誤差比較器CAR，CAR的輸出作為開(kāi)關(guān)管T的PWM驅(qū)動(dòng)控制電壓Vr，后將Vr與一個(gè)恒頻三角波V△送入比較器C，C的輸出被取作開(kāi)關(guān)管T的驅(qū)動(dòng)信號(hào)VG，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器功率放大后再驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件

給出輸入電壓VS、Vdc指令和僅有很小紋波的iL、iS波形。由圖可見(jiàn)，輸入電流被高頻PWM調(diào)制成接近正弦（含有高頻紋波）的波形。圖3(a)中iD為流過(guò)二極管的電流，iT為流過(guò)開(kāi)關(guān)管T的電流。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，ID＝0 ，|is|=iL=ir ；當(dāng)開(kāi)關(guān)管T斷開(kāi)時(shí)，iT=0 ， |is|=iL=iD；具有高頻紋波的輸入電流iS經(jīng)很小的LC濾波后即可得到較光滑的正弦波電流，它也正是每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中IS(IL)的平均值。

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3、數(shù)字化的高頻三電平逆變技術(shù)

 

逆變部分是UPS的核心部分。由于直流母線電壓達(dá)到±430V，我們?cè)谖諊?guó)際新的、高性價(jià)比的逆變器方案的基礎(chǔ)上，采用了三電平逆變器結(jié)構(gòu)，如圖4所示。三電平電路有效地解決了IGBT的耐壓?jiǎn)栴}，在SPWM調(diào)制中也可大大降低IGBT的開(kāi)關(guān)頻率。三電平電路也使得逆變器的熱損耗小、噪音低、電磁干擾小、功率密度高，且性能可靠，工作穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)。三電平電路輸出的SPWM電壓波形經(jīng)過(guò)LC濾波后輸出純正的正弦電壓波形。通過(guò)采用合理的輸入輸出共地技術(shù)，使得逆變器不再需要笨重而昂貴的輸出工頻變壓器及高頻隔離變壓器，從而大大降低了成本、體積及損耗。

 

在逆變電路的控制電路設(shè)計(jì)中，我們基于現(xiàn)代控制理論建立逆變器的數(shù)學(xué)模型，從而得出了閉環(huán)控制器的優(yōu)化參數(shù)，使逆變器的性能達(dá)到了優(yōu)化。此外，通過(guò)采用基于高性能32位數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2810實(shí)現(xiàn)了控制的全數(shù)字化。使得逆變器輸出電壓失真率在線性負(fù)載時(shí)小于2%，非線形負(fù)載時(shí)≤5%。

 

在逆變器的并聯(lián)均流控制中，我采用了基于數(shù)

 

[page]字信號(hào)處理器（DSP）的數(shù)字化瞬時(shí)均流技術(shù)，它很好地實(shí)現(xiàn)了“分布式邏輯均流控制方式”。對(duì)于逆變器并機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊，均都處于完全平等的調(diào)控狀態(tài)之中，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)逆變模塊所帶的負(fù)載百分比，實(shí)現(xiàn)高精度的負(fù)載均分。以高速微處理器為基礎(chǔ)的全數(shù)字化設(shè)計(jì)，使得UPS模塊之間只采用環(huán)路通訊電纜連接來(lái)傳遞實(shí)時(shí)信號(hào)便可實(shí)現(xiàn)多達(dá)20個(gè)模塊的直接并機(jī)。負(fù)載電流的不均衡度小于3%。UPS的各模塊可實(shí)現(xiàn)熱插拔，熱更換。每個(gè)UPS模塊可動(dòng)態(tài)插入U(xiǎn)PS系統(tǒng)或從UPS系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)拔出。插拔過(guò)程中不影響其它模塊的正常運(yùn)行。

 

逆變器均流的思想來(lái)源于電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)，即以有功功率調(diào)頻，以無(wú)功功率調(diào)壓的下垂方式為主，如式（1）、（2）所示，因此也稱外特性下垂方式。

 

 

 

在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，這種下垂方式在感性的線路阻抗時(shí)工作也是較好的，對(duì)于阻性線路阻抗則效果較差，當(dāng)線路阻抗不再為純感性時(shí)，電壓頻率，幅值都同時(shí)影響有功功率與無(wú)功功率，從而產(chǎn)生了很強(qiáng)的耦合，使得并聯(lián)效果并不理想，因此，在無(wú)互連線的并聯(lián)控制中，通常通過(guò)對(duì)P，Q進(jìn)行座標(biāo)變換，形成新的變量P’，Q’，其目的是消除或減輕P’，Q’之間的耦合，再基于P’，Q’進(jìn)行輸出電壓的頻率，幅值的下垂控制。

 

傳統(tǒng)的并聯(lián)均流控制是基于相量的，每個(gè)工頻周期調(diào)節(jié)一次環(huán)流，對(duì)環(huán)流的瞬間沖擊是沒(méi)有抑制作用的，這使得UPS須采用并機(jī)電抗，并在容量上考慮較大的富余度。為解決這一問(wèn)題，我們通過(guò)研究，在國(guó)內(nèi)外首次提出了環(huán)流阻抗的概念，并基于環(huán)流阻抗實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)均流方案，如圖5所示。在瞬時(shí)均流方案中，各個(gè)模塊的均流控制器對(duì)負(fù)載電流的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，對(duì)環(huán)流進(jìn)行瞬時(shí)調(diào)控。而傳統(tǒng)的均流方案中只對(duì)負(fù)載電流的基波分量進(jìn)行處理，一個(gè)正弦周期（20ms）只能調(diào)節(jié)一次。瞬時(shí)均流方案大大改善了UPS模塊之間的動(dòng)態(tài)均流特性，能有效地抑制并聯(lián)逆變器之間的環(huán)流沖擊，減小了UPS容量的富余度。同時(shí)，基于瞬時(shí)均流技術(shù)，通過(guò)合理的軟件算法，可實(shí)現(xiàn)“虛擬并機(jī)電感”，使得每個(gè)UPS模塊不再需要并機(jī)電感，從而進(jìn)一步降低了體積、損耗及成本。提升了整個(gè)UPS的效率及功率密度，

 

 

該UPS電源可實(shí)現(xiàn)多制式運(yùn)行，可單相或三相市電輸入、對(duì)單相或三相負(fù)載供電。同時(shí)，為確保對(duì)國(guó)際上50Hz及60Hz兩種頻率電網(wǎng)的適用性，UPS的輸入電壓可適應(yīng)50Hz及60Hz兩種電網(wǎng)，而輸出電壓可50Hz與60Hz任意切換。

 

該UPS采用了集中旁路控制技術(shù)，使得逆變、旁路切換更加安全穩(wěn)定，同時(shí)也簡(jiǎn)化了各UPS模塊的結(jié)構(gòu)，降低了各模塊的體積。如需提高旁路的可靠性，該UPS可實(shí)現(xiàn)雙旁路模塊并聯(lián)冗余運(yùn)行。

 

該UPS基于DSP技術(shù)，針對(duì)模塊化運(yùn)行，開(kāi)發(fā)了完善的智能管理功能，可以自檢到電路的各種狀態(tài)及故障；在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方面具有優(yōu)異的功能，能支持靈活的網(wǎng)絡(luò)化管理，強(qiáng)大的智能監(jiān)控功能，提供RS232、RS422及干接點(diǎn)、接口，內(nèi)置Modem接口及SNMP卡，滿足TCP/IP協(xié)議，適應(yīng)LAN、WAN的網(wǎng)絡(luò)化管理。