多制式模塊化綠色UPS電源技術(shù)

一、前言

近年來(lái)，國(guó)家在“信息化帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)化”及“節(jié)能減排低碳經(jīng)濟(jì)”的方針指引下，我國(guó)各企事業(yè)單位的信息化建設(shè)步伐大大加快，這使得UPS的市場(chǎng)需求量逐年快速增長(zhǎng)。隨著節(jié)能減排的政策要求UPS技術(shù)的迅猛發(fā)展，UPS技術(shù)本身也在不斷的進(jìn)步著。目前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)型UPS存在著諸多的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：

1.運(yùn)行效率低下，普遍輕載效率低于80%。

2.采用工頻變壓器等元件將消耗大量的鋼材和銅，成本高、體積笨重。

3.普遍采用了不控或相控整流器，其輸入功率因數(shù)隨負(fù)載的降低而降低，并產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)。

4.可用性差，單機(jī)不能冗余運(yùn)行，可靠性低，故障率高，維護(hù)難及初期投資成本大。

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?！熬G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?！澳K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?！爸悄芑笨蓪?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 UPS模塊化冗余運(yùn)行示意圖

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)。

圖2 UPS模塊的主電路框圖

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 PFC高頻整流單元主電路示意圖

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??；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，最后將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T。當(dāng)iL=|iS|< P>

圖3(c)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。

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)際最新的、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)控制器的最優(yōu)化參數(shù)，使逆變器的性能達(dá)到了最優(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%。

圖4 三相逆變器主電路圖

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，

圖5 逆變器的瞬時(shí)均流控制方案

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。

整個(gè)UPS系統(tǒng)控制框圖如圖6所示。

圖6 UPS模塊主電路原理圖

整個(gè)控制系統(tǒng)基于1片高性能的32位DSP（TMS320FS2810，主頻150Hz）實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化集成控制，將高頻整流器、三電平逆變器、瞬時(shí)均流、故障診斷、邏輯切換、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能集成在軟件中，一方面大幅提高了系統(tǒng)的性能及可靠性，另一方面最大限度地減少了硬件數(shù)量，從而大幅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，該UPS在獲得良好性能的同時(shí)，功率密度大幅提高。一個(gè)10kVA功率模塊的尺寸為：482.6mm（寬）×88.9mm（高）×470mm(深)（即標(biāo)準(zhǔn)的19英寸機(jī)柜2U高度）。如圖7所示：

圖7 10kVA UPS模塊

三、模塊化UPS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1、多制式節(jié)能模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS的比較

多制式模塊獨(dú)有的多制性刷新了整個(gè)UPS領(lǐng)域輸入輸出相位固定的傳統(tǒng)特性，為用戶帶來(lái)了前所未有的選擇空間及便利。

2、高頻模塊化綠色UPS產(chǎn)品主要優(yōu)越性特點(diǎn)：

本系列產(chǎn)品在技術(shù)含量上是處于國(guó)際領(lǐng)先水平，在很多技術(shù)方面使UPS行業(yè)得到了一個(gè)更大的提升，主要表現(xiàn)有以下幾大優(yōu)勢(shì)：

1）．高可靠性：以前的UPS一般采用單機(jī)或者熱備份或者1+1并機(jī)的方式，采用這些方式必然會(huì)給用戶帶來(lái)一些安全隱患，而本UPS采用的是N+X的并聯(lián)方式，在性價(jià)比以及安全性、可靠性是上得到一個(gè)更大的跨躍，確保了系統(tǒng)本身或用戶負(fù)載受保護(hù)的時(shí)間成倍得到提升。

2）．高效節(jié)能性：傳統(tǒng)UPS的輸入功率因數(shù)一般小于90%，而多制式模塊化UPS輸入功率因數(shù)近似于1（0.99），輸入總諧波失真度（THD）只有5%，而且而現(xiàn)在我們采用了三階逆變控制技術(shù)，使逆變效率高達(dá)98%以上，這樣就高效節(jié)能的綠色能源產(chǎn)品；

3）．適應(yīng)多制式電源：它完全刷新了UPS系統(tǒng)輸入輸出相位固定的技術(shù)，為用戶帶來(lái)前所未有的選擇空間和便利。本產(chǎn)品的輸入或輸出共具有4種制式6種狀態(tài)（有單/單、三/單、三/三、單/三；50/60Hz、110/220/230/240VAC）靈活滿足不同場(chǎng)合使用。

4）．強(qiáng)大的擴(kuò)展性：它采用了模塊疊加式設(shè)計(jì)，UPS容量可增可減，實(shí)現(xiàn)了投資者的“隨需應(yīng)變”的需求，滿足了隨用戶業(yè)務(wù)的發(fā)展從而實(shí)現(xiàn)了UPS電源“動(dòng)態(tài)成長(zhǎng)”。

5）．綠色環(huán)保性：采用了CCM電流連續(xù)運(yùn)作方式，大大減低了電源干擾，輸入功率因數(shù)近似于1（0.99），輸入總諧波失真度（THD）只有5%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)UPS電流諧波一般為30%；

6）．在線熱插性：各部分模塊均實(shí)現(xiàn)了在線熱插拔操作，為產(chǎn)品在升級(jí)或者維護(hù)方面提供了保障。

7）．智能化互動(dòng)性：采用了雙向互動(dòng)監(jiān)控技術(shù)，協(xié)助用戶靈活快捷的對(duì)系統(tǒng)危機(jī)做出即時(shí)處理，通過(guò)通信或者網(wǎng)絡(luò)做到監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。

3、高頻模塊UPS滿足“綠色電源”的全部特征，其主要性能指標(biāo)如下：

該產(chǎn)品填補(bǔ)了模塊化綠色UPS的國(guó)內(nèi)空白，具有高可靠性、高效節(jié)能綠色環(huán)保、能效智能化管理的優(yōu)點(diǎn)；由于其極高的性價(jià)比，已在銀行、電信、證券等重要部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。在國(guó)家重大項(xiàng)目中發(fā)揮重要作用，該UPS在西昌衛(wèi)星發(fā)射基地，北京奧運(yùn)場(chǎng)館，地鐵站等重要場(chǎng)所也得到了廣泛應(yīng)用，且獲得了用戶的一致好評(píng)。