數(shù)字化Delta型UPS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪玉鳳 ，劉翹楚 ，韓 陽(yáng) ，趙 銳

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.遼河油田電力集團(tuán)公司，遼寧 錦州 121209）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各種各樣用電負(fù)載的增加對(duì)電網(wǎng)造成的壓力越來(lái)越大。非線(xiàn)性負(fù)載、沖擊性負(fù)載、波動(dòng)性負(fù)載在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用使電網(wǎng)中存在的問(wèn)題越來(lái)越多，也越來(lái)越復(fù)雜。與此同時(shí)，各種復(fù)雜和精密的用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。不間斷供電電源(UPS)具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抗干擾、防止浪涌等功能，在電網(wǎng)停止供電時(shí)，可對(duì)負(fù)載進(jìn)行短時(shí)供電[1]。因此，UPS日益成為重要負(fù)載設(shè)備不可或缺的配套設(shè)施。

本文介紹的數(shù)字化Delta型UPS是通過(guò)不斷改進(jìn)UPS的算法使得UPS的性能越來(lái)越好，與現(xiàn)有UPS相比，克服了其損耗大、工作效率低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，使各項(xiàng)性能指標(biāo)均得到了很大的提高。因此，Delta型UPS具有很大的市場(chǎng)價(jià)值與理論研究意義。

1 Delta型UPS的電路結(jié)構(gòu)及工作原理

Delta型UPS主要由串聯(lián)補(bǔ)償變壓器、Delta變換器、主變換器、主靜態(tài)開(kāi)關(guān)、旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)和蓄電池組等部分組成。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

Delta型UPS與傳統(tǒng)的后備式、在線(xiàn)互動(dòng)式、雙變換在線(xiàn)式UPS相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：整機(jī)效率高，功率余量大，可雙向四象限工作，可對(duì)市電電壓波動(dòng)值進(jìn)行正負(fù)補(bǔ)償。可輸出高性能指標(biāo)的交流電源。

Delta型UPS共有3條供電通道向用戶(hù)的負(fù)載供電，如圖2所示。

圖2 Delta型UPS工作原理圖

(1)主供電通道：市電電源→主靜態(tài)開(kāi)關(guān)→串聯(lián)補(bǔ)償變壓器→負(fù)載。

市電供電正常時(shí)：當(dāng)市電電壓在380 V±15%范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，如圖2(a)所示。不穩(wěn)定的市電電源經(jīng)主供電通道向用戶(hù)負(fù)載供電，同時(shí)輸出電壓通過(guò)Delta變換器對(duì)補(bǔ)償變壓器進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使Delta型UPS輸出的電壓精度在±1%的范圍內(nèi)。

(2)主變換器供電通道：蓄電池組→主變換器→負(fù)載。

市電供電不正常時(shí)：當(dāng)市電輸入的電壓波動(dòng)超過(guò)±15%時(shí)，如圖2(b)所示。主變換器在蓄電池組提供的直流能量下，以逆變器的形式向用戶(hù)負(fù)載供電。

(3)交流旁路供電通道：市電電源→旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)→負(fù)載。

交流旁路供電狀態(tài)：當(dāng)Delta型UPS在運(yùn)行過(guò)程中遇到輸出過(guò)載或輸出短路、主變換器或Delta變換器故障、溫升過(guò)高等情況之一時(shí)[2]，主靜態(tài)開(kāi)關(guān)關(guān)斷，無(wú)論市電供電正常與否，市電電源將直接經(jīng)旁路送到用戶(hù)的負(fù)載上。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的人性化設(shè)計(jì)、提高人機(jī)交互和通信的能力，本文采取DSP和ARM相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了Delta型UPS的全數(shù)字化。DSP控制兩個(gè)變換器協(xié)調(diào)工作，完成預(yù)定的算法。ARM完成UPS的通信和人機(jī)交互任務(wù)。

2.1 主電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的Delta型UPS采用三相三線(xiàn)制。系統(tǒng)指標(biāo)：輸出電壓為220/380 V，50 Hz輸出額定容量為 10 kVA。主電路如圖3所示。

圖3 Delta型UPS主電路圖

(1)Delta變換器：由三相IGBT半橋電路組成，具有雙四象限工作特性，以SPWM方式工作，對(duì)電網(wǎng)電壓基波偏差和諧波進(jìn)行補(bǔ)償。

(2)主變換器：同樣由三相IGBT半橋電路組成，具有雙四象限工作特性，以SPWM方式工作，并聯(lián)在UPS的輸出端。

(3)蓄電池組：由兩組電池串聯(lián)供電，為UPS提供持續(xù)的能量。

(4)靜態(tài)開(kāi)關(guān)：由晶閘管組成，DSP對(duì)其進(jìn)行控制。主靜態(tài)開(kāi)關(guān)用于連接市電和UPS輸入，旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)用于市電和UPS輸出的切換，手動(dòng)開(kāi)關(guān)用于維修調(diào)試。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

本文采用TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器作為主控制芯片，控制電路如圖4所示。

圖4 Delta型UPS控制電路圖

Delta變換器和主變換器都使用了SPWM技術(shù)和基于DQ坐標(biāo)變換的指令信號(hào)檢測(cè)方法。Delta變換器選擇直接電流反饋的控制方法，主變換器選擇波形瞬時(shí)值比較的控制方法，DSP通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的控制算法產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)使Delta變換器和主變換器工作。當(dāng)負(fù)載電壓高于標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)，主變換器吸收功率，工作在整流狀態(tài)，進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償；當(dāng)負(fù)載電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)，主變換器輸出功率，工作在逆變狀態(tài)[3]。

CPLD選擇Altera公司的復(fù)雜可編程邏輯器件EPM3256ATC144-7。CPLD完成電平轉(zhuǎn)換和外設(shè)擴(kuò)展，DSP完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理(指令信號(hào)的生成)、系統(tǒng)保護(hù)等功能，并按補(bǔ)償量的要求給兩個(gè)變換器提供脈寬信號(hào)驅(qū)動(dòng)，協(xié)調(diào)變換器工作。

2.3 人機(jī)交互和通信電路設(shè)計(jì)

ARM在本文設(shè)計(jì)的Delta型UPS系統(tǒng)中完成通信和人機(jī)交互的功能。選擇三星公司ARM9內(nèi)核的S2C2440A作為人機(jī)交互和通信的核心芯片。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

ARM完善了UPS的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，它能以圖形界面的形式清楚地將UPS的輸入輸出電壓、電池狀況、負(fù)載狀況等信息顯示出來(lái)[4]，方便了工作人員對(duì)系統(tǒng)的管理與維護(hù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括以DSP為核心的控制算法和以ARM為核心的人機(jī)交互及通信程序。

本文選擇TMS320F2812作為算法實(shí)現(xiàn)的核心，主要實(shí)現(xiàn)A/D采集控制、SPWM信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)值PI調(diào)節(jié)、鎖相跟蹤控制、DQ變換反變換、數(shù)字濾波等。ARM部分主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和通信。軟件平臺(tái)選擇微軟公司專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)WINCE5.0。人機(jī)交互界面使用美國(guó)NI公司的LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)。

程序的總體思想是用中斷實(shí)現(xiàn)前臺(tái)關(guān)鍵和周期性的任務(wù)（如 PWM、A/D），后臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)性能要求不高的任務(wù)(如ARM系統(tǒng)的通信、對(duì)故障的處理)。程序主流程圖如圖6所示。

ARM平臺(tái)上移植了微軟公司的WINCE系統(tǒng)，使用LABVIEW作為上位機(jī)人機(jī)界面和通信程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

4 實(shí)驗(yàn)與仿真

4.1 系統(tǒng)仿真

圖6 主程序流程圖

本文選用PSIM9.0作為仿真軟件，PSIM是專(zhuān)用于電力電子仿真的軟件。系統(tǒng)仿真的總體框圖如圖7所示，主要包括Delta變換器、主變換器和蓄電池模塊。

當(dāng)電網(wǎng)電壓下降15%時(shí)，電網(wǎng)輸入A相電壓Va_in和主變換器輸出A相電壓Va_out的波形如圖8所示。

當(dāng)電網(wǎng)電壓上升15%時(shí)，電網(wǎng)輸入A相電壓Va_in和主變換器輸出A相電壓Va_out的波形如圖9所示。

由圖8、圖 9可以證明，Delta型 UPS對(duì)電網(wǎng)電壓起到了穩(wěn)定的作用。

4.2 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)搭建了UPS實(shí)驗(yàn)電路，并做了單相的UPS實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的正確性。主變換器輸出實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。SPWM驅(qū)動(dòng)波形如圖11所示，上半部方波表示與電網(wǎng)電壓同步的方波，下半部的波形表示按照正弦規(guī)律調(diào)制的PWM驅(qū)動(dòng)波形。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)得到的波形基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓諧波的抑制和補(bǔ)償，主變換器能夠輸出純凈的正弦波，可為負(fù)載提供一個(gè)理想的交流穩(wěn)壓電源。

本文將DSP和ARM技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了Delta型UPS的全數(shù)字化控制，通過(guò)上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)UPS運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，解決了現(xiàn)有UPS工作效率低、穩(wěn)定性差、負(fù)載能力有限等問(wèn)題。經(jīng)PSIM仿真和實(shí)驗(yàn)基本驗(yàn)證了Delta型UPS對(duì)市電電壓、電流的調(diào)節(jié)和補(bǔ)償功能。

[1]劉維罡，沈頌華.Delta變換型UPS的控制策略及仿真研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，27(4)：14-18.

圖11 同步信號(hào)和SPWM信號(hào)

[2]徐海琦.基于 Delta逆變技術(shù)的UPS研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2007.

[3]劉俊萍.Delta型數(shù)字化 UPS系統(tǒng)的研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]李崇輝.UPS監(jiān)控的重要性及實(shí)現(xiàn)方法[J].UPS應(yīng)用，2007(1)：39-42.