（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）基于雙cpu的ups控制技術(shù)研究.pdf

基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研究 a b s t r a c t w i 也i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gm o r e a n dm o r eu p sa r eu s e d 1 1 l ed i g i t a l c o n t r o lt e n d st ob eo n eo f t h ep r o m i s i n gm e t h o d si nt h eu p sc o n t r o lt e c h n o l o g y 1 h s 也e s i sd i s c 璐s 船t h et h e o r i e so f d i g i t a ic o n t r o lo f u p s t h ep ) c o n t r o lo f o u t p u t v o l t a g ef e e d b a c k i se a s yt og i v ea t t e n t i o nt os t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e o f t h ec o n t r o l s y s t e m o u t p u tp e r f o r m a n c e o f i n v e r t e ro f u p si si m p r o v e dw h e nr m s o f o u t p u tv o l t a g e f c e d b a c ki sa d d e dt op i dc o n t r o ls y s t e m t h eh a r d w a r ea n ds o r w a r ei sd e s i g n e di no m e r t oa c h i e v et h ed i g i t “p ) c o n t r o lo f i n v e r t e ro f u p s s u p e r v i s i o nb a s e do n d s pa n dm c uf o ru p si sd i s c u s s e si nt h i st h e s i sa l s o 。w h i c h i n c l u d e sm a l f u n c t i o nm o n i t o r i n ga n d p r o t e c t i n g ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n u p sa n dp c a n dt h eh a r d w a r ea n ds o t h v a r eo fs u p e r v i s i o nf o ru p si sd e s i g n e d a n a l y s i s 。s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s h a v ev e r i f i e dt h es y s t e m sf e a s i b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t y 1 1 塘r e s e a r c h i nt h et h e s i sh a sd a v e da w a y f o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o ni nt h ed i g i t a lc o n t r o lo f u p s k e y w o r d s ：p o w e rc o n v e r t o r , u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y , i n v e r t e r , d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r , c o n t r o l ，a n ds u p e r v i s i o n i i 南京航空航天大學碩士學位論文 緒論 本章首先介紹了u p s 的發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)之上分析了數(shù)字化控制技術(shù)在u p s 中的應(yīng)用，主要分析了u p s 逆變器的數(shù)字化控制技術(shù)，以及數(shù)字化技術(shù)在u p s 監(jiān)控 中的應(yīng)用，最后介紹了本文主要的研究內(nèi)容。 1 1u p s 的發(fā)展趨勢 隨著社會的不斷發(fā)展，特別是計算機和互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，用電設(shè)備對供電質(zhì)量 的要求越來越高，與此同時隨著電網(wǎng)負荷日益增加，電壓過低，頻率不穩(wěn)，甚至突然 斷電的現(xiàn)象卻時有發(fā)生。為了確保用電設(shè)備的安全，不間斷電源( u p s ，u n i n t e r r u p t i b l e p o w e r s u p p l y ) 獲得了廣泛的應(yīng)用吣一。在市場需求的推動下，對u p s 的研究也日益 深入。u p s 的發(fā)展趨勢大致可以歸納為如下五點 1 8 , 1 1 1 4 】： 1 高可靠性，高輸入功率因數(shù)和高整機效率； 2 快速的瞬態(tài)響應(yīng)： 3 低電磁干擾； 4 智能化； 5 小型化。 為了適應(yīng)u p s 的發(fā)展趨勢，學者和工程技術(shù)人員進行了廣泛而深入的研究，提 出了提高u p s 性能的多種技術(shù)和方案，整體可以歸納如下 1 - 8 , 1 1 - 1 4 】： 1 采用先進的控制策略，采用數(shù)字化控制技術(shù)； 2 采用新的拓撲結(jié)構(gòu)，簡化主電路結(jié)構(gòu)； 3 采用新型功率器件； 4 采用軟開關(guān)技術(shù)； 5 采用新型封裝技術(shù)和封裝結(jié)構(gòu)。 其中，在u p s 中采用數(shù)字化控制技術(shù)已經(jīng)成為電源研究領(lǐng)域的一大熱點。數(shù)字 化控制成為u p s 一個必然的發(fā)展方向【2 t 5 6 j o l 。相比早期在u p s 中應(yīng)用的模擬控制， 數(shù)字化控制在u p s 中應(yīng)用具有如下的優(yōu)點： 1 易于采用先進的控制方法和智能控制策略： 2 易于實現(xiàn)智能化的系統(tǒng)監(jiān)控； 3 系統(tǒng)維護、升級方便： 4 易于組成冗余并聯(lián)系統(tǒng)。 基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研究 一 1 2u p s 的分類 為了便于后面的討論，這里首先給出u p s 的分類標準。市場上對u p s 的命名比 較混亂，比如后備式( o f f l i n e ) 、在線式( o nl i n e ) 、在線互動式( o n l i n ei n t e r a c t i v e ) 和d e l t a 變換型u p s 等。此處參考國際電工委員會( i e c ) 6 2 0 4 0 - 3 和等效的歐洲標 準e n v 5 0 0 9 1 3 標準，按照u p s 的結(jié)構(gòu)和運行原理進行分類 9 , t 2 】， u p s 可以分為如 下三類： ( 1 ) 被動后備式( p a s s i v es t a n d b y ) ( 2 )在線互動式( 1 i n e - i n t e r a c t i v e ) ( 3 )雙變換式( d o u b l ec o n v e r s i o n ) 1 被動后備式( p a s s i v es t a n d b y ) 被動后備式u p s 的定義是，逆變器是并聯(lián)連接在市電與負載之間，僅簡單地作為 備用電源使用，判定u p s 是否為被動式u p s 可依據(jù)以下兩點： ( 1 ) 市電供電正常時，負載直接由市電供電，逆變器不做任何電能變換，處于停 機待命狀態(tài)，蓄電池由獨立的充電器供電。 ( 2 ) 市電供電不正常時，負載由逆變器供電，逆變器起d c a c 變換器的作用。 被動后備式u p s 的工作原理示意圖如圖1 1 所示。 圖卜l 被動后備式u p s 工作原理示意圖 2 在線互動式( 1 i n e - i n t e r a c t i v e ) 在線互動式u p s 的定義是，逆變器是并聯(lián)連接在市電與負載之間，僅起后備電源 的作用，逆變器同時作為充電器給蓄電池充電。通過它的可逆運行方式，它與市電相 互作用，因此被稱為“互動式”。判定u p s 是否為在線互動式u p s 可依據(jù)下述兩點： ( 1 ) 市電供電正常時，負載由經(jīng)改良后的市電供電，同時逆變器作為充電器給蓄 電池充電。此時，逆變器起a c d c 變換器的作用。 ( 2 ) 市電供電不正常時，負載由逆變器供電，逆變器起d c a c 變換器的作用。 南京航空航天大學碩士學位論文 在線互動式u p s 的工作原理示意圖如圖1 - 2 所示。 圖i - 2 在線互動式u p s 工作原理示意圖 3 雙變換式( d o u b l ec o n v e r s i o n ) 雙變換式u p s 的定義是，逆變器是串聯(lián)連接在交流輸入與負載之間，電源通過逆 變器連續(xù)地向負載供電。因此，無論市電正常與否，只要負載始終由逆變器供電就是 雙變換式u p s 。 雙變換式u p s 的工作原理示意圖如圖1 3 所示。 圖卜3 在線式u p s 工作原理示意圖 此外，還有一種結(jié)構(gòu)較獨特的u p s ，稱為d e i 協(xié)u p s 。d e l t a - u p s 的核心思想是 將串聯(lián)交流穩(wěn)壓控制技術(shù)與脈寬調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，增加了一個d e l t a 變換器。 當市電供電正常的時候，轉(zhuǎn)換開關(guān)s l 接通，轉(zhuǎn)換開關(guān)s 2 斷開，市電通過補償變 壓器給負載供電，同時主變換器工作于整流狀態(tài)( a c 仍c ) 。主變換器的輸出一方面 給電池組充電，另一方面給d e l t a 變換器供電。d e l t a 變換器通過位于主供電通道上的 補償變壓器對不穩(wěn)定的市電電壓進行補償。此時，d e l t a - u p s 相當于一臺串聯(lián)調(diào)控型 的交流穩(wěn)壓電源。 當市電供電不正常的時候，轉(zhuǎn)換開關(guān)s l 斷開，轉(zhuǎn)換開關(guān)s 2 斷開，主變換器工作 二f 逆變狀態(tài)( d c a c ) ，將電池組提供的直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┙o負載。 基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研冗 一一_ 一 d e i r a - u p s 由于在市電供電正常時對負載的供電是由d e l t a 變換器實現(xiàn)的交流穩(wěn) 壓電源供電，因此不能劃歸為雙變換式u p s 。相對于雙變換式u p s ，d e l t a - u p s 工作 在市電供電正常的時候?qū)τ谑须婎l率波動，輸入電壓畸變，以及由于計算機非線性負 載可能產(chǎn)生的電流諧波對市電電網(wǎng)的污染沒有實質(zhì)性的改善。 d e l 協(xié)u p s 的工作原理示意圖如圖1 4 所示。 圖i - 4d e l t a - u p s 作原理示意圖 由上面對u p s 分類的介紹可以發(fā)現(xiàn)，雙變換式u p s 不管市電正常與否，向負載提 供的都是高質(zhì)量的正弦交流電。而后備式和在線互動式則是在市電異常時才向負載提 供高質(zhì)量的電源。所以，雙變換式u p s 在對供電質(zhì)量有高要求的許多領(lǐng)域獲得了廣泛 的應(yīng)用。 1 3 逆變器數(shù)字化控制技術(shù) 在u p s 的各個組成部分中，最關(guān)鍵的部分是逆變電路( d c a c ) ，它在很大程度 上決定了整個u p s 的性能。 隨著大規(guī)模集成電路a s i c 、現(xiàn)場可編程邏輯器件f p g a 及數(shù)字信號處理器d s p 技術(shù)的發(fā)展，為逆變器的數(shù)字化控制提供了良好的硬件基礎(chǔ)，與此同時，先進控制策 略的發(fā)展，為逆變器的數(shù)字化控制提供了理論基礎(chǔ)。 u p s 逆變器實現(xiàn)數(shù)字化控制可帶來以下好處i l0 1 ：減少控制元件數(shù)量，提高系 統(tǒng)抗干擾能力。設(shè)計和制造靈活，每臺電源間的一致性好。一旦控制方法改變，只 需要修改程序即可，無需變動硬件電路，大大縮短了設(shè)計周期?？梢圆捎酶冗M的 控制方法。輸出電能質(zhì)量好，可靠性高。便于實現(xiàn)智能控制。由于控制方法靈活， 便于幾臺u p s 的并聯(lián)運行控制，從而實現(xiàn)u p s 的并機。 為了實現(xiàn)u p s 逆變器數(shù)字化控制，各種各樣的離散控制方法成為研究的熱點， 如重復(fù)控制、無差拍控制、離散滑?？刂萍叭斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。下面對部分逆變器 數(shù)字化控制方法進介紹： 1 p i d 控制1 1 2 1 3 ，1 9 南京航空航天大學碩士學位論文 p i d 控制廣泛應(yīng)用于工程實踐之中，并在模擬u p s 逆變控制系統(tǒng)中獲得了良好 的應(yīng)用。p i d 控制具有如下的優(yōu)點： 1 ) 算法蘊涵了動態(tài)控制過程中現(xiàn)在、過去和將來的主要信息。其中，比例( p ) 代表當前的信息，起到校正偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速。積分( i ) 代表過去的信 息，消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。微分( d ) 代表未來的信息，起到超前 控制的作用，加快系統(tǒng)的瞬態(tài)過程。 2 ) p i e ) 控制算法在設(shè)計過程中不過分依賴系統(tǒng)參數(shù)，因此系統(tǒng)參數(shù)的變化對控 制效果的影響小，控制的適應(yīng)性好，有較強魯棒性。 3 ) p i d 算法已經(jīng)形成一套完整的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法。 4 ) 相對于其它一些控制方法，比如重復(fù)控制，無差拍控制，p i d 算法應(yīng)用于數(shù) 字化控制中，比較容易實現(xiàn)，運算量相對較小，在實際應(yīng)用中可以使處理器在較短的 處理時間內(nèi)完成控制算法的計算。 早期的逆變器數(shù)字化p i d 控制，由于受到處理器運算能力的限制，對于逆變器的 控制采用單純利用輸出電壓有效值反饋或者輸出電壓瞬時值反饋，其性能存在不足之 處，特別是動態(tài)性能以及非線性負載的情況。許多學者和工程技術(shù)人員進行了大量的 研究，并把輸出電感電流及輸出濾波電容電流的瞬時值引入了控制系統(tǒng)，使得u p s 逆變器的輸出特性得到了很大的改善。 此外，針對傳統(tǒng)數(shù)字p i d 控制存在的問題，各種補償控制的思想也引入p i d 控 制的研究之中，同時其它控制策略的一些思想，比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等也不 斷引入其中，使得p i d 控制不斷得到發(fā)展。 2 重復(fù)控制( r e p e t i t i v ec o n t m l ) 1 1 3 , 1 4 , 2 0 l 逆變電源控制系統(tǒng)是一個指令為正弦信號的伺服系統(tǒng)，而不是一個恒值調(diào)速系 統(tǒng)。系統(tǒng)的擾動，即負載電流的變化，并非恒定值。當負載為線性時，負載電流按照 正弦規(guī)律變化；當負載為非線性時，負載電流按照非正弦規(guī)律變化。因此，在逆變器 的控制中采用p i d 控制的時候引入積分環(huán)節(jié)的控制效果十分有限，無論對于正弦指令 還是對于負載電流的擾動都無法實現(xiàn)無靜差跟蹤。此外，積分環(huán)節(jié)會帶來較大的相位 滯后，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 為了獲得對逆變電源輸出電壓波周期性畸變的抑制能力，從而改善輸出電壓的 波形，研究人員將重復(fù)控制應(yīng)用于逆變器的控制系統(tǒng)中。重復(fù)控制是基于內(nèi)模原理的 一種控制思想。其控制的思想是假定前一周期中出現(xiàn)的基波波型畸變將在下一個基波 周期的同一時間重復(fù)出現(xiàn)，控制器根據(jù)給定信號和反饋信號的誤差來確定所需的校正 信號，然后在下一個基波周期的同一時間將此信號疊加到原控制信號上，以消除后面 各周期中將出現(xiàn)的重復(fù)性畸變。 重復(fù)控制可以得到較好的穩(wěn)態(tài)性能，特別是當逆變器電源帶整流性負載的時候， 也能夠得到很好的輸出電壓波型。但是，由于控制系統(tǒng)的自身的局限性，系統(tǒng)的動態(tài) 基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研究 一 特性難于有較大的提高。為此，研究人員又提出了多種重復(fù)控制方案的改進方案，提 高系統(tǒng)的動態(tài)性能。 4 無差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) ” 無差拍控制是一種基于電路方程的控制方式，它根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反 饋信號來計算逆變器的下一個采樣周期的脈沖寬度。無差拍控制有著非?？斓乃矐B(tài)響 應(yīng)，當負載發(fā)生變化的時候，只要幾個開關(guān)周期就可以調(diào)整輸出電壓，輸出能夠很好 的跟蹤給定值，波型的畸變小。即使開關(guān)頻率不是很高，無差拍控制也能夠得到較好 的輸出波形。但是，無差拍控制也存在著缺點：1 ) 無差拍控制系統(tǒng)的魯棒性不強，當 負載變化、非線性負載或溫度、運行條件等原因出現(xiàn)的參數(shù)波動都可能造成系統(tǒng)的不 穩(wěn)定或者輸出性能變差；2 ) 系統(tǒng)的誤差與調(diào)制比、輸出的l c 等有關(guān)；3 ) 超調(diào)量較大。 5 滑模變結(jié)構(gòu)控制( s l i d i n g - m o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 ) “”刮 所謂變結(jié)構(gòu)控制是指在系統(tǒng)工作中，根據(jù)運行參數(shù)的變化使系統(tǒng)中環(huán)節(jié)之間的連 接方式發(fā)生變化，或者某些信號的極性發(fā)生變化，具有這種特征的控制系統(tǒng)均可以稱 為變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制是利用開關(guān)控制規(guī)則來使得被控系統(tǒng)的狀態(tài)到達 預(yù)期的滑動面( 超平面) 上“滑動”。 微處理器的應(yīng)用能夠減小滑模變結(jié)構(gòu)控制器的復(fù)雜性，但是連續(xù)滑?？刂破鞯脑O(shè) 計方法不能夠直接應(yīng)用于離散滑?？刂破鞯脑O(shè)計，微處理器的采樣可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的 震動或者系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。為了解決這個問題，離散滑?？刂评碚摣@得了發(fā)展。離散 滑模變結(jié)構(gòu)控制的最大優(yōu)勢是對參數(shù)變動和外部擾動不敏感，系統(tǒng)的魯棒性特別。加 上其固有的開關(guān)特性，使得它特別適合于電力電子的閉環(huán)控制之中。但同時也存在著 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)效果不佳、理想滑切面難于選取，控制效果受采樣率影響的缺點。 6 模糊控制( f u z z y c o n t r o i ) 1 2 3 , 2 4 1 模糊控制是一種智能控制策略，對于控制對象不需要精確的數(shù)學模型，卻能有效 的進行控制。復(fù)雜的電力電子裝置是一個多變量、非線性、時變的系統(tǒng)，系統(tǒng)的復(fù)雜 性和模型的精確性總是存在著矛盾，而模糊控制能夠在準確和簡明之間取得平衡，有 效的對復(fù)雜事物做出判斷和處理。近年來，它在電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了人們的 重視。 模糊控制具有如下優(yōu)點：1 ) 模糊控制器的設(shè)計過程中不需要被控系統(tǒng)精確數(shù)學 模型，模糊控制器有著有著較強的魯棒性和自適應(yīng)性：2 ) 查找模糊控制表只需要占 用處理器的很少時間，因而可以采用較高的采樣率來補償模糊規(guī)則和實際經(jīng)驗的偏 差。理論上可以證明，模糊控制可以任意精度逼近任何非線性函數(shù)，但是受到當前技 術(shù)水平的限制，模糊變量的分檔和模糊規(guī)則數(shù)都受到一定的限制，隸屬函數(shù)的確定還 沒有同一的理論指導(dǎo)，帶有一定的人為因素，因此模糊控制的精度有待于進一步提高。 南京航空航天大學碩士學位論文 ，一 7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制( n e u r a ln e t w o r k c o n t r 0 1 ) ” 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是近幾年來興起的一種智能控制方式，它模仿人的大腦實現(xiàn)對系 統(tǒng)的控制，具有很強的適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和多目標控制要求的自學習能力，并具有以任意 精度逼近任意非線性連續(xù)函數(shù)的特征。它適用于線性及非線性系統(tǒng)。通過實驗或者仿 真得到逆變器閉環(huán)控制所需反饋信號的數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習。對 于反饋信號的數(shù)據(jù)的獲得，不僅要有線性條件下的結(jié)果，還應(yīng)當包括非線性條件下的 結(jié)果。通過離線學習，可以獲得對于系統(tǒng)的最佳控制規(guī)律，再將這個控制規(guī)律用于實 際系統(tǒng)中。由于控制規(guī)律的獲得不依賴于系統(tǒng)模型，而且學習包含了各種情況，因此 系統(tǒng)的魯棒性很強。作為一種智能控制方式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在電力電子中的應(yīng)用正在 深入。 1 4l i p s 智能監(jiān)控 隨著全球計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，用戶對u p s 的功能提出了更多要求。為了保 證u p s 的可靠運行，除了將先進的數(shù)字化控制技術(shù)運用于逆變器控制，提高u p s 輸 出的交流電的質(zhì)量外，還需開發(fā)可靠的監(jiān)控技術(shù)，確保u p s 為網(wǎng)絡(luò)時代的供電設(shè)備 提供更完善的服務(wù)。u p s 的監(jiān)控通常包括u p s 故障的檢測及處理，u p s 的人機接口 以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。 u p s 故障檢測及處理就是通過檢測u p s 運行時的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，對出現(xiàn)的故障進 行及時的處理。相比模擬控制，數(shù)字控制系統(tǒng)能夠完成故障的自診斷，提高診斷的智 能化【2 】。利用處理器的邏輯判斷和數(shù)值運算功能，可以根據(jù)u p s 系統(tǒng)實時采樣的檢測 數(shù)據(jù)進行必要的處理和分析，對出現(xiàn)的故障類型和故障發(fā)生的部位做出正確的判斷， 提高了u p s 系統(tǒng)的智能性。雖然現(xiàn)階段的發(fā)展水平還不可能完全取代人工故障診斷， 但是數(shù)字技術(shù)在故障診斷中的應(yīng)用可以為人們的最終判斷提供有力依據(jù)，節(jié)省了解決 系統(tǒng)故障的時間。以電池組為例，已經(jīng)有大量文獻探討了通過對電池組電壓檢測數(shù)據(jù) 的分析，利用電池組本身的充放電特性曲線實現(xiàn)對電池組的充放電控制( 電池組的智 能管理) 2 6 ，2 7 o 與傳統(tǒng)的模擬控制或者人工檢測相比，采用了數(shù)字化控制技術(shù)之后， 電池組運行的可靠性提高，使用壽命延長。 出于u p s 應(yīng)用的日趨廣泛，使用的用戶不再僅僅局限于專業(yè)用戶，特別是作為 個人計算機使用的u p s ，應(yīng)當具有良好的人機接1 ：3 。在u p s 正常運行的時候，讓用 戶了解u p s 運行的基本數(shù)據(jù)和狀態(tài)。一旦出現(xiàn)異常情況，可以結(jié)合故障檢測及處理 模塊的判斷進行顯示和報警。此外良好的人機接口還可以讓專業(yè)維護人員更快、更準 確的了解u p s 運行的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，為快速準確的解決u p s 可能發(fā)生的故障提供幫助。 在局域網(wǎng)( l a n ) 中，用戶經(jīng)常要求服務(wù)器執(zhí)行大量的數(shù)字計算或訪問存儲在服 務(wù)器中的數(shù)據(jù)，如果服務(wù)器失效將嚴重影響網(wǎng)絡(luò)的安全。加入網(wǎng)絡(luò)的臺式機數(shù)量越來 越多，對交流電源的可靠性的要求日益增長。在這種情況下，需要加強u p s 的網(wǎng)絡(luò)監(jiān) 基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研冤 控功能。u p s 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的發(fā)展主要是加強u p s 與服務(wù)器上的軟件協(xié)同工作的能力，使 得u p s 除了完成最基本的不間斷供電功能外，還能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上事件記錄、故障告警、 u p s 參數(shù)自動測試分析、調(diào)節(jié)功能等?？梢灶A(yù)見，完善的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能力將成為u p s 的 新特點。 u p s 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主要完成的功能有： 1 ) 在u p s 運行時，當出現(xiàn)長時間的市電供電故障時，隨著故障時間的延長，u p s 會利用通信通道向由它供電的微機或者計算機網(wǎng)絡(luò)傳送因市電故障u p s 正在由電池 組供電。電池電壓偏低等報警信號。當電池組的端電壓快下降到其臨界電壓時，微機 或者計算機網(wǎng)絡(luò)會在u p s 發(fā)出的自動關(guān)閉操作系統(tǒng)命令的驅(qū)動下，自動完成將程序和 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入磁盤之后，再自動關(guān)閉操作系統(tǒng)的有序關(guān)機操作，從而達到確保用戶的軟件 和數(shù)據(jù)的安全可靠。 2 ) 可在微機或者計算機網(wǎng)絡(luò)的各種監(jiān)視平臺上實時監(jiān)控u p s 電源的運行。利用這 種監(jiān)控功能可以在微機或者計算機網(wǎng)絡(luò)的終端上實時監(jiān)視u p s 電源的運行參數(shù)( 如： 輸入、輸出電壓，輸出的電流，市電的頻率，u p s 電池組的充電、放電狀態(tài)以及電壓 值，u p s 的輸出功率，故障報警信號等) 此外，還可以在微機或者計算機網(wǎng)絡(luò)終端上 對u p s 的輸出執(zhí)行定時的自動開關(guān)機。 為了實現(xiàn)上述功能，部分u p s 提供r s 2 3 2 、r s 4 8 5 通信接口。對于能執(zhí)行計算機 網(wǎng)絡(luò)管理功能的u p s 來說，應(yīng)配置上簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n t p r o t o c o l ，s n m p ) 適配器或適配卡。 1 5 本文主要研究內(nèi)容 本文主要就u p s 的逆變器數(shù)字化控制技術(shù)和u p s 的監(jiān)控技術(shù)進行了研究，實現(xiàn) 了基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 和8 9 c 5 1 雙c p u 的u p s 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。 本文工作主要包括以下幾個方面：對u p s 逆變器數(shù)字化p i d 控制進行了理論分 析和仿真，在此基礎(chǔ)之上提出了逆變器電壓瞬時值和有效值雙閉環(huán)的控制方案。設(shè)計 了用于逆變器數(shù)字化控制的采樣調(diào)理電路，結(jié)合t m s 3 2 0 f 2 4 0 的硬件資源，通過軟件 實現(xiàn)了u p s 系統(tǒng)的緩起動和市電跟蹤，并改進了逆變器電壓瞬時值控制，通過引入 輸出電流中心值檢測，對反饋電壓進行補償，解決了逆變器輸出變壓器的偏磁問題。 對u p s 的監(jiān)控技術(shù)進行了介紹，設(shè)計了基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 和8 9 c 5 1 的u p s 監(jiān)控系統(tǒng)， 通過軟件實現(xiàn)了u p s 系統(tǒng)的故障檢測及處理、人機接口和網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控功能。 本文一共分為六章。 。 第一章緒論介紹選題的背景和意義。 第二章主要研究了單相雙變換式u p s 工作的原理，分析了單相雙變換式u p s 的 三種工作狀態(tài)，u p s 系統(tǒng)的緩起動，以及u p s 系統(tǒng)的市電跟蹤。之后進行了u p s 逆 變器數(shù)字化p i d 控制的理論分析和仿真。最后分析了如何實現(xiàn)u p s 的故障檢測和診 r 南京航空航天大學碩士學位論文 斷與智能監(jiān)控。 第三章介紹基于d s p 的u p s 逆變器數(shù)字化控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。首先介紹 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的最小系統(tǒng)的設(shè)計，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計了用于u p s 逆變器數(shù)字化控制 所需的外圍電路。在硬件的基礎(chǔ)上結(jié)合第二章關(guān)于u p s 數(shù)字化控制的理論和仿真設(shè) 計出實現(xiàn)l i p s 逆變器數(shù)字化控制的軟件模塊，并給出了軟件模塊的流程圖。 第四章具體研究了如何利用t m s 3 2 0 f 2 4 0 和8 9 c 5 1 實現(xiàn)u p s 的故障檢測和診斷， 以及人機接口和網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控功能。 第五章主要介紹了實驗系統(tǒng)的構(gòu)成，主要是逆變器模塊。并給出了在此實驗系統(tǒng) 下譬到的相關(guān)實驗波形。 第六章對全文的工作進行了總結(jié)，并就下一步工作進行了展望。 基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研究 第二章單相雙變換式u p s 數(shù)字化控制原理分析 雙變換式u p s 可以實現(xiàn)真正意義上的不間斷供電。本章首先介紹單相雙變換式 u p s 工作的原理，主要分析了單相雙變換式u p s 的三種工作狀態(tài)，u p s 系統(tǒng)的緩起 動。以及u p s 系統(tǒng)的市電跟蹤。之后進行了u p s 逆變器數(shù)字化p i d 控制的理論分析 和仿真。最后分析了如何實現(xiàn)u p s 的智能監(jiān)控。 2 1 單相雙變換式u p s 工作原理 2 1 1 單相雙變換式u p s 的三種工作狀態(tài) 典型的單相雙變換式u p s 電氣結(jié)構(gòu)圖如圖2 1 所示。該結(jié)構(gòu)u p s 為單相交流電 輸入、單相交流輸出，輸入輸出采用變壓器進行隔離。圖中的陰影框表示靜態(tài)開關(guān)。 整流器為全橋不控整流，逆變器為電壓型逆變器全橋結(jié)構(gòu)。后面主要針對該結(jié)構(gòu)的 u p s 進行原理分析。但是基本原理適用于其它結(jié)構(gòu)的u p s 。 圖2 - i 單相雙變換式u p s 電氣結(jié)構(gòu)圖 l n 單相雙變換式u p s 正常工作的時候，不論是由市電還是由蓄電池供電，其輸出 的交流電總是由逆變器提供，它可以分為如下三種工作狀態(tài)： 1 ) 正常供電狀態(tài) 2 ) 市電中斷狀態(tài) 3 ) 逆變器故障狀態(tài) 1 0 南京航空航天大學碩士學位論文 1 1 正常供電狀態(tài) 當市電供電正常而且逆變器也正常工作時工作狀態(tài)示意圖如圖2 - 2 所示。市電通 過輸入變壓器分為兩路，一路通過整流器之后輸入逆變器，逆變器將輸入的直流電壓 轉(zhuǎn)換為正弦電壓供給負載。另一路通過充電器給電池組充電。此時供給負載的是高質(zhì) 量的交流電。 電池組 圖2 2 市電正常時雙變換u p s i 作原理示意圖 2 ) 市電中斷狀態(tài) 當市電供電中斷而逆變器正常工作時工作狀態(tài)示意圖如圖2 3 所示。由于市電中 斷，逆變器的直流輸入由蓄電池輸出取代了整流器的輸出。市電供電到由蓄電池供電 的轉(zhuǎn)換時間為零，不會影響對負載的供電。同時u p s 顯示告警信號，表明市電中斷， 負載由蓄電池維持供電。此時供給負載的仍然是高質(zhì)量的交流電，但是由于電池的容 量有限，不可能長時間為負載供電，如果維持的時間超過電池供電的最長時間，逆變 器將自動關(guān)閉，保護電池組以避免其過度放電。此時對負載的供電將中斷。 電池組 圖2 3 市電中斷時雙變換式u p s i 作原理示意圖 3 ) 逆變器故障狀態(tài) 如果逆變器發(fā)生故障不能工作，而市電正常，那么通過靜態(tài)開關(guān)切換到市電，通 過市電對負載供電，同時告警，提示管理人員進行維修。此時供給負載的是沒有經(jīng)過 處理的市電，其質(zhì)量不如逆變器輸出的交流電質(zhì)量好。如果在逆變器故障而市電供電 也不正常時，靜態(tài)開關(guān)將不進行切換，逆變器直接關(guān)閉，同時發(fā)出警報，此時對負載 基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研究 一一 的供電中斷。逆變器故障而市電正常時即市電旁路時工作狀態(tài)如圖2 - 4 所示a 電池組 圖2 4 市電旁路時雙變換式：u p s i 作原理示意圖 2 1 2u p s 系統(tǒng)的緩起動 u p s 系統(tǒng)在起動的時候，為了避免電壓( 電流) 上升太快，造成對功率器件過大 的沖擊而導(dǎo)致電路故障，在u p s 的開機階段有一個緩起動過程。緩起動過程的示意 圖如圖2 5 所示： 逆壹囂輸 出電壓 開機靜態(tài)開關(guān)切換 ， 電舟電壓供電 、， 逆變墨供電 f 邶酗7 冊71 、。 j 圖2 5u p s 系統(tǒng)緩起動過程示意圖 如圖所示，可以將緩起動過程劃分為4 個過程： 1 ) t 1 段，u p s 系統(tǒng)接通電源，但是逆變器還沒有開始工作，整個系統(tǒng)處于開機 后的起動延時階段，以此保證各輔助電源有充足的時間進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。 2 ) t 2 段，逆變器開始工作，但是逆變器輸出電壓的幅度是由小慢慢變大的，這 樣可以避免電壓電流過大的瞬態(tài)沖擊。 3 ) t 3 段，逆變器輸出電壓穩(wěn)定在個固定的幅值上，此幅值略低于電網(wǎng)電壓幅 值，為靜態(tài)開關(guān)的切換做好準備。 4 ) t 4 段，靜態(tài)開關(guān)切換后，u p s 系統(tǒng)輸出由電網(wǎng)電壓供電改為逆變器輸出供電。 在切換到逆變器輸出之后，逆變器輸出的電壓有一個小幅度的調(diào)整( 上升或者下降) ， 最終穩(wěn)定在額定值。 南京航空航天大學碩士學位論文 在t 4 段中涉及到靜態(tài)開關(guān)的切換，靜態(tài)開關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2 - 6 所示。它主要由一個 繼電器( k t ) 和一個雙向可控硅( t r i a c ) 組成。 圖2 - 6 靜態(tài)開關(guān)結(jié)構(gòu)圈 在u p s 緩起動的t l t 3 時期，圖中所示的繼電器k t 的常閉觸點1 和3 是接通 的，當要完成輸出供電由市電到逆變器的切換的時候，繼電器k t 的開關(guān)由1 和3 接 通改為2 和3 接通，但是由于繼電器開關(guān)的轉(zhuǎn)換是需要時間的，也就是說從觸點l 轉(zhuǎn)換到觸點2 需要一段時間，此時就會發(fā)生輸出即不由市電供電也不由逆變器供電的 情況，為了保證在靜態(tài)開關(guān)切換的過程中負載供電不間斷，在繼電器開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中 雙向可控硅t r i a c 是導(dǎo)通的，繼電器的轉(zhuǎn)換時間通常不會超過半個市電周期( 1 0 m s ) ， 因此對t r i a c 的觸發(fā)信號也不需要維持，只要觸發(fā)t r i a c 導(dǎo)通工作半個市電周期就 可以了，之后t r i a c 自動關(guān)斷。靜態(tài)開關(guān)工作的時序圖如圖2 7 所示。 麓點1 和3 艟點2 和3 t r i c 負載供電 整電暑開關(guān)切換 l 一 _ l l 廠一 _ 圖2 - 7 靜態(tài)開關(guān)切換時序圖 這里要特別說明，由于在靜態(tài)開關(guān)切換的過程中，有一段時間逆變器的輸出和市 電直接相連，因此要求逆變器輸出電壓要略低于市電電壓。之所以要逆變器電壓低于 市電電壓，這是因為逆變器可以等效為電網(wǎng)的負載，由于逆變器內(nèi)阻的存在，會產(chǎn)生 環(huán)流，但是該環(huán)流存在的時間短，幅值限定在一定的范圍內(nèi)，不會影響逆變器的正常 工作；但如果反過來，將電網(wǎng)作為逆變器的負載，而電網(wǎng)功率近似為無窮大的，必將 使逆變器輸出電流過大被燒毀或者通過保護裝置被關(guān)閉。因此靜態(tài)開關(guān)的切換過程是 一個需要認真設(shè)計的地方。 2 1 3u p s 系統(tǒng)的市電跟蹤 u p s 系統(tǒng)的市電跟蹤是指逆變器的輸出電壓的頻率和相位與市電電壓保持一致 市電跟蹤主要通過鎖相環(huán)技術(shù)來實現(xiàn)。 通 斷避 斷通 斷通 斷 基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研究 ，一 當u p s 開始運行的時候，由上一節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn)，當u p s 執(zhí)行市電交流旁路 供電到逆變器供電操作時，有兩路不同的交流電源同時出現(xiàn)在繼電器的常開觸點和常 閉觸點上，會因為兩種交流電源的瞬態(tài)電壓值不同而形成“環(huán)流”，即有一部分電流 在市電電網(wǎng)與逆變器之間流動，而不流向負載。同樣的，當負載過重的時候，u p s 要執(zhí)行由逆變器到市電的切換。這兩種切換過程，都必須保證逆變器輸出電壓略低于 電網(wǎng)電壓。這里特別強調(diào)略低于是因為如果電壓差值過大，必將會導(dǎo)致過大的環(huán)流。 理想情況應(yīng)當是逆交器輸出電壓和電網(wǎng)電壓具有相同的幅值，但是由于電壓是交變 的，除了考慮幅度因素之外還需要考慮頻率和相位因素，因此不可能做到兩者電壓幅 值完全一樣，如圖2 8 所示為由于幅度不同或者頻率相位不同在靜態(tài)開關(guān)切換過程中 產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓差。如果僅由電壓幅度差產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓差，易于保證逆變器始終作 為市電的負載。但是由相位差產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓差就可能存在市電作為逆變器負載的情 況，這種情況是不允許的。 t lt 2 兩蘑變漉電的帽位差 產(chǎn)生的蠢匝差 ，市電青路 ，一連壹 l t 一略空蠢電一的度差 產(chǎn)生的謇電壓差 圖2 - 8 靜態(tài)開關(guān)切換時的瞬態(tài)電壓差 為了盡量減小切換過程中的電壓差，同時避免出現(xiàn)市電作為逆變器負載的情況， 就需要提高市電跟蹤的精度，保證逆變器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓頻率和相位保持一 致，在此基礎(chǔ)之上調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓比電網(wǎng)電壓略低，確保安全可靠的靜態(tài)開關(guān) 切換。此外，當u p s 多機冗余并聯(lián)的時候，除了前面考慮的逆變器和市電切換的過 程之外，更多的還要考慮u p s 之間切換的情況( 冗余并聯(lián)系統(tǒng)中u p s 加入或者撤出 系統(tǒng)) 可能存在的環(huán)流以及對負載的沖擊【n 】。 在u p s 中實現(xiàn)市電跟蹤，需要采用鎖相環(huán)技術(shù)。鎖相環(huán)( p h a s e l o c k e dl o o p ， p l l ) 是一個閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動跟蹤輸入信號的頻率和相位。 u p s 系統(tǒng)最初使用的是模擬鎖相環(huán)，一般的模擬鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖所示，由鑒相 器( p d ) 、低通濾波器( l p f ) 和壓控振蕩器( v c o ) 組成。鑒相器的輸入是壓控振 蕩器的輸出信號v 。( t ) 與電網(wǎng)電壓的采樣信號v i 。( t ) ，鑒相器的輸出是誤差信號v c ( t ) ， 該信號是鑒相器輸入的兩個信號相位差的線性函數(shù)。低通濾波器的作用是濾除誤差信 號v 。( t ) 中的高頻成分和噪聲，v 。( t ) 經(jīng)過低通濾波器后輸出v 。( t ) 。在v 。( t ) 的控制下， 圖2 1 l s p w m 采樣規(guī)則示意圖 基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研究 _ _ _ _ 一 圖中0 點是三角波一個周期的中點，b 點為0 點對應(yīng)的時刻在正弦波上的點，d 點和c 點是正弦波與三角載波的交截點。d f 垂直于b 0 ，a g 平行于d f 。p w m 脈沖 寬度由圖中的c 、d 確定稱為自然采樣 2 9 】；如果在一個三角波載波周期采樣兩次，生 成由d 、e 點和b 、g 點確定的p w m 脈沖，稱為不對稱規(guī)則采樣；如果采用d 點和 f 點確定脈沖寬度稱為對稱規(guī)則采樣；而如果采用a 、g 點確定的p w m 脈沖，稱為 平均對稱規(guī)則采樣。在數(shù)字控制中，由于控制器的運算速度限制，難于進行實時的正 弦計算，而是采用事先離線算好的離散的點代替正弦波u c s i n ( ) t ，由軟件或者硬件定 時器進行定時，確定什么時候“交截”，即改變p w m 輸出的極性( 電平高低) 。因此， 以上三種采樣最適合數(shù)字控制的就是平均對稱規(guī)則采樣，這是因為平均對稱規(guī)則中作 為和三角載波“交截”的正弦波的點對應(yīng)的時刻是相對固定的，易于通過離線計算獲 得。單相u p s 逆變器的主電路最常用的結(jié)構(gòu)有全橋電路和半橋電路兩種，如圖2 1 2 所示。 。函墨i ! 矗蘭! ?！癷 ! 矗蘭王。 單相全撟單相半轎 圖2 一1 2 逆變器主電路結(jié)構(gòu) 采用全橋電路由于存在零電壓的續(xù)流狀態(tài)，可以獲得更好的諧波控制【3 們，而且可 以工作于倍頻方式，橋臂電壓的頻率是開關(guān)頻率的兩倍，但是全橋電路需要四個功率 開關(guān)；采用半橋電路可以節(jié)省一半的功率開關(guān)，驅(qū)動簡單，成本低，但是只能工作于 同頻工作方式，橋臂電壓的頻率和開關(guān)頻率相同。全橋電路適合于中大容量的情況， 半橋電路適合于小容量的場合。 對于單相全橋逆變器來說，其s p w m 方式又分為單極性和雙極性調(diào)制。兩種調(diào) 制方式的示意圖如圖2 1 3 。 三一 s # 二蟮二j 斗 s ：j口口e i i ；i v j 尋f 矸：。 ( 0 算咖簟攝性調(diào)制示霉田( b ) 印積極性調(diào)制示慧圈 圈2 1 3s p w j l 單極性與雙極性調(diào)制示意圖 山 瓤 南京航空航天大學碩士學位論文 一一 如單相全橋電路所示，如果s l 和s 4 由一個信號控制，而s 2 和s 3 由另一個信 號控制，兩個信號相位反相，這種控制方式叫做雙極性調(diào)制。如果四個開關(guān)管用四個 不同的信號控制，其中s 1 的控制信號由一正弦波u , s i n6 0 t 與三角波交截得到，s 2 的 信號為s l 反相的信號；s 3 的控制信號由- - u c s i n t 與三角波交截得到，s 4 的信號為 s 3 信號的非信號，這種控制方法稱為單極性調(diào)制。 如果母線電壓為e d 和一e d ，按單極性調(diào)制方式，則逆變器的輸出在半個周期之 內(nèi)為正的電壓脈沖，沒有負的電壓脈沖；在另外半個周期內(nèi)為負的電壓脈沖，沒有正 的電壓脈沖。如果采用雙極性調(diào)制，則在任意半個周期中都由正負電壓脈沖，不存在 零電壓狀態(tài)。在后面的逆變器控制中，采用了單極性調(diào)制s p w m 方式。 2 2 2 單相u p s 逆變器開環(huán)特性分析 逆變器的動態(tài)特性主要由l c 濾波器和其相連的負載決定，由于u p s 負載的多樣 性。不可能形成一個一般的公式來覆蓋各種負載的特性。因此對于u p s 逆變器的開 環(huán)特行這里討論在線性負載下的情況，可以將負載的變化和模型的不精確性作為一種 特殊的負載干擾。逆變器主電路如圖2 1 4 所示。 圖2 - 1 4 逆變器主電路模型 其中r l 為濾波電感的等效串聯(lián)阻抗，r c 為濾波電容的等效串聯(lián)電阻，v b 。為直流 母線電壓，v i 為輸入電壓，v 。為輸出負載電壓，以v c 和i l 為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為： v o = 贍劉r + r cm v c 沼t ， 時 一生堡墨( 魚墊2 l ( r + r c ) 1 c 0 + r c r )竇磚臥 沼z ， v 對輸出電壓v 。的傳遞函數(shù)為： ( j 。( s ) ：娑_ ；堡墾豎墾( 2 - 3 )、 v ( s ) l c ( r + r e ) s 2 + 【l + ( r l + r c ) r c + r l r e c s + r + r l 。 空載時輸出阻抗為： “s 卜醬= 警篙赭 ( 2 4 ) 基于雙c p u 的u p s 控制技術(shù)研究 ，一 分析g l ( s ) 可以發(fā)現(xiàn)，考慮r c 之后只是在復(fù)半平面左邊增加了一個零點2 c = 一1 ( r c c ) ， 由于r c 是很小的，因此z c 是一個遠離虛軸的零點，對系統(tǒng)的性能影響是很小的a 當 r c 和r l 忽略的時候，即令r c = o ，r l ：o 的時，式( 2 - 3 ) ，( 2 4 ) 司以簡化為： g l ( s ) = 器= 而而r ( 2 - 5 ) z o ( s ) = 醬= 麗l s ( 2 _ 6 ) 當l - - - - 3 8 m h ，c = 6 0 u f ，r l = o 6q ，r c = o iq ，r = 1 2 1q 時，分別對考慮r l 和r c 以 及忽略它們的l c 濾波器特性進行分析比較，如圖2 - 1 5 所示，令r c = o ，r l = o 并不會 影響分析l c 濾波器的性能。 l c f l l ( e r b o d e d l a g n m m q -+ 卜 十 一卜十卜 + 斗十 卜：- i i 卜 一 + ：= ：。二 一 = 4 ；| h - ；：二；：；：；一；一：；厶；r = = = = = = = 墨干： - i - - - ；” 1 1 r p ”咐卅一吣i i - i 4 i i ? ；* 矧弘“# 淳o ；? 劃； 1 0 i1 0 51 0 1 0 i ：r e q u e n c y 舾日 圖2 - 1 5l c 濾渡器的幅頻特性 對于公式( 2 - 5 ) ，諧振的時候，有c o 。l = 七 ，其諧振頻率為 c o 乙 廠廣 c o o2 、面 諧振時特征阻抗為： 扣去= 捂 以c o0 為基準的相對表達式為： 。：竺，r ：墨 ( 0 0p g 。( s ) ：1 l s s 1 c o o + ( o o r + l 對于式( 2 1 0 ) ，令s - jc o ，j2 = 一l ，幅相特性相對值表達式為： ( 2 7 ) ( - 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) rrlf卜llr廣r亡礦 蚰柚。塒加腳