傳感器在UPS逆變器并統(tǒng)中的應(yīng)用

引言 
為了向關(guān)鍵負(fù)載提供純凈、高性能、高可靠性的電源，UPS越來越廣泛的用于銀行、證券、航空和軍事等重要部門。同時，越來越多的民用場合也開始使用UPS來保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前國內(nèi)大容量的UPS將達(dá)到9000臺/年的需要，并以15%以上的速度增長。市場客觀,前景很好。為了提高系統(tǒng)的冗余性，UPS并聯(lián)方案成為技術(shù)和市場的熱點。在逆變器并統(tǒng)中，各個模塊分擔(dān)負(fù)載電流、便于能量分配；具有冗余功能，系統(tǒng)可靠性高；同時具有易于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、良好的維護(hù)性等優(yōu)點。如何減小環(huán)流是逆變器并聯(lián)技術(shù)的重點和難點。在各種并聯(lián)方案中，基于電流瞬時值的均流控制策略，由于具有電壓調(diào)整率好、動態(tài)響應(yīng)快、均流效果佳，而被廣泛的研究和應(yīng)用。 
 
2 逆變器并聯(lián)方案 

                                圖1基于電流瞬時值控制的逆變器并統(tǒng)框圖 


基于電流瞬時值均流控制的逆變器并統(tǒng)框圖如圖1所示。每臺UPS的逆變器的功率輸出線直接連在一起后向負(fù)載提供能量。同步母線向單臺UPS提供同步信息，保證正弦波基準(zhǔn)的同頻、同相。逆變器的輸出電流采樣通過均流控制單元產(chǎn)生均流環(huán)基準(zhǔn)信號，均流基準(zhǔn)信號與每臺逆變器的輸出電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，然后把誤差信號疊加到單臺逆變器的電壓環(huán)上，實現(xiàn)UPS并統(tǒng)的無環(huán)流輸出，保證每臺UPS輸出相同功率,實現(xiàn)負(fù)載均分。 

                                       圖2雙環(huán)控制下的單臺逆變器控制框圖 

單臺逆變器控制方案中，可以采用電壓單環(huán)控制、電感電流雙環(huán)控制、電容電流雙環(huán)控制等方案。由于電感電流雙環(huán)控制具有動態(tài)響應(yīng)快、系統(tǒng)靜差小、自動限流功能。因此，本文研究中采用電感電流控制方案，控制框圖如圖2所示。其中Lf、Cf、Rf分別是輸出濾波器的電感、電容和電感的寄生電阻；Gvcmp(S)和Gicmp(S)分別是電壓環(huán)調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)和電流環(huán)調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)；M是脈寬調(diào)制電壓比例增益；Kif、Kvf分別是電流環(huán)和電壓環(huán)反饋系數(shù)。為了解耦單臺逆變器和負(fù)載的關(guān)系、便于并聯(lián)分析，輸出電流當(dāng)作擾動處理。通過戴維南變換，單臺逆變器可以用電壓源Vsysoj和輸出阻抗Zoj所組成的等效電路替代，正如圖1中所示。 
3 電路實現(xiàn) 
全橋電路由于其開關(guān)管電壓應(yīng)力低、控制方法靈活多樣而被普遍采用為逆變器的主功率電路，如圖3所示。其中S1、S2、S3、S4為IGBT功率管，在并統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，功率電路和控制電路一般不共地。 

                                               圖3全橋逆變器功率電路框圖 

圖3中的V1為輸出電壓采樣點。對于輸出電壓采樣一般有工頻變壓器采樣、差分電路采樣和電壓JCE采樣。工頻變壓器體積大、失真度大、不能傳遞直流信號，因此不適合高精度采樣場合; 差分電路雖然簡單，方便，但是并沒有實現(xiàn)真正的隔離，因此也不適用與并聯(lián)場合。電壓JCE由于其高精度、高可靠性、隔離性好而用于輸出電壓采樣。C1、C2為電流采樣點。其中C1為電感電流采樣點，用于逆變器的電感電流內(nèi)環(huán)控制，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和實現(xiàn)過流保護(hù)；C2為輸出電流采樣點，作為均流環(huán)控制,實現(xiàn)系統(tǒng)的無環(huán)流輸出。 
作為理想交流供電電源的逆變電路的輸出電壓應(yīng)為正弦波，不含有直流分量。但實際上，對于采用SPWM調(diào)制技術(shù)的逆變器，由于基準(zhǔn)正弦波的直流分量、控制電路中運算放大器的零漂、開關(guān)器件不一致以及驅(qū)動脈沖分配和死區(qū)時間的不對稱等原因，造成輸出電壓含有直流分量. 在逆變器并統(tǒng)中，直流分量電壓將會造成很大的直流環(huán)流，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的均流性能，降低并統(tǒng)的可靠性。因此,在實際應(yīng)用中，必須消除輸出電壓中的直流分量。 

Uo是逆變器的輸出電壓，通過兩級RC低通濾波器組成的二階濾波電路，濾除交流成分。 
該二階濾波電路的傳遞函數(shù)為：

為了濾除交流電壓成分，一般而言，RC濾波器的極點設(shè)置遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸出電壓的基波頻率。 

(b) 滿載下并聯(lián)波形(Io1:10A/div; Io2:10A/div; Io1-Io2:10A/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:10ms/div) 

集成運算放大器IC1、R4、R5、C3為比例積分電路，為了不對逆變器的控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，直流分量調(diào)理環(huán)路的帶寬應(yīng)遠(yuǎn)低于逆變器電壓環(huán)的帶寬，因此積分常數(shù)需取值較大，比例常數(shù)則需考慮后級光耦的增益作綜合考慮加以選取。如果逆變器輸出含有正的直流分量，則IC1的輸出為一個正的直流電壓值；如果輸出含有負(fù)的直流分量，則IC1的輸出為一個負(fù)的直流電壓值。 
集成運算放大器IC2與光耦組成一個隔離型的比例放大器，實現(xiàn)隔離。當(dāng)直流分量為正時，IC2驅(qū)動OPT2，在電阻R7上產(chǎn)生一個負(fù)電壓；當(dāng)直流分量為負(fù)時，IC2驅(qū)動OPT1，在電阻R7上產(chǎn)生一個正電壓。由此可見，光耦的輸出與直流分量成負(fù)比例關(guān)系，R7上的電壓可以直接疊加在基準(zhǔn)正弦波信號上，從而消除直流分量。 

(c) 整流橋試驗波形(Io1:10A/div; Io2:/div; Io1- Io2:/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:5ms/div) 
圖5 試驗波形   
4 實驗結(jié)果 
為了驗證前面分析的正確性，兩臺1kW，220V輸出的并統(tǒng)。其中電壓JCE用L25P，電感電流和輸出電流均采用AP。L25P具有出色的精度，良好的線性度，低溫漂，*的反應(yīng)時間，寬頻帶，無插入損壞，抗*力強的優(yōu)點。AP具有精度高，線性度好，過流能力強和隔離性好的特點。 
圖5(a)是輸出電壓和基準(zhǔn)正弦波實驗波形，輸出電壓的THD為0.6％，基準(zhǔn)正弦波的正弦度較好，圖5(b)是2KW滿載情況下的實驗波形；圖5 (c)為整流橋負(fù)載下的實驗波形。從實驗結(jié)果可以看出，在不同的負(fù)載條件下，輸出電壓穩(wěn)定，內(nèi)部環(huán)流很小，具有很好的穩(wěn)定性和快速的動態(tài)響應(yīng)。在帶線性負(fù)載時，輸出直流分量為0.1V，帶RCD整流橋非線性負(fù)載時，輸出電壓的直流分量為0.3V，系統(tǒng)的直流分量很小，能夠滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求。 

5 結(jié)論 
UPS的市場需求越來越大，但是對UPS系統(tǒng)性能的要求也越來越高。UPS并聯(lián)方案越來越受到市場的青睞。JCE傳感器由于其隔離性好，精度高，線性度好，反應(yīng)時間快和溫漂低的優(yōu)點廣泛的應(yīng)用與UPS的電壓和電流采樣場合。本文分析了逆變器并聯(lián)方案的特點和技術(shù)實現(xiàn)方案。實驗結(jié)果標(biāo)明，系統(tǒng)的輸出電壓直流分量小，輸出電壓THD小，波形質(zhì)量好，并聯(lián)后環(huán)流小，動態(tài)響應(yīng)良好，能夠很好的滿足工業(yè)要求。