數字化Delta型UPS的設計與實現

汪玉鳳 ，劉翹楚 ，韓 陽 ，趙 銳

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

隨著國民經濟的迅猛發展，各種各樣用電負載的增加對電網造成的壓力越來越大。非線性負載、沖擊性負載、波動性負載在工業現場中的廣泛應用使電網中存在的問題越來越多，也越來越復雜。與此同時，各種復雜和精密的用電設備對電能質量的要求也越來越高。不間斷供電電源(UPS)具有穩壓、穩頻、抗干擾、防止浪涌等功能，在電網停止供電時，可對負載進行短時供電[1]。因此，UPS日益成為重要負載設備不可或缺的配套設施。

本文介紹的數字化Delta型UPS是通過不斷改進UPS的算法使得UPS的性能越來越好，與現有UPS相比，克服了其損耗大、工作效率低、穩定性差等缺點，使各項性能指標均得到了很大的提高。因此，Delta型UPS具有很大的市場價值與理論研究意義。

1 Delta型UPS的電路結構及工作原理

Delta型UPS主要由串聯補償變壓器、Delta變換器、主變換器、主靜態開關、旁路靜態開關和蓄電池組等部分組成。其電路結構圖如圖1所示。

Delta型UPS與傳統的后備式、在線互動式、雙變換在線式UPS相比，具有以下優點：整機效率高，功率余量大，可雙向四象限工作，可對市電電壓波動值進行正負補償?？奢敵龈咝阅苤笜说慕涣麟娫?。

Delta型UPS共有3條供電通道向用戶的負載供電，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→主靜態開關→串聯補償變壓器→負載。

市電供電正常時：當市電電壓在380 V±15%范圍內波動時，如圖2(a)所示。不穩定的市電電源經主供電通道向用戶負載供電，同時輸出電壓通過Delta變換器對補償變壓器進行負反饋調節，使Delta型UPS輸出的電壓精度在±1%的范圍內。

(2)主變換器供電通道：蓄電池組→主變換器→負載。

市電供電不正常時：當市電輸入的電壓波動超過±15%時，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負載供電。

(3)交流旁路供電通道：市電電源→旁路靜態開關→負載。

交流旁路供電狀態：當Delta型UPS在運行過程中遇到輸出過載或輸出短路、主變換器或Delta變換器故障、溫升過高等情況之一時[2]，主靜態開關關斷，無論市電供電正常與否，市電電源將直接經旁路送到用戶的負載上。

2 系統硬件設計

為了提高系統的人性化設計、提高人機交互和通信的能力，本文采取DSP和ARM相結合的方式實現了Delta型UPS的全數字化。DSP控制兩個變換器協調工作，完成預定的算法。ARM完成UPS的通信和人機交互任務。

2.1 主電路設計

本文設計的Delta型UPS采用三相三線制。系統指標：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，對電網電壓基波偏差和諧波進行補償。

(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，并聯在UPS的輸出端。

(3)蓄電池組：由兩組電池串聯供電，為UPS提供持續的能量。

(4)靜態開關：由晶閘管組成，DSP對其進行控制。主靜態開關用于連接市電和UPS輸入，旁路靜態開關用于市電和UPS輸出的切換，手動開關用于維修調試。

2.2 控制電路設計

本文采用TMS320F2812數字信號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技術和基于DQ坐標變換的指令信號檢測方法。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值比較的控制方法，DSP通過調用相應的控制算法產生PWM驅動信號使Delta變換器和主變換器工作。當負載電壓高于標準電壓時，主變換器吸收功率，工作在整流狀態，進行負補償；當負載電壓低于標準電壓時，主變換器輸出功率，工作在逆變狀態[3]。

CPLD選擇Altera公司的復雜可編程邏輯器件EPM3256ATC144-7。CPLD完成電平轉換和外設擴展，DSP完成數據采集、數據處理(指令信號的生成)、系統保護等功能，并按補償量的要求給兩個變換器提供脈寬信號驅動，協調變換器工作。

2.3 人機交互和通信電路設計

ARM在本文設計的Delta型UPS系統中完成通信和人機交互的功能。選擇三星公司ARM9內核的S2C2440A作為人機交互和通信的核心芯片。其結構圖如圖5所示。

ARM完善了UPS的網絡監控功能，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、負載狀況等信息顯示出來[4]，方便了工作人員對系統的管理與維護。

3 軟件設計

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

本文選擇TMS320F2812作為算法實現的核心，主要實現A/D采集控制、SPWM信號產生、數值PI調節、鎖相跟蹤控制、DQ變換反變換、數字濾波等。ARM部分主要實現人機交互和通信。軟件平臺選擇微軟公司專門為嵌入式系統設計的操作系統WINCE5.0。人機交互界面使用美國NI公司的LabVIEW編程實現。

程序的總體思想是用中斷實現前臺關鍵和周期性的任務（如 PWM、A/D），后臺實現對實時性能要求不高的任務(如ARM系統的通信、對故障的處理)。程序主流程圖如圖6所示。

ARM平臺上移植了微軟公司的WINCE系統，使用LABVIEW作為上位機人機界面和通信程序的開發平臺。

4 實驗與仿真

4.1 系統仿真

圖6 主程序流程圖

本文選用PSIM9.0作為仿真軟件，PSIM是專用于電力電子仿真的軟件。系統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。

當電網電壓下降15%時，電網輸入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。

當電網電壓上升15%時，電網輸入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對電網電壓起到了穩定的作用。

4.2 實驗

根據本文設計搭建了UPS實驗電路，并做了單相的UPS實驗，驗證了理論設計的正確性。主變換器輸出實驗波形如圖10所示。SPWM驅動波形如圖11所示，上半部方波表示與電網電壓同步的方波，下半部的波形表示按照正弦規律調制的PWM驅動波形。

實驗結果表明，實驗得到的波形基本上實現了對電壓諧波的抑制和補償，主變換器能夠輸出純凈的正弦波，可為負載提供一個理想的交流穩壓電源。

本文將DSP和ARM技術相結合，實現了Delta型UPS的全數字化控制，通過上位機界面實現了對UPS運行狀態的監控，解決了現有UPS工作效率低、穩定性差、負載能力有限等問題。經PSIM仿真和實驗基本驗證了Delta型UPS對市電電壓、電流的調節和補償功能。

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

圖11 同步信號和SPWM信號

[2]徐海琦.基于 Delta逆變技術的UPS研究[D].南寧：廣西大學，2007.

[3]劉俊萍.Delta型數字化 UPS系統的研究[D].株洲：湖南工業大學，2007.

[4]李崇輝.UPS監控的重要性及實現方法[J].UPS應用，2007(1)：39-42.