多制式模块化绿色UPS电源技术

一、前言

近年来，国家在“信息化带动产业化”及“节能减排低碳经济”的方针指引下，我国各企事业单位的信息化建设步伐大大加快，这使得UPS的市场需求量逐年快速增长。随着节能减排的政策要求UPS技术的迅猛发展，UPS技术本身也在不断的进步着。目前广泛应用的传统型UPS存在着诸多的问题，主要表现在：

1.运行效率低下，普遍轻载效率低于80%。

2.采用工频变压器等元件将消耗大量的钢材和铜，成本高、体积笨重。

3.普遍采用了不控或相控整流器，其输入功率因数随负载的降低而降低，并产生大量的谐波电流注入电网。

4.可用性差，单机不能冗余运行，可靠性低，故障率高，维护难及初期投资成本大。

当前UPS存在的问题，向UPS厂商提出了更高的要求。目前，电源领域的专家一致认为，UPS应向“绿色化、模块化，智能化”方向发展。“绿色化”要求UPS电源系统以高效率及高功率因素运行，并对电网不造成谐波污染，对其他用电设备不产生电磁干扰。“模块化”在大幅提高供电系统可靠性，降低初期投资容量、热插拔简化维护操作的同时，由于避免了“大马拉小车”的工况，实现了节能降耗。“智能化”可实现UPS的多制式运行及灵活的故障诊断与保护，确保供电系统可靠运行。

由于电信数据业务和IT支撑平台的发展，特别是IDC（客户托管机房）业务的开展，使得通信机房内服务器等使用交流供电的IT设备大量增加，相应配置的UPS（交流不间断电源）的数量也与日俱增。但由于传统整机式UPS的一些弊病，为企业网络发展规划和通信电源维护工作带来很大的困扰，而模块化UPS正是人们为解决传统整机式UPS供电的局限性而发展起来的一种新型UPS设备。

二、模块化UPS将是绿色电源必然的发展方向

满足“绿色电源”特征的模块化UPS将是必然的发展方向，但长期以来其国内市场一直为国外产品所垄断。国外产品价格昂贵，维修不易。因此，开发具有自主知识产权的模块化绿色UPS是推动我国电源产业快速发展、实现各行各业高效用电的重要举措。

广东志成冠军集团为国内UPS行业的笼头企业。经过多年自主研发UPS的技术，高频模块化绿色UPS于2006年10月成功推出。该产品填补了国内空白。

1、高可靠性的模块化技术

由模块化绿色UPS所构成的供电系统框图如图1所示。通过UPS模块的并联运行，将大幅提高供电的可靠性，节省初期投资，而功率模块与旁路模块的热拔插功能大大简化了维护工作。

图1 UPS模块化冗余运行示意图

图1中，模块化UPS供电系统由3个UPS模块并联运行为负载供电，其中，UPS模块的主电路框图如图2所示，主要包括PFC高频整流器，三相三电平逆变器及逆变输出隔离开关（接触器）等部分。其中，交流接触器用于在关机或故障时将逆变器从并联系统中断开，便于检修与维护。

图2 UPS模块的主电路框图

如图2所示，三相或单相市电电源从空气开关输入，进入PFC高频整流单元。高频整流单元是UPS与市电电网的接口部分，它将三相或单相交流电变换为稳定的±430V直流电送至直流母线，为后级的高频逆变电路提供稳定的直流母线电压。

2、高效高频整流技术

为提高功率密度及整机效率，减小对电网的污染，整流器采用了单管功率因数校正（PFC）的高频整流技术，如图3所示。每相的高频整流电路只需一个IGBT即可提供正负直流母线电压，效率很高。采用了带功率因数校正的高频整流技术后，可实现UPS输入的功率因数为1，输入电流谐波大大降低（谐波畸变率小于5%），可对直流母线电压实现快速调控，从而在大大减少了对电网的谐波污染的同时，大大降低了直流母线电压的纹波系数，提高了直流母线电压的稳定性，此外，对蓄电池的充放电更加地灵活。而所有模块的高频整流电路的输出能够并联运行，这也进一步提高了系统稳定性和可靠性。

图3 PFC高频整流单元主电路示意图

图3是一个含升压(Boost)型功率因数校正器APFC（Active Power Factor Correction）的高频整流器电路原理及波形图。主电路由单相桥式不控整流器和DC－DC Boost变换器组成。虚线框内为控制电路，包括：电压误差放大器VAR、电流误差放大器CAR、乘法器、比较器C和驱动器等。假定负载需要一个电压为V*0的直流电压，有源功率因数校正器APFC的工作原理如下：将主电路的输出电压V0和指令输出电压V*0送入一个比例积分PI型电压误差放大器VAR，VAR的输出是个直流量m，当实际输出直流电压V0大于指令值V*0时，V0>V*0，m减小；当V0二极管整流电压Vdc检测值Vdc="|VS|(交流电源电压瞬时值的绝对值)和VAR的输出电压信号m共同加到乘法器的输入端，用乘法器的输出m|VS|作为电感电流iL(|iS|=iL)的电流指令值ir，因此电流指令ir(ir=mvdc)=m·|VS|的波形与交流电源电压VS相同，即指令电流ir是与交流电源" VS同相位的正弦波，而ir的大小则取决于实际电压V0与电压指令值V*0的误差。将ir与电感电流iL的检测值（iL="|iS|）一起送入比例、积分PI型电流误差比较器CAR，CAR的输出作为开关管T的PWM驱动控制电压Vr，最后将Vr与一个恒频三角波V△送入比较器C，C的输出被取作开关管T的驱动信号VG，经驱动器功率放大后再驱动开关器件T。当iL=|iS|< P>

图3(c)给出输入电压VS、Vdc指令和仅有很小纹波的iL、iS波形。由图可见，输入电流被高频PWM调制成接近正弦（含有高频纹波）的波形。图3(a)中iD为流过二极管的电流，iT为流过开关管T的电流。在一个开关周期内，当开关管T导通时，ID＝0 ，|is|=iL=ir ；当开关管T断开时，iT=0 ， |is|=iL=iD；具有高频纹波的输入电流iS经很小的LC滤波后即可得到较光滑的正弦波电流，它也正是每个开关周期中IS(IL)的平均值。

3、数字化的高频三电平逆变技术

逆变部分是UPS的核心部分。由于直流母线电压达到±430V，我们在吸收国际最新的、高性价比的逆变器方案的基础上，采用了三电平逆变器结构，如图4所示。三电平电路有效地解决了IGBT的耐压问题，在SPWM调制中也可大大降低IGBT的开关频率。三电平电路也使得逆变器的热损耗小、噪音低、电磁干扰小、功率密度高，且性能可靠，工作稳定、寿命长。三电平电路输出的SPWM电压波形经过LC滤波后输出纯正的正弦电压波形。通过采用合理的输入输出共地技术，使得逆变器不再需要笨重而昂贵的输出工频变压器及高频隔离变压器，从而大大降低了成本、体积及损耗。

在逆变电路的控制电路设计中，我们基于现代控制理论建立逆变器的数学模型，从而得出了闭环控制器的最优化参数，使逆变器的性能达到了最优化。此外，通过采用基于高性能32位数字信号处理器TMS320F2810实现了控制的全数字化。使得逆变器输出电压失真率在线性负载时小于2%，非线形负载时≤5%。

图4 三相逆变器主电路图

在逆变器的并联均流控制中，我采用了基于数

[page]字信号处理器（DSP）的数字化瞬时均流技术，它很好地实现了“分布式逻辑均流控制方式”。对于逆变器并机系统中的各个模块，均都处于完全平等的调控状态之中，能实时动态地调节逆变模块所带的负载百分比，实现高精度的负载均分。以高速微处理器为基础的全数字化设计，使得UPS模块之间只采用环路通讯电缆连接来传递实时信号便可实现多达20个模块的直接并机。负载电流的不均衡度小于3%。UPS的各模块可实现热插拔，热更换。每个UPS模块可动态插入UPS系统或从UPS系统中动态拔出。插拔过程中不影响其它模块的正常运行。

逆变器均流的思想来源于电力系统中同步发电机的功率调节，即以有功功率调频，以无功功率调压的下垂方式为主，如式（1）、（2）所示，因此也称外特性下垂方式。

在逆变器并联系统中，这种下垂方式在感性的线路阻抗时工作也是较好的，对于阻性线路阻抗则效果较差，当线路阻抗不再为纯感性时，电压频率，幅值都同时影响有功功率与无功功率，从而产生了很强的耦合，使得并联效果并不理想，因此，在无互连线的并联控制中，通常通过对P，Q进行座标变换，形成新的变量P’，Q’，其目的是消除或减轻P’，Q’之间的耦合，再基于P’，Q’进行输出电压的频率，幅值的下垂控制。

传统的并联均流控制是基于相量的，每个工频周期调节一次环流，对环流的瞬间冲击是没有抑制作用的，这使得UPS须采用并机电抗，并在容量上考虑较大的富余度。为解决这一问题，我们通过研究，在国内外首次提出了环流阻抗的概念，并基于环流阻抗实现了瞬时均流方案，如图5所示。在瞬时均流方案中，各个模块的均流控制器对负载电流的瞬时值进行采样，对环流进行瞬时调控。而传统的均流方案中只对负载电流的基波分量进行处理，一个正弦周期（20ms）只能调节一次。瞬时均流方案大大改善了UPS模块之间的动态均流特性，能有效地抑制并联逆变器之间的环流冲击，减小了UPS容量的富余度。同时，基于瞬时均流技术，通过合理的软件算法，可实现“虚拟并机电感”，使得每个UPS模块不再需要并机电感，从而进一步降低了体积、损耗及成本。提升了整个UPS的效率及功率密度，

图5 逆变器的瞬时均流控制方案

该UPS电源可实现多制式运行，可单相或三相市电输入、对单相或三相负载供电。同时，为确保对国际上50Hz及60Hz两种频率电网的适用性，UPS的输入电压可适应50Hz及60Hz两种电网，而输出电压可50Hz与60Hz任意切换。

该UPS采用了集中旁路控制技术，使得逆变、旁路切换更加安全稳定，同时也简化了各UPS模块的结构，降低了各模块的体积。如需提高旁路的可靠性，该UPS可实现双旁路模块并联冗余运行。

该UPS基于DSP技术，针对模块化运行，开发了完善的智能管理功能，可以自检到电路的各种状态及故障；在网络监控方面具有优异的功能，能支持灵活的网络化管理，强大的智能监控功能，提供RS232、RS422及干接点、接口，内置Modem接口及SNMP卡，满足TCP/IP协议，适应LAN、WAN的网络化管理。

整个UPS系统控制框图如图6所示。

图6 UPS模块主电路原理图

整个控制系统基于1片高性能的32位DSP（TMS320FS2810，主频150Hz）实现了全数字化集成控制，将高频整流器、三电平逆变器、瞬时均流、故障诊断、逻辑切换、远程监控等功能集成在软件中，一方面大幅提高了系统的性能及可靠性，另一方面最大限度地减少了硬件数量，从而大幅简化了生产流程。

通过上述设计，该UPS在获得良好性能的同时，功率密度大幅提高。一个10kVA功率模块的尺寸为：482.6mm（宽）×88.9mm（高）×470mm(深)（即标准的19英寸机柜2U高度）。如图7所示：

图7 10kVA UPS模块

三、模块化UPS的技术优势

1、多制式节能模块化UPS与传统UPS的比较

多制式模块独有的多制性刷新了整个UPS领域输入输出相位固定的传统特性，为用户带来了前所未有的选择空间及便利。

2、高频模块化绿色UPS产品主要优越性特点：

本系列产品在技术含量上是处于国际领先水平，在很多技术方面使UPS行业得到了一个更大的提升，主要表现有以下几大优势：

1）．高可靠性：以前的UPS一般采用单机或者热备份或者1+1并机的方式，采用这些方式必然会给用户带来一些安全隐患，而本UPS采用的是N+X的并联方式，在性价比以及安全性、可靠性是上得到一个更大的跨跃，确保了系统本身或用户负载受保护的时间成倍得到提升。

2）．高效节能性：传统UPS的输入功率因数一般小于90%，而多制式模块化UPS输入功率因数近似于1（0.99），输入总谐波失真度（THD）只有5%，而且而现在我们采用了三阶逆变控制技术，使逆变效率高达98%以上，这样就高效节能的绿色能源产品；

3）．适应多制式电源：它完全刷新了UPS系统输入输出相位固定的技术，为用户带来前所未有的选择空间和便利。本产品的输入或输出共具有4种制式6种状态（有单/单、三/单、三/三、单/三；50/60Hz、110/220/230/240VAC）灵活满足不同场合使用。

4）．强大的扩展性：它采用了模块叠加式设计，UPS容量可增可减，实现了投资者的“随需应变”的需求，满足了随用户业务的发展从而实现了UPS电源“动态成长”。

5）．绿色环保性：采用了CCM电流连续运作方式，大大减低了电源干扰，输入功率因数近似于1（0.99），输入总谐波失真度（THD）只有5%，远低于传统UPS电流谐波一般为30%；

6）．在线热插性：各部分模块均实现了在线热插拔操作，为产品在升级或者维护方面提供了保障。

7）．智能化互动性：采用了双向互动监控技术，协助用户灵活快捷的对系统危机做出即时处理，通过通信或者网络做到监控的实时性。

3、高频模块UPS满足“绿色电源”的全部特征，其主要性能指标如下：

该产品填补了模块化绿色UPS的国内空白，具有高可靠性、高效节能绿色环保、能效智能化管理的优点；由于其极高的性价比，已在银行、电信、证券等重要部门得到广泛的应用。在国家重大项目中发挥重要作用，该UPS在西昌卫星发射基地，北京奥运场馆，地铁站等重要场所也得到了广泛应用，且获得了用户的一致好评。