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傳感器在UPS逆變器并聯系統中的應用
傳感器在UPS逆變器并統中的應用
引言
為了向關鍵負載提供純凈、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來保證供電系統的穩定性。目前國內大容量的UPS將達到9000臺/年的需要，并以15%以上的速度增長。市場客觀,前景很好。為了提高系統的冗余性，UPS并聯方案成為技術和市場的熱點。在逆變器并統中，各個模塊分擔負載電流、便于能量分配；具有冗余功能，系統可靠性高；同時具有易于模塊化、標準化、良好的維護性等優點。如何減小環流是逆變器并聯技術的重點和難點。在各種并聯方案中，基于電流瞬時值的均流控制策略，由于具有電壓調整率好、動態響應快、均流效果佳，而被廣泛的研究和應用。
2 逆變器并聯方案
圖1基于電流瞬時值控制的逆變器并統框圖
基于電流瞬時值均流控制的逆變器并統框圖如圖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，保證正弦波基準的同頻、同相。逆變器的輸出電流采樣通過均流控制單元產生均流環基準信號，均流基準信號與每臺逆變器的輸出電流進行PI調節，然后把誤差信號疊加到單臺逆變器的電壓環上，實現UPS并統的無環流輸出，保證每臺UPS輸出相同功率,實現負載均分。
圖2雙環控制下的單臺逆變器控制框圖
單臺逆變器控制方案中，可以采用電壓單環控制、電感電流雙環控制、電容電流雙環控制等方案。由于電感電流雙環控制具有動態響應快、系統靜差小、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)分別是電壓環調節傳遞函數和電流環調節傳遞函數；M是脈寬調制電壓比例增益；Kif、Kvf分別是電流環和電壓環反饋系數。為了解耦單臺逆變器和負載的關系、便于并聯分析，輸出電流當作擾動處理。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
全橋電路由于其開關管電壓應力低、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，在并統中，為了提高系統的抗干擾性，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，但是并沒有實現真正的隔離，因此也不適用與并聯場合。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環控制，提高系統的動態響應和實現過流保護；C2為輸出電流采樣點，作為均流環控制,實現系統的無環流輸出。
作為理想交流供電電源的逆變電路的輸出電壓應為正弦波，不含有直流分量。但實際上，對于采用SPWM調制技術的逆變器，由于基準正弦波的直流分量、控制電路中運算放大器的零漂、開關器件不一致以及驅動脈沖分配和死區時間的不對稱等原因，造成輸出電壓含有直流分量. 在逆變器并統中，直流分量電壓將會造成很大的直流環流，嚴重影響系統的均流性能，降低并統的可靠性。因此,在實際應用中，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為：
為了濾除交流電壓成分，一般而言，RC濾波器的極點設置遠遠低于輸出電壓的基波頻率。
(b) 滿載下并聯波形(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產生影響，直流分量調理環路的帶寬應遠低于逆變器電壓環的帶寬，因此積分常數需取值較大，比例常數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；如果輸出含有負的直流分量，則IC1的輸出為一個負的直流電壓值。
集成運算放大器IC2與光耦組成一個隔離型的比例放大器，實現隔離。當直流分量為正時，IC2驅動OPT2，在電阻R7上產生一個負電壓；當直流分量為負時，IC2驅動OPT1，在電阻R7上產生一個正電壓。由此可見，光耦的輸出與直流分量成負比例關系，R7上的電壓可以直接疊加在基準正弦波信號上，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 實驗結果
為了驗證前面分析的正確性，兩臺1kW，220V輸出的并統。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，*的反應時間，寬頻帶，無插入損壞，抗*力強的優點。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)是輸出電壓和基準正弦波實驗波形，輸出電壓的THD為0.6％，基準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)為整流橋負載下的實驗波形。從實驗結果可以看出，在不同的負載條件下，輸出電壓穩定，內部環流很小，具有很好的穩定性和快速的動態響應。在帶線性負載時，輸出直流分量為0.1V，帶RCD整流橋非線性負載時，輸出電壓的直流分量為0.3V，系統的直流分量很小，能夠滿足應用系統的要求。
5 結論
UPS的市場需求越來越大，但是對UPS系統性能的要求也越來越高。UPS并聯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，反應時間快和溫漂低的優點廣泛的應用與UPS的電壓和電流采樣場合。本文分析了逆變器并聯方案的特點和技術實現方案。實驗結果標明，系統的輸出電壓直流分量小，輸出電壓THD小，波形質量好，并聯后環流小，動態響應良好，能夠很好的滿足工業要求。