一、前言
近年來，國家在“信息化帶動產業化”及“節能減排低碳經濟”的方針指引下，我國各企事業單位的信息化建設步伐大大加快，這使得UPS的市場需求量逐年快速增長。隨著節能減排的政策要求UPS技術的迅猛發展，UPS技術本身也在不斷的進步著。目前廣泛應用的傳統型UPS存在著諸多的問題，主要表現在：
1.運行效率低下，普遍輕載效率低于80%。
2.采用工頻變壓器等元件將消耗大量的鋼材和銅，成本高、體積笨重。
3.普遍采用了不控或相控整流器，其輸入功率因數隨負載的降低而降低，并產生大量的諧波電流注入電網。
4.可用性差，單機不能冗余運行，可靠性低，故障率高，維護難及初期投資成本大。
當前UPS存在的問題，向UPS廠商提出了更高的要求。目前，電源領域的專家一致認為，UPS應向“綠色化、模塊化，智能化”方向發展。“綠色化”要求UPS電源系統以高效率及高功率因素運行，并對電網不造成諧波污染，對其他用電設備不產生電磁干擾。“模塊化”在大幅提高供電系統可靠性，降低初期投資容量、熱插拔簡化維護操作的同時，由于避免了“大馬拉小車”的工況，實現了節能降耗。“智能化”可實現UPS的多制式運行及靈活的故障診斷與保護，確保供電系統可靠運行。
由于電信數據業務和IT支撐平臺的發展，特別是IDC（客戶托管機房）業務的開展，使得通信機房內服務器等使用交流供電的IT設備大量增加，相應配置的UPS（交流不間斷電源）的數量也與日俱增。但由于傳統整機式UPS的一些弊病，為企業網絡發展規劃和通信電源維護工作帶來很大的困擾，而模塊化UPS正是人們為解決傳統整機式UPS供電的局限性而發展起來的一種新型UPS設備。
二、模塊化UPS將是綠色電源必然的發展方向
滿足“綠色電源”特征的模塊化UPS將是必然的發展方向，但長期以來其國內市場一直為國外產品所壟斷。國外產品價格昂貴，維修不易。因此，開發具有自主知識產權的模塊化綠色UPS是推動我國電源產業快速發展、實現各行各業高效用電的重要舉措。
廣東志成冠軍集團為國內UPS行業的籠頭企業。經過多年自主研發UPS的技術，高頻模塊化綠色UPS于2006年10月成功推出。該產品填補了國內空白。
1、高可靠性的模塊化技術
由模塊化綠色UPS所構成的供電系統框圖如圖1所示。通過UPS模塊的并聯運行，將大幅提高供電的可靠性，節省初期投資，而功率模塊與旁路模塊的熱拔插功能大大簡化了維護工作。
圖1 UPS模塊化冗余運行示意圖
圖1中，模塊化UPS供電系統由3個UPS模塊并聯運行為負載供電，其中，UPS模塊的主電路框圖如圖2所示，主要包括PFC高頻整流器，三相三電平逆變器及逆變輸出隔離開關（接觸器）等部分。其中，交流接觸器用于在關機或故障時將逆變器從并聯系統中斷開，便于檢修與維護。
圖2 UPS模塊的主電路框圖
如圖2所示，三相或單相市電電源從空氣開關輸入，進入PFC高頻整流單元。高頻整流單元是UPS與市電電網的接口部分，它將三相或單相交流電變換為穩定的±430V直流電送至直流母線，為后級的高頻逆變電路提供穩定的直流母線電壓。
2、高效高頻整流技術
為提高功率密度及整機效率，減小對電網的污染，整流器采用了單管功率因數校正（PFC）的高頻整流技術，如圖3所示。每相的高頻整流電路只需一個IGBT即可提供正負直流母線電壓，效率很高。采用了帶功率因數校正的高頻整流技術后，可實現UPS輸入的功率因數為1，輸入電流諧波大大降低（諧波畸變率小于5%），可對直流母線電壓實現快速調控，從而在大大減少了對電網的諧波污染的同時，大大降低了直流母線電壓的紋波系數，提高了直流母線電壓的穩定性，此外，對蓄電池的充放電更加地靈活。而所有模塊的高頻整流電路的輸出能夠并聯運行，這也進一步提高了系統穩定性和可靠性。
圖3 PFC高頻整流單元主電路示意圖
圖3是一個含升壓(Boost)型功率因數校正器APFC（Active Power Factor Correction）的高頻整流器電路原理及波形圖。主電路由單相橋式不控整流器和DC－DC Boost變換器組成。虛線框內為控制電路，包括：電壓誤差放大器VAR、電流誤差放大器CAR、乘法器、比較器C和驅動器等。假定負載需要一個電壓為V*0的直流電壓，有源功率因數校正器APFC的工作原理如下：將主電路的輸出電壓V0和指令輸出電壓V*0送入一個比例積分PI型電壓誤差放大器VAR，VAR的輸出是個直流量m，當實際輸出直流電壓V0大于指令值V*0時，V0>V*0，m減小；當V0二極管整流電壓Vdc檢測值Vdc="|VS|(交流電源電壓瞬時值的絕對值)和VAR的輸出電壓信號m共同加到乘法器的輸入端，用乘法器的輸出m|VS|作為電感電流iL(|iS|=iL)的電流指令值ir，因此電流指令ir(ir=mvdc)=m·|VS|的波形與交流電源電壓VS相同，即指令電流ir是與交流電源" VS同相位的正弦波，而ir的大小則取決于實際電壓V0與電壓指令值V*0的誤差。將ir與電感電流iL的檢測值（iL="|iS|）一起送入比例、積分PI型電流誤差比較器CAR，CAR的輸出作為開關管T的PWM驅動控制電壓Vr，最后將Vr與一個恒頻三角波V△送入比較器C，C的輸出被取作開關管T的驅動信號VG，經驅動器功率放大后再驅動開關器件T。當iL=|iS|< P>
圖3(c)給出輸入電壓VS、Vdc指令和僅有很小紋波的iL、iS波形。由圖可見，輸入電流被高頻PWM調制成接近正弦（含有高頻紋波）的波形。圖3(a)中iD為流過二極管的電流，iT為流過開關管T的電流。在一個開關周期內，當開關管T導通時，ID＝0 ，|is|=iL=ir ；當開關管T斷開時，iT=0 ， |is|=iL=iD；具有高頻紋波的輸入電流iS經很小的LC濾波后即可得到較光滑的正弦波電流，它也正是每個開關周期中IS(IL)的平均值。
3、數字化的高頻三電平逆變技術
逆變部分是UPS的核心部分。由于直流母線電壓達到±430V，我們在吸收國際最新的、高性價比的逆變器方案的基礎上，采用了三電平逆變器結構，如圖4所示。三電平電路有效地解決了IGBT的耐壓問題，在SPWM調制中也可大大降低IGBT的開關頻率。三電平電路也使得逆變器的熱損耗小、噪音低、電磁干擾小、功率密度高，且性能可靠，工作穩定、壽命長。三電平電路輸出的SPWM電壓波形經過LC濾波后輸出純正的正弦電壓波形。通過采用合理的輸入輸出共地技術，使得逆變器不再需要笨重而昂貴的輸出工頻變壓器及高頻隔離變壓器，從而大大降低了成本、體積及損耗。
在逆變電路的控制電路設計中，我們基于現代控制理論建立逆變器的數學模型，從而得出了閉環控制器的最優化參數，使逆變器的性能達到了最優化。此外，通過采用基于高性能32位數字信號處理器TMS320F2810實現了控制的全數字化。使得逆變器輸出電壓失真率在線性負載時小于2%，非線形負載時≤5%。
圖4 三相逆變器主電路圖
在逆變器的并聯均流控制中，我采用了基于數
[page]字信號處理器（DSP）的數字化瞬時均流技術，它很好地實現了“分布式邏輯均流控制方式”。對于逆變器并機系統中的各個模塊，均都處于完全平等的調控狀態之中，能實時動態地調節逆變模塊所帶的負載百分比，實現高精度的負載均分。以高速微處理器為基礎的全數字化設計，使得UPS模塊之間只采用環路通訊電纜連接來傳遞實時信號便可實現多達20個模塊的直接并機。負載電流的不均衡度小于3%。UPS的各模塊可實現熱插拔，熱更換。每個UPS模塊可動態插入UPS系統或從UPS系統中動態拔出。插拔過程中不影響其它模塊的正常運行。
逆變器均流的思想來源于電力系統中同步發電機的功率調節，即以有功功率調頻，以無功功率調壓的下垂方式為主，如式（1）、（2）所示，因此也稱外特性下垂方式。
在逆變器并聯系統中，這種下垂方式在感性的線路阻抗時工作也是較好的，對于阻性線路阻抗則效果較差，當線路阻抗不再為純感性時，電壓頻率，幅值都同時影響有功功率與無功功率，從而產生了很強的耦合，使得并聯效果并不理想，因此，在無互連線的并聯控制中，通常通過對P，Q進行座標變換，形成新的變量P’，Q’，其目的是消除或減輕P’，Q’之間的耦合，再基于P’，Q’進行輸出電壓的頻率，幅值的下垂控制。
傳統的并聯均流控制是基于相量的，每個工頻周期調節一次環流，對環流的瞬間沖擊是沒有抑制作用的，這使得UPS須采用并機電抗，并在容量上考慮較大的富余度。為解決這一問題，我們通過研究，在國內外首次提出了環流阻抗的概念，并基于環流阻抗實現了瞬時均流方案，如圖5所示。在瞬時均流方案中，各個模塊的均流控制器對負載電流的瞬時值進行采樣，對環流進行瞬時調控。而傳統的均流方案中只對負載電流的基波分量進行處理，一個正弦周期（20ms）只能調節一次。瞬時均流方案大大改善了UPS模塊之間的動態均流特性，能有效地抑制并聯逆變器之間的環流沖擊，減小了UPS容量的富余度。同時，基于瞬時均流技術，通過合理的軟件算法，可實現“虛擬并機電感”，使得每個UPS模塊不再需要并機電感，從而進一步降低了體積、損耗及成本。提升了整個UPS的效率及功率密度，
圖5 逆變器的瞬時均流控制方案
該UPS電源可實現多制式運行，可單相或三相市電輸入、對單相或三相負載供電。同時，為確保對國際上50Hz及60Hz兩種頻率電網的適用性，UPS的輸入電壓可適應50Hz及60Hz兩種電網，而輸出電壓可50Hz與60Hz任意切換。
該UPS采用了集中旁路控制技術，使得逆變、旁路切換更加安全穩定，同時也簡化了各UPS模塊的結構，降低了各模塊的體積。如需提高旁路的可靠性，該UPS可實現雙旁路模塊并聯冗余運行。
該UPS基于DSP技術，針對模塊化運行，開發了完善的智能管理功能，可以自檢到電路的各種狀態及故障；在網絡監控方面具有優異的功能，能支持靈活的網絡化管理，強大的智能監控功能，提供RS232、RS422及干接點、接口，內置Modem接口及SNMP卡，滿足TCP/IP協議，適應LAN、WAN的網絡化管理。
整個UPS系統控制框圖如圖6所示。
圖6 UPS模塊主電路原理圖
整個控制系統基于1片高性能的32位DSP（TMS320FS2810，主頻150Hz）實現了全數字化集成控制，將高頻整流器、三電平逆變器、瞬時均流、故障診斷、邏輯切換、遠程監控等功能集成在軟件中，一方面大幅提高了系統的性能及可靠性，另一方面最大限度地減少了硬件數量，從而大幅簡化了生產流程。
通過上述設計，該UPS在獲得良好性能的同時，功率密度大幅提高。一個10kVA功率模塊的尺寸為：482.6mm（寬）×88.9mm（高）×470mm(深)（即標準的19英寸機柜2U高度）。如圖7所示：
圖7 10kVA UPS模塊
三、模塊化UPS的技術優勢
1、多制式節能模塊化UPS與傳統UPS的比較
多制式模塊獨有的多制性刷新了整個UPS領域輸入輸出相位固定的傳統特性，為用戶帶來了前所未有的選擇空間及便利。
2、高頻模塊化綠色UPS產品主要優越性特點：
本系列產品在技術含量上是處于國際領先水平，在很多技術方面使UPS行業得到了一個更大的提升，主要表現有以下幾大優勢：
1）．高可靠性：以前的UPS一般采用單機或者熱備份或者1+1并機的方式，采用這些方式必然會給用戶帶來一些安全隱患，而本UPS采用的是N+X的并聯方式，在性價比以及安全性、可靠性是上得到一個更大的跨躍，確保了系統本身或用戶負載受保護的時間成倍得到提升。
2）．高效節能性：傳統UPS的輸入功率因數一般小于90%，而多制式模塊化UPS輸入功率因數近似于1（0.99），輸入總諧波失真度（THD）只有5%，而且而現在我們采用了三階逆變控制技術，使逆變效率高達98%以上，這樣就高效節能的綠色能源產品；
3）．適應多制式電源：它完全刷新了UPS系統輸入輸出相位固定的技術，為用戶帶來前所未有的選擇空間和便利。本產品的輸入或輸出共具有4種制式6種狀態（有單/單、三/單、三/三、單/三；50/60Hz、110/220/230/240VAC）靈活滿足不同場合使用。
4）．強大的擴展性：它采用了模塊疊加式設計，UPS容量可增可減，實現了投資者的“隨需應變”的需求，滿足了隨用戶業務的發展從而實現了UPS電源“動態成長”。
5）．綠色環保性：采用了CCM電流連續運作方式，大大減低了電源干擾，輸入功率因數近似于1（0.99），輸入總諧波失真度（THD）只有5%，遠低于傳統UPS電流諧波一般為30%；
6）．在線熱插性：各部分模塊均實現了在線熱插拔操作，為產品在升級或者維護方面提供了保障。
7）．智能化互動性：采用了雙向互動監控技術，協助用戶靈活快捷的對系統危機做出即時處理，通過通信或者網絡做到監控的實時性。
3、高頻模塊UPS滿足“綠色電源”的全部特征，其主要性能指標如下：
該產品填補了模塊化綠色UPS的國內空白，具有高可靠性、高效節能綠色環保、能效智能化管理的優點；由于其極高的性價比，已在銀行、電信、證券等重要部門得到廣泛的應用。在國家重大項目中發揮重要作用，該UPS在西昌衛星發射基地，北京奧運場館，地鐵站等重要場所也得到了廣泛應用，且獲得了用戶的一致好評。
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