数字化在线式UPS的研究和开发

【摘要】： 随着高性能DSP控制器的出现,UPS的数字化控制成为发展的趋势与方向。从技术角度来说,DSP技术的应用可以提高UPS产品输出电压的稳定性、纯净程度和自身的可靠性,同时能改善系统的动稳态等性能,产品生产便于标准化和优化升级。本文顺应UPS当前的发展趋势,采用TMS320LF2407A做为系统的核心控制芯片,研究和开发数字化的在线式单相不间断电源UPS,主要完成了以下工作: 以单相在线式UPS功率电路的拓扑结构为基础,首先简要地分析了系统主电路三个组成部分(输入APFC环节、电池DC/DC升压环节和逆变环节)的功能和数学模型。然后根据不同的研究需要,利用Matlab软件和Synopsys公司的SaberDesigner软件,构建了系统主电路的仿真研究平台。其中,在SaberDesigner平台建模时考虑了PWM信号的产生、封锁、死区效应及控制,为UPS系统的控制研究奠定了理论与仿真的基础。 设计了主电路重要的元器件参数,其中输入侧的升压滤波电感一直是UPS电路设计的一个难点,本文根据系统所能提供的最大功率和运行中的最大电流脉动量,分析了单位开关周期内电流变化与电感之间的规律,提出了一种基于系统额定功率和抑制电流脉动的新的输入电感设计方法。 分析了UPS系统各环节的普通PI双闭环控制方法,为了改善系统的动稳态特性,本文提出了多种智能控制算法,将之分别引入到UPS各环节的控制:(1)带死区的变速PID控制引入到输入APFC环节的电压环控制;(2)将预测控制引入到电池升压环节的电流环控制;(3)将带参数自调整的模糊PI逻辑控制与重复控制相结合的复合智能控制引入到逆变环节的控制。 在SaberDesigner中已构建的UPS主电路仿真平台的基础上,结合UPS各环节的控制方案,构建了系统完整的控制仿真实验平台,分别从单个环节和系统的角度验证各普通和优化控制算法,对系统的输入/输出特性进行了详细的波形、频谱分析和比较。系统控制仿真实验平台中所有的控制器均采用MAST语言编写数字离散程序后封装成独立的控制模块,实现了真正意义上的UPS数字离散化系统仿真。 基于系统功率守恒定律,分析和推导了一种输入电流和直流侧电压重构,仅需检测输入电压实现UPS输入APFC环节控制的新方案。此新方法不需要改变现有主电路的拓扑结构,实现简单,不涉及繁琐的积分与微分计算,经过调节,即使在电路参数变化的情况下,最终仍能实现UPS各个环节的控制,系统的动稳态特性良好。 根据UPS主电路的拓扑结构,结合TMS320LF2407A的DSP芯片特点,从系统控制的角度,给出了数字化UPS控制电路的硬件结构、软件时序安排与软件流程,讨论了系统的死区效应、死区控制与补偿技术。 针对改善数字化UPS的控制性能,从应用的角度讨论和分析了若干在研究过程中容易出现的问题,并给出了相应的解决方法。其中,UPS输入电压的状态实时检测并完成瞬时切换是UPS能否真正实现不间断运行的前提和关键,本文在现有的检测方法的基础上进行了有效地改进,优化设计了一种新的检测输入电压状态的方法和实现电路,能够快速、实时监测、判断其状态。 搭建了单相UPS的物理实验平台。在该实验平台上,完成了UPS的输入APFC环节、电池DC/DC升压环节、DC/AC逆变环节的控制实验,并对实验结果进行了波形分析和频谱分析,验证了论文中数字化UPS的基本原理和控制方案。