電力專用在線式UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉飛飛，石秀華，楊會(huì)濤，杜喜昭

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是各種精密電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，供電的連續(xù)性和供電質(zhì)量的優(yōu)越性對(duì)用戶來(lái)說(shuō)就變得越來(lái)越重要，給各種電子設(shè)備提供高質(zhì)量、高可靠性的電源也更加重要了。不間斷電源(UPS)正是基于這樣的工程需求產(chǎn)生的，它可以在市電正常檢修或故障停電時(shí)為負(fù)載提供穩(wěn)定、可靠的電能供應(yīng)。一般情況下，整個(gè)UPS系統(tǒng)應(yīng)該包括整流器、蓄電池和逆變器三個(gè)主要部分。由于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，適用于電力控制的UPS只包括蓄電池和逆變器兩部分，其中的逆變器就是把由市電整流濾波后儲(chǔ)存得到的直流電能(或來(lái)自蓄電池的直流電)逆變成頻率穩(wěn)定、輸出電壓受負(fù)載影響小、波形畸變因數(shù)滿足負(fù)載要求的高質(zhì)量交流電。作為整個(gè)電力專業(yè)UPS供電系統(tǒng)的核心部分，逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞在很大程度上決定了整個(gè)供電系統(tǒng)輸出電能的質(zhì)量。

1 電力專用在線式UPS

1.1 后備式UPS與在線式UPS

按照一般的工程分類，不間斷電源（UPS）可以分為后備式和在線式兩種。后備式UPS，其“后備”的含義在于在市電和逆變器輸出都正常的情況下，負(fù)載優(yōu)先使用市電供電，逆變電源一直處于熱備份狀態(tài)，不做功率輸出，只有當(dāng)市電檢修或者因故障斷電時(shí)，通過(guò)切換單元使逆變電源向負(fù)載供電，保證負(fù)載供電的不間斷性，這類UPS主要適用于對(duì)電源質(zhì)量要求較低的場(chǎng)合。在線式UPS，其“在線”的含義在于市電和逆變器輸出都正常的情況下，負(fù)載要優(yōu)先使用逆變電源供電，只有當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)切換單元使市電直接向負(fù)載供電，保證負(fù)載不出現(xiàn)電力中斷的情況[1]，這種UPS主要適用于對(duì)電源質(zhì)量要求比較高的場(chǎng)合。

1.2 電力專用UPS

相對(duì)于一般的UPS，結(jié)合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的電力專用UPS系統(tǒng)有別于其他類型的不間斷電源。那是因?yàn)槌鲇趯?duì)控制可靠性的優(yōu)先考慮，電力系統(tǒng)中心控制室的控制信號(hào)一般都是直流供電，這些電能通常都是由開關(guān)電源產(chǎn)生的。但是，開關(guān)電源的運(yùn)行可靠性很難保證，于是還需要配備一個(gè)蓄電池組作為電力系統(tǒng)控制器的后備電源。也就是說(shuō)，在電力系統(tǒng)的基本設(shè)備中已經(jīng)包括了蓄電池組，那樣，在UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也就無(wú)需考慮電力儲(chǔ)存設(shè)備。通常，電力系統(tǒng)中配備蓄電池組的直流母線電壓有220 VDC和110VDC兩種[2]，主要是為合閘裝置、繼電保護(hù)裝置、事故照明等特殊用電場(chǎng)合供電。電力專用在線式不間斷電源（UPS），就是利用電力系統(tǒng)配備的直流屏作為逆變器的直流輸入，經(jīng)過(guò)逆變后為負(fù)載提供不間斷的電力供應(yīng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電力專用UPS是根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)“量體裁衣”設(shè)計(jì)的，結(jié)合了常規(guī)UPS和電力系統(tǒng)的特點(diǎn)。其最大特點(diǎn)在于能夠執(zhí)行了“市電”與“逆變”的不間斷切換，而不間斷電能輸出的各項(xiàng)主要指標(biāo)都是由內(nèi)部高性能的逆變控制器得以保證的。

1.3 系統(tǒng)基本組成

一個(gè)完整的UPS系統(tǒng)應(yīng)該包括變壓器、整流模塊、蓄電池組、逆變器模塊，控制單元模塊以及其他的外部設(shè)備，主要有鍵盤、液晶LCD等，整個(gè)電力專用在線式UPS的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本文設(shè)計(jì)的電力專用在線式UPS，其輸入為蓄電池組輸出的直流電壓，輸出端為高質(zhì)量的50 Hz/220 V交流電壓。所以，該系統(tǒng)不僅包括了結(jié)合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的逆變器，還設(shè)計(jì)了包括單片機(jī)控制器[3]、電容緩沖電路、溫度檢測(cè)模塊、市網(wǎng)掉電檢測(cè)模塊、直流輸入檢測(cè)模塊、過(guò)電流檢測(cè)模塊、過(guò)電壓保護(hù)模塊和繼電器切換單元[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

對(duì)于逆變電路中執(zhí)行元器件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的好壞，不僅會(huì)影響電路運(yùn)行的基本性能指標(biāo)，還會(huì)直接影響到電路中電力電子器件工作的可靠性和相關(guān)的電氣性能。MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和開關(guān)規(guī)律決定了它驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)必須要滿足以下要求：（1）滿足MOSFET快速轉(zhuǎn)換和高峰值電流的要求，減小MOSFET開關(guān)時(shí)的密勒效應(yīng)，以縮短開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間和減低開關(guān)損耗；（2）應(yīng)具備良好的電氣隔離性能，避免功率級(jí)電路對(duì)控制信號(hào)造成的干擾；（3）應(yīng)該有負(fù)電源，一方面可以加快MOSFET的關(guān)斷速度，另一方面又能提高驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力，防止因零電壓附近尖峰電壓的作用使MOSFET出現(xiàn)誤導(dǎo)通；（4）傳輸延遲時(shí)間應(yīng)盡可能小，以減小開關(guān)死區(qū)時(shí)間。

結(jié)合以上的要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于集成芯片HCPL3120的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。該芯片的輸出具有較寬的工作電壓，使其方便提供門控器件所需的驅(qū)動(dòng)電壓,它適于額定容量為1 200 V／100 A的MOSFET。對(duì)于更高容量的MOSFET，可以通過(guò)使用外接電流緩沖器，擴(kuò)展其驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

將單片機(jī)PWM 波形發(fā)生端口輸出的PWM 波連接到HCPL3120的控制信號(hào)輸入端，經(jīng)過(guò)內(nèi)部光藕隔離放大以后，輸出Vo為+20 V和0 V的電壓脈沖。D1為+5.1 V的穩(wěn)壓管，以20V1_GND為零電位，則MOSFET管的S級(jí)電位為＋5 V，G極和S極的電壓位分別為＋15 V和－5 V，這樣可以抑制MOSFET的控制端信號(hào)在0 V上下時(shí)管子出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況，保證MOSFET的有效開關(guān)斷。不僅如此，在HCPL3120內(nèi)部的光電隔離裝置，實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相互隔離、互不干擾。

2.2 電容緩沖電路[5]

在主電路設(shè)計(jì)中，市電輸入端的設(shè)計(jì)中還包括了由電解電容C0、C2和高頻電容C1組成的電容緩沖電路，分別用于濾除逆變器輸入端的低次諧波和高次諧波，如圖4所示。當(dāng)電源突然接通時(shí)，流過(guò)電容的充電電流很大，為了使該電流不至于太大而損壞電子元器件，需要接入限流電阻R1，以降低電源接通時(shí)充電電流的沖擊作用。當(dāng)電容充電完畢以后，為了減少不必要的功率損耗，需要通過(guò)將繼電器開關(guān)K1吸合，把限流電阻R1切除。由于單片機(jī)輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力不足，不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，所以需要將單片機(jī)的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片MC1413P放大以后驅(qū)動(dòng)繼電器開關(guān)K1。

2.3 檢測(cè)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.3.1 掉電保護(hù)和電壓頻率檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

在UPS系統(tǒng)中，為了充分考慮用電安全，設(shè)計(jì)了多個(gè)信號(hào)檢測(cè)和保護(hù)電路。其中的最為主要的是掉電保護(hù)和電壓頻率檢測(cè)電路。該電路通過(guò)檢測(cè)市網(wǎng)電力的平均頻率來(lái)判斷市網(wǎng)是否處于正常運(yùn)作狀態(tài)，如圖5所示。

將反相器D10:B的輸出端作為市電電壓頻率捕捉環(huán)節(jié)的單片機(jī)輸入端。把交流市電連接到光電耦合器D5的1腳和4腳，2腳和3腳短接。交流輸入大于5 V左右時(shí)，D5A導(dǎo)通，D5B不導(dǎo)通，因此8腳和6腳上的電位為0 V；交流輸入小于－5 V左右時(shí)，光藕D5B導(dǎo)通，D5A不導(dǎo)通，8腳為＋5 V和6腳上的電位為0 V；交流輸入在－5～＋5 V范圍之間時(shí)，光藕D5A、D5B均不導(dǎo)通，8腳和6腳上的電位為＋5 V。因此6腳的輸出波形是頻率為100 Hz的窄脈沖，8腳的輸出波形是頻率為50 Hz的窄脈沖。

8腳的波形經(jīng)過(guò)到施密特反相器整形以后接到單片機(jī)PIC18F2331的CCP1端口，作為市電頻率的檢測(cè)數(shù)值。6腳上的脈沖經(jīng)過(guò)兩個(gè)施密特反相器整形，連接到雙重可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123輸入端，然后與預(yù)設(shè)的脈沖正電壓部分寬度比較。如果實(shí)際的輸入電壓脈沖與預(yù)設(shè)電壓脈沖比較畸變較大，則可以認(rèn)為此時(shí)市網(wǎng)已經(jīng)掉電。

2.3.2 電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

直流電壓檢測(cè)電路如圖6所示，將直流電源經(jīng)過(guò)限流電阻R65和R66接到霍爾電壓傳感器輸入端。經(jīng)過(guò)霍爾傳感器的處理，將輸出結(jié)果輸入到單片機(jī)的AN1端。在這個(gè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了限制輸出電壓的二極管V2和V3。因?yàn)槎O管的導(dǎo)通電壓約為0.7 V，所以輸出電壓可以保持在－0.7～5.7 V之間，保證了經(jīng)過(guò)霍爾元件處理以后輸出的接到單片機(jī)輸入端的電壓始終處于其單片機(jī)可靠電壓輸入范圍內(nèi)。

2.3.3 溫度檢測(cè)電路

為了保證在工作電流長(zhǎng)期超過(guò)額定電流運(yùn)作時(shí)能夠檢測(cè)出溫度過(guò)高并可靠切斷電力運(yùn)行電路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)和保護(hù)電路。該電路包括了熱敏電阻R2，限流電阻R1、溫控開關(guān)K3和電容,如圖7所示。當(dāng)運(yùn)行溫度沒(méi)有超過(guò)規(guī)定溫度上限的120%5 s以上時(shí)，電壓輸出端將5 V電壓接到單片機(jī)的AN4輸入端；當(dāng)運(yùn)行溫度長(zhǎng)期高于設(shè)定溫度上限時(shí)，溫控開關(guān)K3打開，AN4對(duì)單片機(jī)輸入零電壓。經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的程序運(yùn)行可以準(zhǔn)確判斷出，此時(shí)系統(tǒng)正運(yùn)行在過(guò)溫狀態(tài)，需要進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)急動(dòng)作。

2.3.4 電流檢測(cè)和保護(hù)電路

利用電流傳感器LA-58P來(lái)檢測(cè)負(fù)載電流，并將LA-58P的輸出電流接入電流檢測(cè)和保護(hù)電路的輸入端。如圖8所示[4]，首先運(yùn)用精密整流電路將檢測(cè)跟隨器的輸入電流整流成為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。設(shè)定電阻R33和R31阻值相同。在二極管V12的正向端將輸入電流整流成為負(fù)方向半波，通過(guò)加法器D12:B以后，這個(gè)電流被放大了兩倍，而原來(lái)的輸入電流則會(huì)被原樣輸出。同時(shí)，將D12:B的輸出信號(hào)送到過(guò)流比較器LM 393的正向輸入端，與預(yù)設(shè)的電壓基準(zhǔn)比較。當(dāng)正向輸入端的電壓值高于反向輸入端電壓時(shí)，比較器LM 393動(dòng)作，輸出一個(gè)高電平，單片機(jī)檢測(cè)到在這個(gè)信號(hào)后，立刻關(guān)斷PWM 輸出，并關(guān)斷運(yùn)行電路，以保護(hù)電路的運(yùn)行安全，防止出現(xiàn)因過(guò)電流導(dǎo)致的元件燒毀和系統(tǒng)癱瘓事故。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PWM中斷子程序設(shè)計(jì)

PWM 中斷子程序流程圖見(jiàn)圖9所示。程序上電后，首先進(jìn)行初始化，把各個(gè)標(biāo)志位和數(shù)據(jù)RAM 清零。這些故障標(biāo)志位包括短路標(biāo)志位SHORTLOAD；過(guò)流標(biāo)志位OVERLOAD；輸出過(guò)壓標(biāo)志位NBOUT_HI；輸出欠壓標(biāo)志位NBOUT_LO。只要這些標(biāo)志位有一個(gè)有效，就可認(rèn)為逆變器故障，應(yīng)該使PWM無(wú)效，關(guān)掉逆變器。在經(jīng)過(guò)5 s的自檢后，這些標(biāo)志位被全部清零，并且FLTCONFIG寄存器的FLTAS位也要清零。這樣做就是讓逆變器在故障后，仍能自動(dòng)自檢，自動(dòng)啟動(dòng)。

每次進(jìn)入中斷后，首先判斷直流電壓是否過(guò)壓或欠壓。如果直流沒(méi)有故障，就判斷市電是否正常，市電正常后，逆變輸出要和市電同相位。如果市電掉電，逆變器要獨(dú)立進(jìn)行查表得出正弦波波形。

保護(hù)故障標(biāo)志位均無(wú)效時(shí)，才打開PWM中斷。逆變器的輸出基準(zhǔn)電壓可在每次進(jìn)入PWM 中斷內(nèi)加1，以保證基準(zhǔn)電壓的軟啟動(dòng)，也即保證輸出逆變電壓的軟啟動(dòng)。利用PI程序計(jì)算得出PI輸出值，使輸出電壓自動(dòng)跟蹤基準(zhǔn)值。如果逆變器檢測(cè)電壓比過(guò)壓基準(zhǔn)電壓高連續(xù)超過(guò)5 s，則過(guò)壓標(biāo)志位置1，關(guān)斷PWM。如果逆變器檢測(cè)電壓比欠壓基準(zhǔn)電壓低連續(xù)超過(guò)5 s，則欠壓標(biāo)志位置1，關(guān)斷PWM。

若市電掉電，則檢測(cè)逆變器運(yùn)行標(biāo)志位NB_RUN。如果此標(biāo)志位為1，則采樣系統(tǒng)輸出正弦波并將其引入PI調(diào)節(jié)器。在PI調(diào)節(jié)器完成對(duì)于電壓的調(diào)節(jié)以后開始電壓檢測(cè)。在PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)能力達(dá)到最大時(shí)還沒(méi)有到達(dá)預(yù)設(shè)的運(yùn)行最高電壓，就判斷為欠電壓，或者PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)能力為最小時(shí)，就已經(jīng)大于系統(tǒng)運(yùn)行的最小電壓，此時(shí)判斷為過(guò)電壓封鎖PWM 輸出，停止系統(tǒng)運(yùn)行。在完成電壓檢測(cè)以后，開始進(jìn)行逆變器輸出電流檢測(cè)。當(dāng)此時(shí)逆變器的輸出電流大于系統(tǒng)額定電流150%,系統(tǒng)判斷為過(guò)載，封鎖PWM 輸出，系統(tǒng)運(yùn)行停止。當(dāng)逆變器輸出電流大于系統(tǒng)額定電流的120%但小于150%時(shí)，計(jì)數(shù)10 s以后封鎖PWM 輸出，系統(tǒng)關(guān)機(jī)。當(dāng)逆變器輸出電流小于系統(tǒng)額定電流的120%時(shí)，計(jì)數(shù)1 min以后封鎖PWM輸出。

若市電沒(méi)有掉電，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)以后判斷逆變器輸出電壓是否在（220±5）V，繼而控制逆變繼電器吸合。

3.2 中斷程序設(shè)計(jì)

由于PIC18F2331只有兩級(jí)中斷，高優(yōu)先級(jí)中斷和低優(yōu)先級(jí)中斷。程序設(shè)計(jì)有兩種中斷，PWM中斷和TIMR2中斷。因?yàn)門IMR2中斷為時(shí)間定時(shí)中斷，所以設(shè)TIMR2中斷為高優(yōu)先級(jí)中斷，PWM中斷為低優(yōu)先級(jí)中斷。

在程序初始化時(shí)，要對(duì)各個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)位、允許位、標(biāo)志位分別賦初值。下面程序是PWM 中斷和TIMR2中斷的初始化。

BSF RCON，IPEN；中斷優(yōu)先級(jí)使能

MOVLW B'11000000'

MOVWF INTCON;允許所有高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)使能

MOVLW B'00010000'

MOVWF PIE3;PWM中斷允許

MOVLW B'00000010'

MOVWF PIE1;TIMR2中斷允許

MOVLW B'00000000'

MOVWF PIR1;清TIMR2中斷標(biāo)志

MOVLW B'00000000'

MOVWF PIR3;清PWM中斷標(biāo)志位

MOVLW B'00000010'

MOVWF IPR1;TIMR2中斷高優(yōu)先級(jí)

MOVLW B'00000000'

MOVWF IPR3;PWM中斷低優(yōu)先級(jí)

當(dāng)中斷標(biāo)志位、使能位均被置位時(shí)，中斷將立即轉(zhuǎn)到000008H或000018H，轉(zhuǎn)到哪個(gè)地址取決于優(yōu)先級(jí)設(shè)置。進(jìn)入中斷后，通過(guò)GOTO語(yǔ)句，跳到中斷子程序，進(jìn)行處理。

ORG 0x0008;高優(yōu)先級(jí)中斷地址

call PUSH1

GOTO PWM 2_INT;進(jìn)入TIMR2中斷子程序

ORG 0x0018;低優(yōu)先級(jí)中斷地址

CALL PUSH1

GOTO PWM_INT;進(jìn)入PWM中斷子程序

3.3 脈寬調(diào)制波形程序設(shè)計(jì)

PIC18F2331的核心任務(wù)是產(chǎn)生SPWM 波，即占空比按正弦規(guī)律變化的脈寬波，是采用三角波和正弦波形調(diào)制而成。其中，三角波頻率是9.6 kHz，正弦波的頻率是50 Hz，半個(gè)正弦周期內(nèi)的采樣次數(shù)N=10 ms/(1/9.6 kHz)=96次。根據(jù)規(guī)則采樣方法，把一個(gè)周期的正弦值按三角波頻率進(jìn)行均分，這樣就得出正弦表格。對(duì)于半個(gè)周期的正弦表格每一點(diǎn)值由下面公式?jīng)Q定：255sin(nπ/96)，n取0～96，PIC18F2331單片機(jī)為8位，其最大值為255。PIC18F2331的指令頻率為10 MHz，PWM功率模塊的時(shí)鐘周期為10μs，PWM模塊工作在連續(xù)上/下計(jì)數(shù)模式，PTPER的A=1/(2×9.6 kHz×100 ns)=521。由于單片機(jī)需要處理的數(shù)據(jù)是雙極性的，所以對(duì)切割值做了一些處理以獲得一個(gè)周期內(nèi)非負(fù)值：其中中性值為原周期的一半，即260。這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期內(nèi)切割值的整體上移。左橋臂的值送到PDCO寄存器，右橋臂送到PDC1寄存器。PWM 中斷有效時(shí)，PWM時(shí)基在上/下計(jì)數(shù)模式中進(jìn)行配置，此模塊產(chǎn)生中心對(duì)齊的PWM 信號(hào)，隨著占空比的時(shí)序更新，PWM 引腳輸出相應(yīng)變化。

4 結(jié)論

結(jié)合普通UPS的基本結(jié)構(gòu)和電力系統(tǒng)的運(yùn)作特點(diǎn)，利用PIC18F2331單片機(jī)設(shè)計(jì)的不間斷電源系統(tǒng)能夠在保證用電安全的前提下有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。在安徽省金寨縣的小水電合并試點(diǎn)中，利用該系統(tǒng)對(duì)棗沖等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的三個(gè)中小規(guī)模水電發(fā)電站實(shí)行了有效的統(tǒng)一控制。同時(shí)，相比于其他的UPS系統(tǒng)，文中設(shè)計(jì)的電力專業(yè)不間斷電源在逆變電路中采用了多個(gè)集成芯片，并包括了多個(gè)檢測(cè)和保護(hù)電路，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，性能穩(wěn)定，成本低廉，控制更方便，在最大可能地滿足運(yùn)行參數(shù)要求的前提下，達(dá)到了產(chǎn)品輕量化、小型化和高集成化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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