UPS的可靠運(yùn)行離不開各模塊的協(xié)調(diào)工作,，下面就UPS主要功能模塊電路拓?fù)溥M(jìn)行簡要分析。

    1．1 整流和功率因數(shù)校正電路

    整流電路在應(yīng)用中構(gòu)成直流電源裝置,，是公共電網(wǎng)與電力電子裝置的接口電路,，其性能將影響公共電網(wǎng)的運(yùn)行和用電質(zhì)量。高性能的UPS要求有較高的輸入功率因數(shù),，并盡量減少輸入電流的諧波分量

,。傳統(tǒng)單相UPS多采用模擬方法，三相UPS多采用相控式整流電路和電壓型單管整流電路,。

    1．1．1 傳統(tǒng)三相相控式整流電路和電壓型單管整流電路

    相控式整流電路采用半控式功率器件作為開關(guān),，存在著以下問題：

    1)網(wǎng)側(cè)諧波電流的存在將降低設(shè)備網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，增加無功功率,；

    2)相控整流換流方式,，導(dǎo)致?lián)Q流期中電網(wǎng)電壓畸變，不僅使自身電路性能受到影響,，而且對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾,，對(duì)同一接地點(diǎn)的網(wǎng)間其他設(shè)備帶來不良影響；

    3)相控整流環(huán)節(jié)是一個(gè)時(shí)滯環(huán)節(jié),，無法實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié),。

    電壓型單管整流電路是三相不控整流橋加Boost電路的簡稱，它的缺點(diǎn)是：電流峰值大,，不僅妨礙系統(tǒng)功率的提高,，也增加了導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；為了保持網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的提高,，Boost電路必須有一定的升壓比,，這對(duì)三相電路會(huì)導(dǎo)致直流輸出電壓過高。

    1．1．2 電流型三相橋式整流電路

    電流型三相橋式整流電路如圖1所示,，其優(yōu)點(diǎn)是反饋控制簡單,，不需要在控制電路中加入電流反饋，只須調(diào)節(jié)各開關(guān)管的占空比就可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化,；直流側(cè)的電壓較低,。缺點(diǎn)是輸入電流正弦度不是很好，在輸入側(cè)必須加入并聯(lián)電容,，實(shí)現(xiàn)移相,。這種電路現(xiàn)在開始成為研究的熱點(diǎn)之一。這種電路適用于大功率整流電路且對(duì)功率因數(shù)要求不高的場合,。

點(diǎn)擊看原圖

    1．1．3 電壓型三相橋式整流電路

    電壓型三相橋式整流電路如圖2所示,，其特點(diǎn)是采用高頻PWM整流技術(shù),，器件處于高頻開關(guān)狀態(tài)，由于器件的開通和關(guān)斷狀態(tài)可以控制,，所以整流器的電流波形是可控制的,。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可以得到與輸入電壓同相位的輸入電流，也就是輸入功率因數(shù)為1,，輸入電流的諧波含量可以接近為零,；能量可以雙向流動(dòng)，正常時(shí)能量從交流側(cè)向直流側(cè)流動(dòng),，直流輸出電壓高于給定值時(shí),，能量從直流側(cè)向交流側(cè)流動(dòng)，具有較高的轉(zhuǎn)換效率,。缺點(diǎn)是屬于Boost型整流電路,，直流側(cè)電壓要求較高。這種電路也是近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn),。

點(diǎn)擊看原圖

    1．2 蓄電池組和充放電電路

    蓄電池組是UPS的儲(chǔ)能單元，市電正常時(shí)它吸收來自市電的能量并以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存起來,，一旦市電中斷,，它把儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能向逆變器供電，維持負(fù)載供電的連續(xù)性,。在中小功率的UPS系統(tǒng)中,，電池組的電壓通常比較低，因此,，通常使用能量能夠雙向流動(dòng)的充放電電路[4],。大功率系統(tǒng)中為了提高效率，簡化電路通常直接把電池組并接在直流母線上,。

    1．3 逆變電路

    逆變器是UPS的核心,，它把直流電能轉(zhuǎn)換成用戶所需的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電能。下面仍以三相逆變器為對(duì)象分析近年來逆變器的研究熱點(diǎn),。

    1．3．1 三相半橋式逆變電路

    在三相逆變電路中以三相半橋橋式電路應(yīng)用最為普遍,，這種電路的特點(diǎn)是采用全控型器件組成逆變器，存在著功率密度高,，性能好,，小型輕量化等優(yōu)點(diǎn)。這種電路便于使用新的控制策略以提高逆變器的質(zhì)量,。但是,，要實(shí)現(xiàn)帶100％的獨(dú)立負(fù)載是比較困難的。

    1．3．2 H橋逆變器

    對(duì)于超大容量的逆變器,，由于功率等級(jí)的大幅度提高,，對(duì)逆變器的結(jié)構(gòu)提出了新的要求,，H橋臂逆變器便是選擇之一。這種逆變器輸出變壓器采用多繞組接法,，輸出變壓器的原邊采用3個(gè)獨(dú)立的繞組,，逆變器輸出采用3個(gè)獨(dú)立的H橋。這樣控制方便,，但是成本較高,。

    1．3．3 三相四橋臂變換技術(shù)

    由于三相電路中，三橋臂逆變器本身存在著固有的缺陷,，人們開始尋求新的電路結(jié)構(gòu),，于是出現(xiàn)了三相四橋臂逆變器，如圖3所示,。這種電路結(jié)構(gòu)輸出為三相四線制,，三相電壓可以獨(dú)立控制，控制方法靈活,，但是這種拓?fù)涞乃惴ū容^復(fù)雜,，PWM矢量在三維空間中旋轉(zhuǎn)，必須采用數(shù)字控制方法才能實(shí)現(xiàn)空間PWM波形的生成,，這種電路成為了近年來研究的熱點(diǎn)之一,。

點(diǎn)擊看原圖

    1.4 三相UPS整機(jī)電路

    1.4．1 傳統(tǒng)三相UPS電路結(jié)構(gòu)

  傳統(tǒng)的三相UPS結(jié)構(gòu)，輸入采用晶閘管整流,，輸出采用逆變器,，電池直接掛接于直流母線，整流器同時(shí)作為充電器,。輸出采用變壓器隔離,，可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出完全隔離，確保電網(wǎng)的擾動(dòng)不會(huì)對(duì)負(fù)載造成干擾,。市電斷電時(shí),，電池通過逆變器輸出穩(wěn)定的交流電；在逆變器出現(xiàn)故障時(shí),，通過旁路輸出電壓,，保證了供電的可靠性。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是體積和重量都比較大,。

    1．4．2高頻鏈?zhǔn)饺郩PS

    為了降低成本,，減小UPS的體積和重量，出現(xiàn)了高頻鏈?zhǔn)饺郩PS,，如圖4所示,。這種電路省去了龐大的工頻變壓器，輸入采用高頻整流,，可以獲得較高的輸入功率因數(shù)和較低的輸入諧波電流,。其缺點(diǎn)是輸入輸出沒有變壓器隔離,，電網(wǎng)的擾動(dòng)可能會(huì)給UPS的輸出造成擾動(dòng)；輸出三相電壓靠電池和電容中點(diǎn)形成中線,，所以在控制中必須保持正負(fù)直流電壓幅值的相等,，否則輸出中線會(huì)有較大的直流成分，對(duì)負(fù)載和負(fù)載中的變壓器不利,；輸入采用三相四線制,，中線有電流流過，可能會(huì)造成中線電位偏移,，對(duì)負(fù)載造成干擾,；輸入輸出不隔離，并聯(lián)時(shí)的環(huán)流問題較難解決,。

點(diǎn)擊看原圖

    1．4．3 新的在線互動(dòng)式UPS

    由于以上兩種UPS都要經(jīng)過兩次滿功率變換,，因此系統(tǒng)的效率較低，從提高系統(tǒng)效率的角度出發(fā),，出現(xiàn)了一種串并聯(lián)補(bǔ)償式的大容量結(jié)構(gòu),，是一種新的在線互動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖5所示,。這種拓?fù)漭斎胼敵鐾瑯記]有變壓器隔離,，所以會(huì)有高頻鏈?zhǔn)経PS的缺點(diǎn)。這種UPS的輸出頻率必須保持與電網(wǎng)一致,，而且對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)的抑制能力不強(qiáng)，因而供電質(zhì)量比傳統(tǒng)的三相UPS差,。它的特點(diǎn)是從輸入到輸出間的能量不是經(jīng)過滿功率的變換,，同樣是由兩個(gè)高頻變換器組成，但是變換器1最大只承受20％的功率,，從成本上講,，這種結(jié)構(gòu)的成本更低。在控制方法上,，變換器1是一個(gè)電壓補(bǔ)償器,，用于補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的畸變；變換器2是一個(gè)電流補(bǔ)償器,，用于補(bǔ)償負(fù)載的諧波電流,，并且在市電斷電時(shí)作為滿功率電壓型逆變器向負(fù)載供電。

點(diǎn)擊看原圖

    1．4.4 輸入輸出隔離的高頻鏈UPS

    由于傳統(tǒng)工頻UPS的輸入輸出帶有隔離變壓器,，輸出有很好的隔離特性,，高頻鏈?zhǔn)降腢PS有很好的輸入特性，因此,，出現(xiàn)了這種帶有輸入輸出隔離的高頻鏈?zhǔn)降腢PS如圖6所示,。由于高頻整流的缺點(diǎn),，在輸入側(cè)必須接一個(gè)自耦變壓器降壓，增加了整機(jī)的重量和成本,；另外,，由于輸入采用了高頻變換器，整機(jī)的效率比高頻鏈?zhǔn)胶蛡鹘y(tǒng)式UPS的效率都低,。但是,，由于輸入功率因數(shù)是1，沒有諧波電流,，所以所消耗的總電能低于傳統(tǒng)三相UPS,。

點(diǎn)擊看原圖

    1．4．5輸入輸出并聯(lián)的UPS

    這種電路中，輸入端由多個(gè)整流器并聯(lián)而成,，給直流母線供電,，同時(shí)直流母線給多個(gè)逆變器提供直流電壓，多個(gè)逆變器的輸出端直接連接同時(shí)給負(fù)載供電,。這種方式可以增強(qiáng)UPS的容量,，增加系統(tǒng)的可靠性，成本下降,，可維護(hù)性增強(qiáng),，但是，并聯(lián)模塊越多,，各模塊間的均流問題越難解決,。

    2 不間斷電源的控制技術(shù)

    隨著控制理論和功能豐富，性能優(yōu)良的各種微控制器的迅猛發(fā)展,，出現(xiàn)了多種離散化控制方法,。從控制反饋回路的數(shù)目可分為單環(huán)、雙環(huán),、多環(huán)控制,。在硬件允許的條件下盡可能地提高反饋回路數(shù)目，可以提高控制效果,。從控制原理上看包括數(shù)字PID控制,、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制,、重復(fù)控制,、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制,、神經(jīng)網(wǎng)路控制,、空間矢量控制等方法。

    數(shù)字PID控制控制的適應(yīng)性好，具有較強(qiáng)的魯棒性,；算法簡單明了,，便于用單片機(jī)或DSP實(shí)現(xiàn)。但是存在兩方面的局限性：一方面是系統(tǒng)的采樣量化誤差降低了算法的控制精度,；另一方面,，采樣和計(jì)算延時(shí)使得被控系統(tǒng)成為一個(gè)具有純時(shí)間滯后的系統(tǒng)，造成PID控制器穩(wěn)定域減少,，增加了設(shè)計(jì)難度,。

    預(yù)測(cè)控制可以實(shí)現(xiàn)很小的輸出電流畸變，抗噪音能力強(qiáng),，但是,，這種算法要求知道精確的負(fù)載模型和電路參數(shù)，因此魯棒性差,，而且由于數(shù)值計(jì)算造成的延時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中也是一個(gè)問題,。滯環(huán)控制具有快速的響應(yīng)速度，較高的穩(wěn)定性,，但是滯環(huán)控制的開關(guān)頻率不固定,，使電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜變差,，對(duì)系統(tǒng)性能不利,。

    無差拍控制的基本思想是根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號(hào)推算出下一個(gè)開關(guān)周期的PWM脈沖寬度，因此,，從理論上可以使輸出電壓在相位和幅值上都非常接近參考電壓,，由負(fù)載變化或非線性負(fù)載

引起的輸出電壓誤差可在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)得到校正。但是,，無差拍控制是一種基于被控制對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的控制方法,，魯棒性很差。

    滑摸控制是一種非線性控制,，這種控制的特點(diǎn)是控制的非連續(xù)性。這種控制既可以用于線性系統(tǒng)也可用于非線性系統(tǒng),。這種控制方法具有很強(qiáng)的魯棒性,。缺點(diǎn)是要得到一個(gè)令人滿意的滑模面是很困難的。

    重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法,。逆變器采用重復(fù)控制的目的是為了消除因整流橋負(fù)載引起的輸出電壓波形周期性的畸變,。重復(fù)控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，但是,，由于重復(fù)控制延時(shí)一個(gè)工頻周期的控制特點(diǎn),，使得單獨(dú)使用重復(fù)控制的UPS逆變器動(dòng)態(tài)特性極差。

    模糊控制屬于智能控制的范疇。模糊控制器的設(shè)計(jì)不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,，因此具有很強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性,。模糊控制類似于傳統(tǒng)的PD控制，因而這種控制有很快的響應(yīng)速度,，但是其靜態(tài)特性不令人滿意,。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制是模擬人腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動(dòng)的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力,、并行計(jì)算能力和較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn),，已廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域，尤其是非線性系統(tǒng)領(lǐng)域,。目前在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),、學(xué)習(xí)算法等方面已取得了一定成果。但是,，由于硬件系統(tǒng)的限制,，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還無法實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓波形進(jìn)行在線控制，多數(shù)應(yīng)用都是采用離線學(xué)習(xí)獲得優(yōu)化的控制規(guī)律,，然后利用得到的規(guī)律實(shí)現(xiàn)在線控制,。

    諧波注入式PWM技術(shù)，直流母線電壓的利用率基本上可以達(dá)到loo％,。這種方法對(duì)于電壓開環(huán)的控制系統(tǒng)非常有效,，但在閉環(huán)控制系統(tǒng)中由于諧波注入的初始相位必須與基波保持一致，在電壓瞬時(shí)值控制中電壓基波的初始相位無法精確定位而難以應(yīng)用,。

    空間矢量PWM具有電流畸變小,、直流母線電壓利用率高以及易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來得到了較多的應(yīng)用,。這種控制方式也需要電路的精確模型,。

    上述各種控制方案都有其優(yōu)勢(shì)，但是也有其不足,。同時(shí)采用不同的控制方法形成復(fù)合控制的控制方案在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用,，取得了較好的效果。

    3 不間斷電源設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在的問題

    美國UPS廠商APC．公司,，總結(jié)并歸納了UPS供電系統(tǒng)當(dāng)前面臨的,、也是今后必須解決的5個(gè)方面的問題:

    1)生命成本周期問題；

    2)不間斷電源系統(tǒng)的可適應(yīng)性及可擴(kuò)展性問題,；

    3)提高不間斷電源的可用性問題,；

    4)不間斷電源對(duì)供電系統(tǒng)的可管理性問題；

    5)可服務(wù)性問題,。

    4 不間斷電源的最新發(fā)展動(dòng)向

    不間斷電源的發(fā)展動(dòng)向是UPS的多機(jī)并聯(lián)冗余化,，采用冗余并機(jī)技術(shù)提高UPS的容量和可靠性；采用功能更豐富的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制，使各種先進(jìn)的復(fù)雜控制算法得以運(yùn)用而不斷提高UPS的性能,，即向數(shù)字化和高頻化發(fā)展,；UPS的進(jìn)一步智能化和網(wǎng)絡(luò)化，使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成為不間斷網(wǎng)絡(luò),。

    4．1 UPS的多機(jī)并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)冗余化

    UPS的并聯(lián)技術(shù)可以帶來以下幾個(gè)方面的好處：

    1)可以靈活地?cái)U(kuò)大電源系統(tǒng)的容量,；

    2)可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運(yùn)行的可靠性：

    3)極高的系統(tǒng)可維修性，當(dāng)單臺(tái)電源出現(xiàn)故障時(shí),，可以很方便地通過熱插拔的方式進(jìn)行更換和維修,。

    采用并聯(lián)技術(shù)可以形成具有容錯(cuò)功能的冗余式供電系統(tǒng)，從目前掌握的資料來看,，主要有以下幾種冗余配置方案：

    1)集中式并聯(lián)控制,；

    2)主從式并聯(lián)控制；

    3)分散式并聯(lián)控制,；

    4)環(huán)鏈?zhǔn)讲⒙?lián)控制,；

    5)無線式并聯(lián)控制。

    這幾種并聯(lián)方式,，從可靠性的角度看,，集中式最差，無線式控制最好,，也成為近年來的研究熱點(diǎn),。

    4．2 UPS的數(shù)字

化、高頻化

    最初的UPS采用模擬控制方法有很多局限性,。隨著數(shù)字處理器計(jì)算速度的不斷提高,，使得各種先進(jìn)的數(shù)字控制方法得以實(shí)現(xiàn)，使UPS的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性,，設(shè)計(jì)周期縮短,，性能大為提高。UPS高頻化,，有效地減小了裝置的體積和重量,，并可消除變壓器和電感的音頻噪音，同時(shí)改善了輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,。數(shù)字化控制方法成了當(dāng)今交流電源領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn),，一種必然的發(fā)展趨勢(shì)是各種方法相互滲透，互相結(jié)合形成復(fù)合控制方案,。數(shù)字化復(fù)合控制是UPS控制的一個(gè)發(fā)展方向,。

    4．3 UPS的智能化,、網(wǎng)絡(luò)化

    為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,，UPS中已經(jīng)開始配置RS232接口、RS485接口、USB接口,、SNMP卡和MODEM結(jié)合,，成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一部分，具有以下優(yōu)異的智能化,、網(wǎng)絡(luò)化特性,。

    1)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能它對(duì)UPS各模擬參量和表示工作狀態(tài)的開關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)高速采樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式監(jiān)控,。

    2)自診斷,、自保護(hù)功能 UPS將實(shí)時(shí)采集來的各項(xiàng)模擬參量和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)中的關(guān)鍵硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)與正常值進(jìn)行分析比較，以判斷UPS是否有故障隱患存在,。如果有故障,，根據(jù)相應(yīng)的故障信息級(jí)別在控制面板的顯示屏上以友好的圖形界面、文字提示方式報(bào)警,，或者在現(xiàn)場和控制室以指示燈燈光,、報(bào)警器嗚叫方式報(bào)警、也可以用自動(dòng)撥通電話等方式報(bào)警,，并做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作,。

    3)人機(jī)對(duì)話的控制方式 大型UPS可向用戶提供監(jiān)控器液晶顯示屏，以圖形和文字方式顯示工作流程和參數(shù)信息,?？梢蕴峁┳層脩舨僮鞯目梢暬藛巍２⒁詭椭筒粩嗵崾镜姆绞揭龑?dǎo)用戶按照既定方式處理故障,，有效防止誤操作,。

    4)遠(yuǎn)程控制功能在網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，UPS不僅應(yīng)能向由它直接供電的硬件設(shè)備提供保護(hù),，還應(yīng)該對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸途徑進(jìn)行全面地保護(hù),，使之成為不間斷網(wǎng)絡(luò)。這就意味著UPS應(yīng)配置相應(yīng)的電源監(jiān)控軟件,、SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)管理器,，使其具有遠(yuǎn)程管理能力，用戶可執(zhí)行UPS與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信操作,，使UPS成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要組成部分,。這樣，由網(wǎng)管員通過網(wǎng)管軟件監(jiān)控多臺(tái)UPS,，而且被管理的UPS可以在同一個(gè)LAN也可以在不同的LAN,，甚至可以通過互聯(lián)網(wǎng)，納入網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)來管理UPS,。

    由于未來網(wǎng)絡(luò)的廣泛化和全球化,，必然帶來網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化,，多種形式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接在一起。作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分,，要求UPS能夠?qū)崿F(xiàn)在各種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的監(jiān)控,，而且隨著Internet、Intranet和電子商務(wù)的超高速發(fā)展,，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可用性要求會(huì)越來越高,，使UPS從對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備的保護(hù)延伸至對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路徑的保護(hù)。