电力专用在线式UPS系统设计

刘飞飞，石秀华，杨会涛，杜喜昭

（西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072）

随着科学技术的发展，特别是各种精密电子设备的广泛应用，供电的连续性和供电质量的优越性对用户来说就变得越来越重要，给各种电子设备提供高质量、高可靠性的电源也更加重要了。不间断电源(UPS)正是基于这样的工程需求产生的，它可以在市电正常检修或故障停电时为负载提供稳定、可靠的电能供应。一般情况下，整个UPS系统应该包括整流器、蓄电池和逆变器三个主要部分。由于电力系统结构的特殊性，适用于电力控制的UPS只包括蓄电池和逆变器两部分，其中的逆变器就是把由市电整流滤波后储存得到的直流电能(或来自蓄电池的直流电)逆变成频率稳定、输出电压受负载影响小、波形畸变因数满足负载要求的高质量交流电。作为整个电力专业UPS供电系统的核心部分，逆变器控制系统设计的好坏在很大程度上决定了整个供电系统输出电能的质量。

1 电力专用在线式UPS

1.1 后备式UPS与在线式UPS

按照一般的工程分类，不间断电源（UPS）可以分为后备式和在线式两种。后备式UPS，其“后备”的含义在于在市电和逆变器输出都正常的情况下，负载优先使用市电供电，逆变电源一直处于热备份状态，不做功率输出，只有当市电检修或者因故障断电时，通过切换单元使逆变电源向负载供电，保证负载供电的不间断性，这类UPS主要适用于对电源质量要求较低的场合。在线式UPS，其“在线”的含义在于市电和逆变器输出都正常的情况下，负载要优先使用逆变电源供电，只有当逆变器出现故障时，通过切换单元使市电直接向负载供电，保证负载不出现电力中断的情况[1]，这种UPS主要适用于对电源质量要求比较高的场合。

1.2 电力专用UPS

相对于一般的UPS，结合电力系统结构特点设计的电力专用UPS系统有别于其他类型的不间断电源。那是因为出于对控制可靠性的优先考虑，电力系统中心控制室的控制信号一般都是直流供电，这些电能通常都是由开关电源产生的。但是，开关电源的运行可靠性很难保证，于是还需要配备一个蓄电池组作为电力系统控制器的后备电源。也就是说，在电力系统的基本设备中已经包括了蓄电池组，那样，在UPS系统的设计中也就无需考虑电力储存设备。通常，电力系统中配备蓄电池组的直流母线电压有220 VDC和110VDC两种[2]，主要是为合闸装置、继电保护装置、事故照明等特殊用电场合供电。电力专用在线式不间断电源（UPS），就是利用电力系统配备的直流屏作为逆变器的直流输入，经过逆变后为负载提供不间断的电力供应，其结构如图1所示。

电力专用UPS是根据电力系统的特点“量体裁衣”设计的，结合了常规UPS和电力系统的特点。其最大特点在于能够执行了“市电”与“逆变”的不间断切换，而不间断电能输出的各项主要指标都是由内部高性能的逆变控制器得以保证的。

1.3 系统基本组成

一个完整的UPS系统应该包括变压器、整流模块、蓄电池组、逆变器模块，控制单元模块以及其他的外部设备，主要有键盘、液晶LCD等，整个电力专用在线式UPS的结构框图如图2所示。

本文设计的电力专用在线式UPS，其输入为蓄电池组输出的直流电压，输出端为高质量的50 Hz/220 V交流电压。所以，该系统不仅包括了结合电力系统结构特点的逆变器，还设计了包括单片机控制器[3]、电容缓冲电路、温度检测模块、市网掉电检测模块、直流输入检测模块、过电流检测模块、过电压保护模块和继电器切换单元[4]。

2 系统硬件设计

2.1 MOSFET驱动电路设计

对于逆变电路中执行元器件驱动电路设计的好坏，不仅会影响电路运行的基本性能指标，还会直接影响到电路中电力电子器件工作的可靠性和相关的电气性能。MOSFET的结构特点和开关规律决定了它驱动电路的设计必须要满足以下要求：（1）满足MOSFET快速转换和高峰值电流的要求，减小MOSFET开关时的密勒效应，以缩短开关转换时间和减低开关损耗；（2）应具备良好的电气隔离性能，避免功率级电路对控制信号造成的干扰；（3）应该有负电源，一方面可以加快MOSFET的关断速度，另一方面又能提高驱动电路的抗干扰能力，防止因零电压附近尖峰电压的作用使MOSFET出现误导通；（4）传输延迟时间应尽可能小，以减小开关死区时间。

结合以上的要求，系统设计了基于集成芯片HCPL3120的MOSFET驱动电路。该芯片的输出具有较宽的工作电压，使其方便提供门控器件所需的驱动电压,它适于额定容量为1 200 V／100 A的MOSFET。对于更高容量的MOSFET，可以通过使用外接电流缓冲器，扩展其驱动能力，驱动电路结构如图3所示。

将单片机PWM 波形发生端口输出的PWM 波连接到HCPL3120的控制信号输入端，经过内部光藕隔离放大以后，输出Vo为+20 V和0 V的电压脉冲。D1为+5.1 V的稳压管，以20V1_GND为零电位，则MOSFET管的S级电位为＋5 V，G极和S极的电压位分别为＋15 V和－5 V，这样可以抑制MOSFET的控制端信号在0 V上下时管子出现误动作的情况，保证MOSFET的有效开关断。不仅如此，在HCPL3120内部的光电隔离装置，实现了输入信号和输出信号的相互隔离、互不干扰。

2.2 电容缓冲电路[5]

在主电路设计中，市电输入端的设计中还包括了由电解电容C0、C2和高频电容C1组成的电容缓冲电路，分别用于滤除逆变器输入端的低次谐波和高次谐波，如图4所示。当电源突然接通时，流过电容的充电电流很大，为了使该电流不至于太大而损坏电子元器件，需要接入限流电阻R1，以降低电源接通时充电电流的冲击作用。当电容充电完毕以后，为了减少不必要的功率损耗，需要通过将继电器开关K1吸合，把限流电阻R1切除。由于单片机输出信号的驱动能力不足，不能直接驱动继电器，所以需要将单片机的输出信号经过芯片MC1413P放大以后驱动继电器开关K1。

2.3 检测和保护电路设计

2.3.1 掉电保护和电压频率检测电路的设计

在UPS系统中，为了充分考虑用电安全，设计了多个信号检测和保护电路。其中的最为主要的是掉电保护和电压频率检测电路。该电路通过检测市网电力的平均频率来判断市网是否处于正常运作状态，如图5所示。

将反相器D10:B的输出端作为市电电压频率捕捉环节的单片机输入端。把交流市电连接到光电耦合器D5的1脚和4脚，2脚和3脚短接。交流输入大于5 V左右时，D5A导通，D5B不导通，因此8脚和6脚上的电位为0 V；交流输入小于－5 V左右时，光藕D5B导通，D5A不导通，8脚为＋5 V和6脚上的电位为0 V；交流输入在－5～＋5 V范围之间时，光藕D5A、D5B均不导通，8脚和6脚上的电位为＋5 V。因此6脚的输出波形是频率为100 Hz的窄脉冲，8脚的输出波形是频率为50 Hz的窄脉冲。

8脚的波形经过到施密特反相器整形以后接到单片机PIC18F2331的CCP1端口，作为市电频率的检测数值。6脚上的脉冲经过两个施密特反相器整形，连接到双重可重复触发的单稳态多谐振荡器74HC123输入端，然后与预设的脉冲正电压部分宽度比较。如果实际的输入电压脉冲与预设电压脉冲比较畸变较大，则可以认为此时市网已经掉电。

2.3.2 电压检测电路设计

直流电压检测电路如图6所示，将直流电源经过限流电阻R65和R66接到霍尔电压传感器输入端。经过霍尔传感器的处理，将输出结果输入到单片机的AN1端。在这个电路的设计过程中，使用了限制输出电压的二极管V2和V3。因为二极管的导通电压约为0.7 V，所以输出电压可以保持在－0.7～5.7 V之间，保证了经过霍尔元件处理以后输出的接到单片机输入端的电压始终处于其单片机可靠电压输入范围内。

2.3.3 温度检测电路

为了保证在工作电流长期超过额定电流运作时能够检测出温度过高并可靠切断电力运行电路，系统设计了温度检测和保护电路。该电路包括了热敏电阻R2，限流电阻R1、温控开关K3和电容,如图7所示。当运行温度没有超过规定温度上限的120%5 s以上时，电压输出端将5 V电压接到单片机的AN4输入端；当运行温度长期高于设定温度上限时，温控开关K3打开，AN4对单片机输入零电压。经过单片机内部的程序运行可以准确判断出，此时系统正运行在过温状态，需要进行进一步的应急动作。

2.3.4 电流检测和保护电路

利用电流传感器LA-58P来检测负载电流，并将LA-58P的输出电流接入电流检测和保护电路的输入端。如图8所示[4]，首先运用精密整流电路将检测跟随器的输入电流整流成为标准正弦波。设定电阻R33和R31阻值相同。在二极管V12的正向端将输入电流整流成为负方向半波，通过加法器D12:B以后，这个电流被放大了两倍，而原来的输入电流则会被原样输出。同时，将D12:B的输出信号送到过流比较器LM 393的正向输入端，与预设的电压基准比较。当正向输入端的电压值高于反向输入端电压时，比较器LM 393动作，输出一个高电平，单片机检测到在这个信号后，立刻关断PWM 输出，并关断运行电路，以保护电路的运行安全，防止出现因过电流导致的元件烧毁和系统瘫痪事故。

3 控制系统软件设计

3.1 PWM中断子程序设计

PWM 中断子程序流程图见图9所示。程序上电后，首先进行初始化，把各个标志位和数据RAM 清零。这些故障标志位包括短路标志位SHORTLOAD；过流标志位OVERLOAD；输出过压标志位NBOUT_HI；输出欠压标志位NBOUT_LO。只要这些标志位有一个有效，就可认为逆变器故障，应该使PWM无效，关掉逆变器。在经过5 s的自检后，这些标志位被全部清零，并且FLTCONFIG寄存器的FLTAS位也要清零。这样做就是让逆变器在故障后，仍能自动自检，自动启动。

每次进入中断后，首先判断直流电压是否过压或欠压。如果直流没有故障，就判断市电是否正常，市电正常后，逆变输出要和市电同相位。如果市电掉电，逆变器要独立进行查表得出正弦波波形。

保护故障标志位均无效时，才打开PWM中断。逆变器的输出基准电压可在每次进入PWM 中断内加1，以保证基准电压的软启动，也即保证输出逆变电压的软启动。利用PI程序计算得出PI输出值，使输出电压自动跟踪基准值。如果逆变器检测电压比过压基准电压高连续超过5 s，则过压标志位置1，关断PWM。如果逆变器检测电压比欠压基准电压低连续超过5 s，则欠压标志位置1，关断PWM。

若市电掉电，则检测逆变器运行标志位NB_RUN。如果此标志位为1，则采样系统输出正弦波并将其引入PI调节器。在PI调节器完成对于电压的调节以后开始电压检测。在PI调节器的参数调节能力达到最大时还没有到达预设的运行最高电压，就判断为欠电压，或者PI调节器的参数调节能力为最小时，就已经大于系统运行的最小电压，此时判断为过电压封锁PWM 输出，停止系统运行。在完成电压检测以后，开始进行逆变器输出电流检测。当此时逆变器的输出电流大于系统额定电流150%,系统判断为过载，封锁PWM 输出，系统运行停止。当逆变器输出电流大于系统额定电流的120%但小于150%时，计数10 s以后封锁PWM 输出，系统关机。当逆变器输出电流小于系统额定电流的120%时，计数1 min以后封锁PWM输出。

若市电没有掉电，经过PI调节器调节以后判断逆变器输出电压是否在（220±5）V，继而控制逆变继电器吸合。

3.2 中断程序设计

由于PIC18F2331只有两级中断，高优先级中断和低优先级中断。程序设计有两种中断，PWM中断和TIMR2中断。因为TIMR2中断为时间定时中断，所以设TIMR2中断为高优先级中断，PWM中断为低优先级中断。

在程序初始化时，要对各个中断优先级位、允许位、标志位分别赋初值。下面程序是PWM 中断和TIMR2中断的初始化。

BSF RCON，IPEN；中断优先级使能

MOVLW B'11000000'

MOVWF INTCON;允许所有高优先级和低优先级使能

MOVLW B'00010000'

MOVWF PIE3;PWM中断允许

MOVLW B'00000010'

MOVWF PIE1;TIMR2中断允许

MOVLW B'00000000'

MOVWF PIR1;清TIMR2中断标志

MOVLW B'00000000'

MOVWF PIR3;清PWM中断标志位

MOVLW B'00000010'

MOVWF IPR1;TIMR2中断高优先级

MOVLW B'00000000'

MOVWF IPR3;PWM中断低优先级

当中断标志位、使能位均被置位时，中断将立即转到000008H或000018H，转到哪个地址取决于优先级设置。进入中断后，通过GOTO语句，跳到中断子程序，进行处理。

ORG 0x0008;高优先级中断地址

call PUSH1

GOTO PWM 2_INT;进入TIMR2中断子程序

ORG 0x0018;低优先级中断地址

CALL PUSH1

GOTO PWM_INT;进入PWM中断子程序

3.3 脉宽调制波形程序设计

PIC18F2331的核心任务是产生SPWM 波，即占空比按正弦规律变化的脉宽波，是采用三角波和正弦波形调制而成。其中，三角波频率是9.6 kHz，正弦波的频率是50 Hz，半个正弦周期内的采样次数N=10 ms/(1/9.6 kHz)=96次。根据规则采样方法，把一个周期的正弦值按三角波频率进行均分，这样就得出正弦表格。对于半个周期的正弦表格每一点值由下面公式决定：255sin(nπ/96)，n取0～96，PIC18F2331单片机为8位，其最大值为255。PIC18F2331的指令频率为10 MHz，PWM功率模块的时钟周期为10μs，PWM模块工作在连续上/下计数模式，PTPER的A=1/(2×9.6 kHz×100 ns)=521。由于单片机需要处理的数据是双极性的，所以对切割值做了一些处理以获得一个周期内非负值：其中中性值为原周期的一半，即260。这样就实现了一个周期内切割值的整体上移。左桥臂的值送到PDCO寄存器，右桥臂送到PDC1寄存器。PWM 中断有效时，PWM时基在上/下计数模式中进行配置，此模块产生中心对齐的PWM 信号，随着占空比的时序更新，PWM 引脚输出相应变化。

4 结论

结合普通UPS的基本结构和电力系统的运作特点，利用PIC18F2331单片机设计的不间断电源系统能够在保证用电安全的前提下有效地实现系统的优化控制。在安徽省金寨县的小水电合并试点中，利用该系统对枣冲等乡镇的三个中小规模水电发电站实行了有效的统一控制。同时，相比于其他的UPS系统，文中设计的电力专业不间断电源在逆变电路中采用了多个集成芯片，并包括了多个检测和保护电路，使整个系统结构简洁，性能稳定，成本低廉，控制更方便，在最大可能地满足运行参数要求的前提下，达到了产品轻量化、小型化和高集成化的设计目标。

[1]谢力华，苏彦民.正弦波逆变电源的数字控制技术[J].电力电子技术，2001，35（12）：54-57.

[2]韩长利，李强，葛怀东.大容量模块UPS在电场中的应用[J].电力技术，2010（9）：10-12.

[3]梁梦蕾.ADC选型指南[J].电子设计应用，2008（10）：54-60.

[4]周志敏主编.UPS应用与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2008.

[5]陈东.UPS/EPS/直流屏设备应用分析[J].中国交通信息化，2010（8）：26-27.