数字化Delta型UPS的设计与实现

汪玉凤 ，刘翘楚 ，韩 阳 ，赵 锐

（1.辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；2.辽河油田电力集团公司，辽宁 锦州 121209）

随着国民经济的迅猛发展，各种各样用电负载的增加对电网造成的压力越来越大。非线性负载、冲击性负载、波动性负载在工业现场中的广泛应用使电网中存在的问题越来越多，也越来越复杂。与此同时，各种复杂和精密的用电设备对电能质量的要求也越来越高。不间断供电电源(UPS)具有稳压、稳频、抗干扰、防止浪涌等功能，在电网停止供电时，可对负载进行短时供电[1]。因此，UPS日益成为重要负载设备不可或缺的配套设施。

本文介绍的数字化Delta型UPS是通过不断改进UPS的算法使得UPS的性能越来越好，与现有UPS相比，克服了其损耗大、工作效率低、稳定性差等缺点，使各项性能指标均得到了很大的提高。因此，Delta型UPS具有很大的市场价值与理论研究意义。

1 Delta型UPS的电路结构及工作原理

Delta型UPS主要由串联补偿变压器、Delta变换器、主变换器、主静态开关、旁路静态开关和蓄电池组等部分组成。其电路结构图如图1所示。

Delta型UPS与传统的后备式、在线互动式、双变换在线式UPS相比，具有以下优点：整机效率高，功率余量大，可双向四象限工作，可对市电电压波动值进行正负补偿。可输出高性能指标的交流电源。

Delta型UPS共有3条供电通道向用户的负载供电，如图2所示。

图2 Delta型UPS工作原理图

(1)主供电通道：市电电源→主静态开关→串联补偿变压器→负载。

市电供电正常时：当市电电压在380 V±15%范围内波动时，如图2(a)所示。不稳定的市电电源经主供电通道向用户负载供电，同时输出电压通过Delta变换器对补偿变压器进行负反馈调节，使Delta型UPS输出的电压精度在±1%的范围内。

(2)主变换器供电通道：蓄电池组→主变换器→负载。

市电供电不正常时：当市电输入的电压波动超过±15%时，如图2(b)所示。主变换器在蓄电池组提供的直流能量下，以逆变器的形式向用户负载供电。

(3)交流旁路供电通道：市电电源→旁路静态开关→负载。

交流旁路供电状态：当Delta型UPS在运行过程中遇到输出过载或输出短路、主变换器或Delta变换器故障、温升过高等情况之一时[2]，主静态开关关断，无论市电供电正常与否，市电电源将直接经旁路送到用户的负载上。

2 系统硬件设计

为了提高系统的人性化设计、提高人机交互和通信的能力，本文采取DSP和ARM相结合的方式实现了Delta型UPS的全数字化。DSP控制两个变换器协调工作，完成预定的算法。ARM完成UPS的通信和人机交互任务。

2.1 主电路设计

本文设计的Delta型UPS采用三相三线制。系统指标：输出电压为220/380 V，50 Hz输出额定容量为 10 kVA。主电路如图3所示。

图3 Delta型UPS主电路图

(1)Delta变换器：由三相IGBT半桥电路组成，具有双四象限工作特性，以SPWM方式工作，对电网电压基波偏差和谐波进行补偿。

(2)主变换器：同样由三相IGBT半桥电路组成，具有双四象限工作特性，以SPWM方式工作，并联在UPS的输出端。

(3)蓄电池组：由两组电池串联供电，为UPS提供持续的能量。

(4)静态开关：由晶闸管组成，DSP对其进行控制。主静态开关用于连接市电和UPS输入，旁路静态开关用于市电和UPS输出的切换，手动开关用于维修调试。

2.2 控制电路设计

本文采用TMS320F2812数字信号处理器作为主控制芯片，控制电路如图4所示。

图4 Delta型UPS控制电路图

Delta变换器和主变换器都使用了SPWM技术和基于DQ坐标变换的指令信号检测方法。Delta变换器选择直接电流反馈的控制方法，主变换器选择波形瞬时值比较的控制方法，DSP通过调用相应的控制算法产生PWM驱动信号使Delta变换器和主变换器工作。当负载电压高于标准电压时，主变换器吸收功率，工作在整流状态，进行负补偿；当负载电压低于标准电压时，主变换器输出功率，工作在逆变状态[3]。

CPLD选择Altera公司的复杂可编程逻辑器件EPM3256ATC144-7。CPLD完成电平转换和外设扩展，DSP完成数据采集、数据处理(指令信号的生成)、系统保护等功能，并按补偿量的要求给两个变换器提供脉宽信号驱动，协调变换器工作。

2.3 人机交互和通信电路设计

ARM在本文设计的Delta型UPS系统中完成通信和人机交互的功能。选择三星公司ARM9内核的S2C2440A作为人机交互和通信的核心芯片。其结构图如图5所示。

ARM完善了UPS的网络监控功能，它能以图形界面的形式清楚地将UPS的输入输出电压、电池状况、负载状况等信息显示出来[4]，方便了工作人员对系统的管理与维护。

3 软件设计

软件部分主要包括以DSP为核心的控制算法和以ARM为核心的人机交互及通信程序。

本文选择TMS320F2812作为算法实现的核心，主要实现A/D采集控制、SPWM信号产生、数值PI调节、锁相跟踪控制、DQ变换反变换、数字滤波等。ARM部分主要实现人机交互和通信。软件平台选择微软公司专门为嵌入式系统设计的操作系统WINCE5.0。人机交互界面使用美国NI公司的LabVIEW编程实现。

程序的总体思想是用中断实现前台关键和周期性的任务（如 PWM、A/D），后台实现对实时性能要求不高的任务(如ARM系统的通信、对故障的处理)。程序主流程图如图6所示。

ARM平台上移植了微软公司的WINCE系统，使用LABVIEW作为上位机人机界面和通信程序的开发平台。

4 实验与仿真

4.1 系统仿真

图6 主程序流程图

本文选用PSIM9.0作为仿真软件，PSIM是专用于电力电子仿真的软件。系统仿真的总体框图如图7所示，主要包括Delta变换器、主变换器和蓄电池模块。

当电网电压下降15%时，电网输入A相电压Va_in和主变换器输出A相电压Va_out的波形如图8所示。

当电网电压上升15%时，电网输入A相电压Va_in和主变换器输出A相电压Va_out的波形如图9所示。

由图8、图 9可以证明，Delta型 UPS对电网电压起到了稳定的作用。

4.2 实验

根据本文设计搭建了UPS实验电路，并做了单相的UPS实验，验证了理论设计的正确性。主变换器输出实验波形如图10所示。SPWM驱动波形如图11所示，上半部方波表示与电网电压同步的方波，下半部的波形表示按照正弦规律调制的PWM驱动波形。

实验结果表明，实验得到的波形基本上实现了对电压谐波的抑制和补偿，主变换器能够输出纯净的正弦波，可为负载提供一个理想的交流稳压电源。

本文将DSP和ARM技术相结合，实现了Delta型UPS的全数字化控制，通过上位机界面实现了对UPS运行状态的监控，解决了现有UPS工作效率低、稳定性差、负载能力有限等问题。经PSIM仿真和实验基本验证了Delta型UPS对市电电压、电流的调节和补偿功能。

[1]刘维罡，沈颂华.Delta变换型UPS的控制策略及仿真研究[J].电力自动化设备，2007，27(4)：14-18.

图11 同步信号和SPWM信号

[2]徐海琦.基于 Delta逆变技术的UPS研究[D].南宁：广西大学，2007.

[3]刘俊萍.Delta型数字化 UPS系统的研究[D].株洲：湖南工业大学，2007.

[4]李崇辉.UPS监控的重要性及实现方法[J].UPS应用，2007(1)：39-42.