并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)引言不間斷供電系統(tǒng)（Uninterruptible Power System，UPS）的出現(xiàn)是為了適應(yīng)信息社會(huì)的到來(lái)。為了保證對(duì)重要負(fù)載供電的連續(xù)性，滿足高新技術(shù)產(chǎn)品和設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量提出的越來(lái)越嚴(yán)格的技術(shù)要求。應(yīng)用模塊化并聯(lián)冗余技術(shù)的UPS系統(tǒng)進(jìn)一步提高了對(duì)負(fù)載供電的可靠性，同時(shí)也擴(kuò)大供電容量，是國(guó)內(nèi)外研究的熱門技術(shù)。利用多臺(tái)UPS模塊并聯(lián)運(yùn)行，都是以UPS擴(kuò)容或提高UPS可靠性為目的。不論采用何種并聯(lián)冗余連接技術(shù)，都是將多臺(tái)UPS單機(jī)的輸出端直接進(jìn)行連接。一般的UPS因?yàn)槎加心孀児╇娭骰芈泛团月饭╇娀芈穬蓷l供電回路，所以對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)相當(dāng)于有兩個(gè)電源。任

2、何兩個(gè)電源之間的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)都是一個(gè)單點(diǎn)故障點(diǎn)，即使兩個(gè)上游的電源再可靠，只要轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)一出現(xiàn)故障，都可能造成負(fù)載斷電，由于這種開(kāi)關(guān)的造價(jià)比較高，再加之其它技術(shù)因素，往往不能冗余并聯(lián)，專門作為一個(gè)模塊，有較高的可靠性要求。利用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（Static Transfer Switch，STS）統(tǒng)一集中控制并聯(lián)系統(tǒng)的主-旁路切換功能，實(shí)現(xiàn)快速切換和系統(tǒng)保護(hù)等一系列控制功能，是比較理想的控制方案。本文主要介紹模塊化并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊的設(shè)計(jì)方案，模塊控制采用DSP實(shí)現(xiàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)和完成一臺(tái)兩路（并聯(lián)系統(tǒng)輸出與旁路）220V單相輸入、10kVA/220V單相輸出的STS功能樣機(jī)，驗(yàn)證了該方案的

3、有效性。1.并聯(lián)組合式切換開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)目前的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大多是采用微處理器數(shù)字控制技術(shù)的，可以稱為數(shù)字型靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（Digital Static Transfer Switch，DSTS）。目前美國(guó)德州儀器（Texas Instruments，TI）公司的TMS320系列DSP已成為中大功率電力電子應(yīng)用場(chǎng)合的主流控制芯片，它的突出特點(diǎn)是采用了先進(jìn)的多總線并行結(jié)構(gòu)和流水線的工作方式，從而極大地提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和數(shù)字信號(hào)的處理能力。本系統(tǒng)采用的是TMS320LF2407A作為主控DSP芯片。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)包括兩類交流切換開(kāi)關(guān)：靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)和靜態(tài)并聯(lián)系統(tǒng)總輸出開(kāi)關(guān)。從快速切換的角度出發(fā)，每個(gè)切換開(kāi)關(guān)

4、與UPS單機(jī)的靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)可以完全一樣，采用一對(duì)可控硅背靠背連接或直接用三端雙向可控硅器件的可控硅型雙向開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。但為了增容需要而采用并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，在大功率輸出的情況下單用可控硅型STS損耗過(guò)大，發(fā)熱嚴(yán)重，惡劣條件下甚至?xí)?dǎo)致STS模塊的損壞。交流接觸器（圖1）是繼電器型交流切換開(kāi)關(guān)，可靠閉合后導(dǎo)通阻抗小、損耗小，是理想的交流電路連接方式，但是交流接觸器存在與繼電器型STS同樣的問(wèn)題，切換速度較慢，不能實(shí)現(xiàn)快速切換。因此采用上述兩者并聯(lián)的結(jié)構(gòu)是比較理想的方案。圖1交流接觸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖此外，在數(shù)字控制式STS中，用交流固態(tài)繼電器（SolidStateRelay，SSR）來(lái)替代雙向可控硅，可以實(shí)

5、現(xiàn)方便的數(shù)字控制。SSR的結(jié)構(gòu)（圖2）可以看作是采用光耦隔離控制的雙向可控硅，直接使用數(shù)字信號(hào)就能驅(qū)動(dòng)。圖2交流固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖SSR切換速度快，便于控制，可直接與數(shù)控芯片的I/O口相接；交流接觸器雖然切換速度慢，但穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通阻抗小、損耗小，利用中間繼電器驅(qū)動(dòng)接觸器簡(jiǎn)單可靠。采用交流接觸器與固態(tài)繼電器并聯(lián)組合式結(jié)構(gòu)的STS，配合有效的切換邏輯控制，可實(shí)現(xiàn)STS的快速切換和正常情況下的低損耗運(yùn)行。單相STS模塊的結(jié)構(gòu)框圖下圖所示。圖3單相STS模塊結(jié)構(gòu)框圖2.同步切換邏輯靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是一個(gè)獨(dú)立的模塊，通用程度高，但是單獨(dú)運(yùn)作的結(jié)果就會(huì)造成模塊之間操作時(shí)序的不一致，如果控制命令出現(xiàn)沖突就會(huì)造

6、成邏輯矛盾，嚴(yán)重情況下甚至?xí)鹣到y(tǒng)與負(fù)載的損壞，因此必須采用合理的切換邏輯來(lái)避免這類情況的發(fā)生。并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓與旁路電壓之間存在同步與非同步兩種狀態(tài)，非同步狀態(tài)下，兩電源電壓存在相位差或幅值差。非同步狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)若發(fā)生切換動(dòng)作會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是引起負(fù)載波形異常或供電的瞬時(shí)中斷；二是旁路電源與并聯(lián)系統(tǒng)電源之間產(chǎn)生了相當(dāng)于短路狀態(tài)的瞬態(tài)沖擊電流，損壞系統(tǒng)。以上兩個(gè)問(wèn)題都是由切換發(fā)生時(shí)的兩電源瞬態(tài)電壓差引起的，為了保障可靠切換，安全的切換操作必須在瞬態(tài)電壓差足夠小的情況下執(zhí)行。STS在執(zhí)行切換命令時(shí)必須視同步情況做出能否切換的判斷。同步切換的原則是“先斷后合”，必須等待一方的接觸器完全動(dòng)作后才

7、能執(zhí)行下一步操作，以保障不出現(xiàn)旁路電源與并聯(lián)系統(tǒng)電源并聯(lián)的狀態(tài)。3.非故障狀態(tài)的切換過(guò)程圖4正常開(kāi)機(jī)的切換過(guò)程開(kāi)機(jī)初始，并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓還沒(méi)有建立，STS檢測(cè)旁路電源正常后，會(huì)先切換到旁路供電狀態(tài)，當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓正常并且與旁路電壓同步鎖相時(shí)馬上切換到UPS系統(tǒng)供電狀態(tài)。關(guān)機(jī)旁路切換是開(kāi)機(jī)切換的反動(dòng)作。這兩類切換是系統(tǒng)在正常工作時(shí)受人為控制而產(chǎn)生的主動(dòng)行為，都是非故障狀態(tài)的切換動(dòng)作，切換過(guò)程比較平穩(wěn)，不存在特殊的切換時(shí)序，只需要保證不間斷供電即可。正常開(kāi)機(jī)采用的切換控制時(shí)序如圖4所示（電源接口黑色表示供電正常，白色表示無(wú)電；SSR黑色表示導(dǎo)通，白色表示關(guān)斷）。同樣地，手動(dòng)關(guān)機(jī)旁路過(guò)程是正常

8、開(kāi)機(jī)過(guò)程的反動(dòng)作，可直接參照以上控制時(shí)序進(jìn)行反操作即可，不再贅述。4.故障狀態(tài)的切換過(guò)程故障狀態(tài)下需要采取的操作是切換到旁路供電。傳統(tǒng)意義上，針對(duì)UPS并聯(lián)系統(tǒng)的故障狀態(tài)主要有以下四種：過(guò)載、過(guò)壓、短路、斷電。過(guò)載程度分為負(fù)載額定容量的100%120%、120%150%和150%以上三檔。過(guò)載120%以下時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，但不執(zhí)行切換動(dòng)作，維持正常供電狀態(tài)；過(guò)載120%150%時(shí)，10分鐘后切換為旁路工作狀態(tài)；過(guò)載150%以上時(shí)，1分鐘后切換旁路。在未限流的情況下，理論上UPS輸出電壓波形仍保持為正弦波，且與旁路電壓鎖相，執(zhí)行切換操作的過(guò)程完全與手動(dòng)關(guān)機(jī)旁路過(guò)程一致。切換市電旁路供電之后，若過(guò)載狀態(tài)

9、消除，需要能回切UPS并聯(lián)系統(tǒng)供電狀態(tài)，回切過(guò)程參照正常開(kāi)機(jī)過(guò)程（圖4）的階段3階段6。過(guò)壓是并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓幅值過(guò)高。UPS單機(jī)調(diào)試正常后進(jìn)行并聯(lián)裝配成的并聯(lián)冗余系統(tǒng)，這種情況比較少見(jiàn)，為保障負(fù)載供電的持續(xù)，切換時(shí)也必須保證“先斷后合”的原則，先可靠斷開(kāi)并聯(lián)系統(tǒng)供電，再瞬時(shí)切換到旁路。負(fù)載短路會(huì)造成對(duì)UPS的瞬間沖擊性高強(qiáng)度電流。在硬件限流的前提下，STS在短路的狀態(tài)下不進(jìn)行旁路切換，直接關(guān)閉對(duì)負(fù)載的所有供電回路（圖5），等待檢修完成后，重新上電啟動(dòng)。短路操作目的在于保護(hù)UPS并聯(lián)冗余系統(tǒng)。短路狀態(tài)判斷依據(jù)是并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓持續(xù)過(guò)低，且輸出過(guò)流。圖5短路狀態(tài)的切換過(guò)程斷電的緊急狀態(tài)是系統(tǒng)模塊

10、化分散控制無(wú)法逃避的問(wèn)題，因STS的斷電檢測(cè)有延時(shí)，由于控制時(shí)序的差異，UPS單機(jī)模塊很有可能在STS尚未進(jìn)行切換操作時(shí)就采取保護(hù)性關(guān)機(jī)措施，造成系統(tǒng)斷電，所以瞬時(shí)斷電對(duì)于并聯(lián)冗余系統(tǒng)來(lái)說(shuō)幾乎不能避免，這也是與單機(jī)模塊靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)的重要區(qū)別。既然不能實(shí)現(xiàn)完美的“零時(shí)序”切換，就必須保證在負(fù)載能容忍的斷電間隔內(nèi)動(dòng)作，一般要求為4ms10ms以內(nèi)。斷電檢測(cè)是否快速可靠是能否及時(shí)切換旁路的關(guān)鍵。區(qū)別于短路判斷，斷電的判斷依據(jù)是并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓持續(xù)過(guò)低，且輸出電流同樣過(guò)低。通常的交流有效值計(jì)算是在一個(gè)工頻周期內(nèi)完成的，至少有20ms延時(shí)，不能滿足斷電判斷的要求。利用滑動(dòng)窗口模型（Sliding Win

11、dow Model）計(jì)算瞬時(shí)有效值，運(yùn)算快速，對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，是比較理想的瞬時(shí)斷電檢測(cè)方案。交流采樣信號(hào)的有效值計(jì)算公式為：VRMS為交流信號(hào)的有效值，v(i)為經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的離散化采樣數(shù)據(jù)，N是采樣周期點(diǎn)數(shù)。因DSP匯編語(yǔ)言計(jì)算平方根需調(diào)用龐大的子程序，為簡(jiǎn)化運(yùn)算，這里取下式：V*RMS是交流信號(hào)有效值的等效結(jié)果，是為了防止計(jì)算值溢出而添加的調(diào)節(jié)系數(shù)。交流信號(hào)通過(guò)精密整流濾波電路獲得如圖6所示的整流波形，若交流信號(hào)的直流成分很小，可以認(rèn)為正弦信號(hào)的對(duì)稱性較好，每個(gè)正弦半波的有效值是相同的，周期采樣點(diǎn)數(shù)可以減少到半個(gè)工頻周期（10ms），即：因DSP采樣周期為50&#

12、181;s，半個(gè)工頻周期寬度的滑動(dòng)窗口大小設(shè)置為N=200。連續(xù)取200個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為200，這200個(gè)數(shù)使用式3進(jìn)行處理得到的結(jié)果稱為交流信號(hào)的瞬時(shí)有效值。每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)就放入隊(duì)列的隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的數(shù)據(jù)（先進(jìn)先出原則），重新對(duì)新的隊(duì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到新的瞬時(shí)有效值，以此遞推。每個(gè)DSP工作周期（50µs）都會(huì)得到一次計(jì)算結(jié)果，若持續(xù)n次計(jì)算的瞬時(shí)有效值小于設(shè)定的閾值，就認(rèn)為是斷電發(fā)生。斷電檢測(cè)的時(shí)間取決于n的值，n越小檢測(cè)速度越快，但易受干擾，可根據(jù)實(shí)際調(diào)整。斷電發(fā)生時(shí)，因并聯(lián)系統(tǒng)輸出無(wú)電，不存在同步切換的問(wèn)題，為保證切換快速，可以不等待UPS并

13、聯(lián)系統(tǒng)輸出端接觸器完全斷開(kāi)，直接切換市電旁路供電，切換過(guò)程如下：圖7斷電狀態(tài)的切換過(guò)程切換過(guò)程中負(fù)載短時(shí)掉電，同時(shí)出現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)與市電旁路的輸出端口暫時(shí)相接狀態(tài)，必須保證UPS單機(jī)模塊關(guān)機(jī)時(shí)輸出端口繼電器的可靠關(guān)斷，否則會(huì)對(duì)UPS單機(jī)造成沖擊。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證該方案，設(shè)計(jì)了一臺(tái)兩路（并聯(lián)系統(tǒng)輸出與旁路）220V單相輸入、10kVA/220V單相輸出的STS功能樣機(jī)。圖8為實(shí)驗(yàn)波形，Vbyp為市電旁路電壓，Vsys為UPS并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓，Vo為靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊輸出電壓（負(fù)載電壓），Sbyp為旁路切換信號(hào)，Ssys為并聯(lián)系統(tǒng)輸出切換信號(hào)。旁路電源為市電，受諧波干擾比較嚴(yán)重，波形有明顯的畸變；U

14、PS并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓失真度小，光滑度好。正常切換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯地分辨出切換前后負(fù)載電壓的波形變化，整個(gè)切換過(guò)程流暢，無(wú)斷電狀態(tài)發(fā)生，負(fù)載供電具有很好的穩(wěn)定性。為防止沖擊性負(fù)載導(dǎo)致誤判短路而使負(fù)載斷電的情況發(fā)生，輸出電壓過(guò)低且輸出電流過(guò)流的短路判斷需維持10個(gè)工頻周期才確認(rèn)為負(fù)載短路發(fā)生，在這段時(shí)間內(nèi)，完全依靠UPS各單機(jī)模塊的限流保護(hù)功能維持，輸出電流波形被限流電路削頂，限流點(diǎn)為瞬時(shí)電流10A。短路判定后，STS直接封閉所有輸出供電通道，保護(hù)并聯(lián)系統(tǒng)。(a)正常開(kāi)機(jī)旁路切換并聯(lián)系統(tǒng)供電實(shí)驗(yàn)波形(Vbyp:200V/div;Vsys:200V/div;Vo:200V/div;Ssys:20V

15、/div;t:10ms/div)(b)手動(dòng)關(guān)機(jī)旁路切換過(guò)程實(shí)驗(yàn)波形(Vbyp:200V/div;Vsys:200V/div;Vo:200V/div;Sbyp:20V/div;t:10ms/div)(c)負(fù)載短路切換過(guò)程實(shí)驗(yàn)波形(Vo:200V/div;Io:5A/div;Ssys:20V/div;t:50ms/div)(d)  斷電切換過(guò)程實(shí)驗(yàn)波形( Vbyp:200V/div; Vsys:200V/div; Vo:200V/div; Sbyp:20V/div; t:10ms/div )以系統(tǒng)關(guān)機(jī)模擬斷電狀態(tài)，斷電檢測(cè)速度很快，即時(shí)發(fā)送切換指令。由于樣機(jī)采用的固態(tài)繼電器為電壓過(guò)零開(kāi)通型，實(shí)驗(yàn)波形表明負(fù)載斷電延時(shí)有10ms，若換用即時(shí)開(kāi)