JCE 传感器在UPS逆变器并联系统中的应用

study9527

1引言
　　为了向关键负载提供纯净、高性能、高可靠性的电源，UPS越来越广泛的用于银行、证券、航空和军事等重要部门。同时，越来越多的民用场合也开始使用UPS来保证供电系统的稳定性。目前国内大容量的UPS将达到9000台/年的需要，并以15%以上的速度增长。市场客观,前景很好。为了提高系统的冗余性，UPS并联方案成为技术和市场的热点。在逆变器并联系统中，各个模块分担负载电流、便于能量分配；具有冗余功能，系统可靠性高；同时具有易于模块化、标准化、良好的维护性等优点。如何减小环流是逆变器并联技术的重点和难点。在各种并联方案中，基于电流瞬时值的均流控制策略，由于具有电压调整率好、动态响应快、均流效果佳，而被广泛的研究和应用。
本文在分析UPS并联系统的基础上，分析了JCE传感器在其中的重要意义。讨论了JCE传感器参数对系统的影响.最后给出相关实验和结论。
2 逆变器并联方案

                        

　              图1基于电流瞬时值控制的逆变器并联系统框图


　　基于电流瞬时值均流控制的逆变器并联系统框图如图1所示。每台UPS的逆变器的功率输出线直接连在一起后向负载提供能量。同步母线向单台UPS提供同步信息，保证正弦波基准的同频、同相。逆变器的输出电流采样通过均流控制单元产生均流环基准信号，均流基准信号与每台逆变器的输出电流进行PI调节，然后把误差信号叠加到单台逆变器的电压环上，实现UPS并联系统的无环流输出，保证每台UPS输出相同功率,实现负载均分。

    图2双环控制下的单台逆变器控制框图

　　单台逆变器控制方案中，可以采用电压单环控制、电感电流双环控制、电容电流双环控制等方案。由于电感电流双环控制具有动态响应快、系统静差小、自动限流功能。因此，本文研究中采用电感电流控制方案，控制框图如图2所示。其中Lf、Cf、Rf分别是输出滤波器的电感、电容和电感的寄生电阻；Gvcmp(S)和Gicmp(S)分别是电压环调节传递函数和电流环调节传递函数；M是脉宽调制电压比例增益；Kif、Kvf分别是电流环和电压环反馈系数。为了解耦单台逆变器和负载的关系、便于并联分析，输出电流当作扰动处理。通过戴维南变换，单台逆变器可以用电压源Vsysoj和输出阻抗Zoj所组成的等效电路替代，正如图1中所示。
3 电路实现
　　全桥电路由于其开关管电压应力低、控制方法灵活多样而被普遍采用为逆变器的主功率电路，如图3所示。其中S1、S2、S3、S4为IGBT功率管，在并联系统中，为了提高系统的抗干扰性，功率电路和控制电路一般不共地。

        图3全桥逆变器功率电路框图

　　图3中的V1为输出电压采样点。对于输出电压采样一般有工频变压器采样、差分电路采样和电压JCE采样。工频变压器体积大、失真度大、不能传递直流信号，因此不适合高精度采样场合; 差分电路虽然简单，方便，但是并没有实现真正的隔离，因此也不适用与并联场合。电压JCE由于其高精度、高可靠性、隔离性好而用于输出电压采样。C1、C2为电流采样点。其中C1为电感电流采样点，用于逆变器的电感电流内环控制，提高系统的动态响应和实现过流保护；C2为输出电流采样点，作为均流环控制,实现系统的无环流输出。
　　作为理想交流供电电源的逆变电路的输出电压应为正弦波，不含有直流分量。但实际上，对于采用SPWM调制技术的逆变器，由于基准正弦波的直流分量、控制电路中运算放大器的零漂、开关器件不一致以及驱动脉冲分配和死区时间的不对称等原因，造成输出电压含有直流分量. 在逆变器并联系统中，直流分量电压将会造成很大的直流环流，严重影响系统的均流性能，降低并联系统的可靠性。因此,在实际应用中，必须消除输出电压中的直流分量。

Uo是逆变器的输出电压，通过两级RC低通滤波器组成的二阶滤波电路，滤除交流成分。
该二阶滤波电路的传递函数为：
                                                                  

为了滤除交流电压成分，一般而言，RC滤波器的极点设置远远低于输出电压的基波频率。

                                                                 
(b) 满载下并联波形(Io1:10A/div; Io2:10A/div; Io1-Io2:10A/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:10ms/div)

　　集成运算放大器IC1、R4、R5、C3为比例积分电路，为了不对逆变器的控制系统产生影响，直流分量调理环路的带宽应远低于逆变器电压环的带宽，因此积分常数需取值较大，比例常数则需考虑后级光耦的增益作综合考虑加以选取。如果逆变器输出含有正的直流分量，则IC1的输出为一个正的直流电压值；如果输出含有负的直流分量，则IC1的输出为一个负的直流电压值。
　　集成运算放大器IC2与光耦组成一个隔离型的比例放大器，实现隔离。当直流分量为正时，IC2驱动OPT2，在电阻R7上产生一个负电压；当直流分量为负时，IC2驱动OPT1，在电阻R7上产生一个正电压。由此可见，光耦的输出与直流分量成负比例关系，R7上的电压可以直接叠加在基准正弦波信号上，从而消除直流分量。
                                                               

(c) 整流桥试验波形(Io1:10A/div; Io2:5A/div; Io1-　Io2:5A/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:5ms/div)
　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 试验波形   
4 实验结果
　　为了验证前面分析的正确性，两台1kW，220V输出的并联系统。其中电压JCE用L25P，电感电流和输出电流均采用AP。L25P具有出色的精度，良好的线性度，低温漂，最佳的反应时间，宽频带，无插入损坏，抗干扰能力强的优点。AP具有精度高，线性度好，过流能力强和隔离性好的特点。
图5(a)是输出电压和基准正弦波实验波形，输出电压的THD为0.6％，基准正弦波的正弦度较好，图5(b)是2KW满载情况下的实验波形；图5 (c)为整流桥负载下的实验波形。从实验结果可以看出，在不同的负载条件下，输出电压稳定，内部环流很小，具有很好的稳定性和快速的动态响应。在带线性负载时，输出直流分量为0.1V，带RCD整流桥非线性负载时，输出电压的直流分量为0.3V，系统的直流分量很小，能够满足应用系统的要求。

                                                

6  结论

　　UPS的市场需求越来越大，但是对UPS系统性能的要求也越来越高。UPS并联方案越来越受到市场的青睐。JCE传感器由于其隔离性好，精度高，线性度好，反应时间快和温漂低的优点广泛的应用与UPS的电压和电流采样场合。本文分析了逆变器并联方案的特点和技术实现方案。实验结果标明，系统的输出电压直流分量小，输出电压THD小，波形质量好，并联后环流小，动态响应良好，能够很好的满足工业要求。