電力專用在線式UPS系統設計

劉飛飛，石秀華，楊會濤，杜喜昭

（西北工業大學航海學院，陜西 西安 710072）

隨著科學技術的發展，特別是各種精密電子設備的廣泛應用，供電的連續性和供電質量的優越性對用戶來說就變得越來越重要，給各種電子設備提供高質量、高可靠性的電源也更加重要了。不間斷電源(UPS)正是基于這樣的工程需求產生的，它可以在市電正常檢修或故障停電時為負載提供穩定、可靠的電能供應。一般情況下，整個UPS系統應該包括整流器、蓄電池和逆變器三個主要部分。由于電力系統結構的特殊性，適用于電力控制的UPS只包括蓄電池和逆變器兩部分，其中的逆變器就是把由市電整流濾波后儲存得到的直流電能(或來自蓄電池的直流電)逆變成頻率穩定、輸出電壓受負載影響小、波形畸變因數滿足負載要求的高質量交流電。作為整個電力專業UPS供電系統的核心部分，逆變器控制系統設計的好壞在很大程度上決定了整個供電系統輸出電能的質量。

1 電力專用在線式UPS

1.1 后備式UPS與在線式UPS

按照一般的工程分類，不間斷電源（UPS）可以分為后備式和在線式兩種。后備式UPS，其“后備”的含義在于在市電和逆變器輸出都正常的情況下，負載優先使用市電供電，逆變電源一直處于熱備份狀態，不做功率輸出，只有當市電檢修或者因故障斷電時，通過切換單元使逆變電源向負載供電，保證負載供電的不間斷性，這類UPS主要適用于對電源質量要求較低的場合。在線式UPS，其“在線”的含義在于市電和逆變器輸出都正常的情況下，負載要優先使用逆變電源供電，只有當逆變器出現故障時，通過切換單元使市電直接向負載供電，保證負載不出現電力中斷的情況[1]，這種UPS主要適用于對電源質量要求比較高的場合。

1.2 電力專用UPS

相對于一般的UPS，結合電力系統結構特點設計的電力專用UPS系統有別于其他類型的不間斷電源。那是因為出于對控制可靠性的優先考慮，電力系統中心控制室的控制信號一般都是直流供電，這些電能通常都是由開關電源產生的。但是，開關電源的運行可靠性很難保證，于是還需要配備一個蓄電池組作為電力系統控制器的后備電源。也就是說，在電力系統的基本設備中已經包括了蓄電池組，那樣，在UPS系統的設計中也就無需考慮電力儲存設備。通常，電力系統中配備蓄電池組的直流母線電壓有220 VDC和110VDC兩種[2]，主要是為合閘裝置、繼電保護裝置、事故照明等特殊用電場合供電。電力專用在線式不間斷電源（UPS），就是利用電力系統配備的直流屏作為逆變器的直流輸入，經過逆變后為負載提供不間斷的電力供應，其結構如圖1所示。

電力專用UPS是根據電力系統的特點“量體裁衣”設計的，結合了常規UPS和電力系統的特點。其最大特點在于能夠執行了“市電”與“逆變”的不間斷切換，而不間斷電能輸出的各項主要指標都是由內部高性能的逆變控制器得以保證的。

1.3 系統基本組成

一個完整的UPS系統應該包括變壓器、整流模塊、蓄電池組、逆變器模塊，控制單元模塊以及其他的外部設備，主要有鍵盤、液晶LCD等，整個電力專用在線式UPS的結構框圖如圖2所示。

本文設計的電力專用在線式UPS，其輸入為蓄電池組輸出的直流電壓，輸出端為高質量的50 Hz/220 V交流電壓。所以，該系統不僅包括了結合電力系統結構特點的逆變器，還設計了包括單片機控制器[3]、電容緩沖電路、溫度檢測模塊、市網掉電檢測模塊、直流輸入檢測模塊、過電流檢測模塊、過電壓保護模塊和繼電器切換單元[4]。

2 系統硬件設計

2.1 MOSFET驅動電路設計

對于逆變電路中執行元器件驅動電路設計的好壞，不僅會影響電路運行的基本性能指標，還會直接影響到電路中電力電子器件工作的可靠性和相關的電氣性能。MOSFET的結構特點和開關規律決定了它驅動電路的設計必須要滿足以下要求：（1）滿足MOSFET快速轉換和高峰值電流的要求，減小MOSFET開關時的密勒效應，以縮短開關轉換時間和減低開關損耗；（2）應具備良好的電氣隔離性能，避免功率級電路對控制信號造成的干擾；（3）應該有負電源，一方面可以加快MOSFET的關斷速度，另一方面又能提高驅動電路的抗干擾能力，防止因零電壓附近尖峰電壓的作用使MOSFET出現誤導通；（4）傳輸延遲時間應盡可能小，以減小開關死區時間。

結合以上的要求，系統設計了基于集成芯片HCPL3120的MOSFET驅動電路。該芯片的輸出具有較寬的工作電壓，使其方便提供門控器件所需的驅動電壓,它適于額定容量為1 200 V／100 A的MOSFET。對于更高容量的MOSFET，可以通過使用外接電流緩沖器，擴展其驅動能力，驅動電路結構如圖3所示。

將單片機PWM 波形發生端口輸出的PWM 波連接到HCPL3120的控制信號輸入端，經過內部光藕隔離放大以后，輸出Vo為+20 V和0 V的電壓脈沖。D1為+5.1 V的穩壓管，以20V1_GND為零電位，則MOSFET管的S級電位為＋5 V，G極和S極的電壓位分別為＋15 V和－5 V，這樣可以抑制MOSFET的控制端信號在0 V上下時管子出現誤動作的情況，保證MOSFET的有效開關斷。不僅如此，在HCPL3120內部的光電隔離裝置，實現了輸入信號和輸出信號的相互隔離、互不干擾。

2.2 電容緩沖電路[5]

在主電路設計中，市電輸入端的設計中還包括了由電解電容C0、C2和高頻電容C1組成的電容緩沖電路，分別用于濾除逆變器輸入端的低次諧波和高次諧波，如圖4所示。當電源突然接通時，流過電容的充電電流很大，為了使該電流不至于太大而損壞電子元器件，需要接入限流電阻R1，以降低電源接通時充電電流的沖擊作用。當電容充電完畢以后，為了減少不必要的功率損耗，需要通過將繼電器開關K1吸合，把限流電阻R1切除。由于單片機輸出信號的驅動能力不足，不能直接驅動繼電器，所以需要將單片機的輸出信號經過芯片MC1413P放大以后驅動繼電器開關K1。

2.3 檢測和保護電路設計

2.3.1 掉電保護和電壓頻率檢測電路的設計

在UPS系統中，為了充分考慮用電安全，設計了多個信號檢測和保護電路。其中的最為主要的是掉電保護和電壓頻率檢測電路。該電路通過檢測市網電力的平均頻率來判斷市網是否處于正常運作狀態，如圖5所示。

將反相器D10:B的輸出端作為市電電壓頻率捕捉環節的單片機輸入端。把交流市電連接到光電耦合器D5的1腳和4腳，2腳和3腳短接。交流輸入大于5 V左右時，D5A導通，D5B不導通，因此8腳和6腳上的電位為0 V；交流輸入小于－5 V左右時，光藕D5B導通，D5A不導通，8腳為＋5 V和6腳上的電位為0 V；交流輸入在－5～＋5 V范圍之間時，光藕D5A、D5B均不導通，8腳和6腳上的電位為＋5 V。因此6腳的輸出波形是頻率為100 Hz的窄脈沖，8腳的輸出波形是頻率為50 Hz的窄脈沖。

8腳的波形經過到施密特反相器整形以后接到單片機PIC18F2331的CCP1端口，作為市電頻率的檢測數值。6腳上的脈沖經過兩個施密特反相器整形，連接到雙重可重復觸發的單穩態多諧振蕩器74HC123輸入端，然后與預設的脈沖正電壓部分寬度比較。如果實際的輸入電壓脈沖與預設電壓脈沖比較畸變較大，則可以認為此時市網已經掉電。

2.3.2 電壓檢測電路設計

直流電壓檢測電路如圖6所示，將直流電源經過限流電阻R65和R66接到霍爾電壓傳感器輸入端。經過霍爾傳感器的處理，將輸出結果輸入到單片機的AN1端。在這個電路的設計過程中，使用了限制輸出電壓的二極管V2和V3。因為二極管的導通電壓約為0.7 V，所以輸出電壓可以保持在－0.7～5.7 V之間，保證了經過霍爾元件處理以后輸出的接到單片機輸入端的電壓始終處于其單片機可靠電壓輸入范圍內。

2.3.3 溫度檢測電路

為了保證在工作電流長期超過額定電流運作時能夠檢測出溫度過高并可靠切斷電力運行電路，系統設計了溫度檢測和保護電路。該電路包括了熱敏電阻R2，限流電阻R1、溫控開關K3和電容,如圖7所示。當運行溫度沒有超過規定溫度上限的120%5 s以上時，電壓輸出端將5 V電壓接到單片機的AN4輸入端；當運行溫度長期高于設定溫度上限時，溫控開關K3打開，AN4對單片機輸入零電壓。經過單片機內部的程序運行可以準確判斷出，此時系統正運行在過溫狀態，需要進行進一步的應急動作。

2.3.4 電流檢測和保護電路

利用電流傳感器LA-58P來檢測負載電流，并將LA-58P的輸出電流接入電流檢測和保護電路的輸入端。如圖8所示[4]，首先運用精密整流電路將檢測跟隨器的輸入電流整流成為標準正弦波。設定電阻R33和R31阻值相同。在二極管V12的正向端將輸入電流整流成為負方向半波，通過加法器D12:B以后，這個電流被放大了兩倍，而原來的輸入電流則會被原樣輸出。同時，將D12:B的輸出信號送到過流比較器LM 393的正向輸入端，與預設的電壓基準比較。當正向輸入端的電壓值高于反向輸入端電壓時，比較器LM 393動作，輸出一個高電平，單片機檢測到在這個信號后，立刻關斷PWM 輸出，并關斷運行電路，以保護電路的運行安全，防止出現因過電流導致的元件燒毀和系統癱瘓事故。

3 控制系統軟件設計

3.1 PWM中斷子程序設計

PWM 中斷子程序流程圖見圖9所示。程序上電后，首先進行初始化，把各個標志位和數據RAM 清零。這些故障標志位包括短路標志位SHORTLOAD；過流標志位OVERLOAD；輸出過壓標志位NBOUT_HI；輸出欠壓標志位NBOUT_LO。只要這些標志位有一個有效，就可認為逆變器故障，應該使PWM無效，關掉逆變器。在經過5 s的自檢后，這些標志位被全部清零，并且FLTCONFIG寄存器的FLTAS位也要清零。這樣做就是讓逆變器在故障后，仍能自動自檢，自動啟動。

每次進入中斷后，首先判斷直流電壓是否過壓或欠壓。如果直流沒有故障，就判斷市電是否正常，市電正常后，逆變輸出要和市電同相位。如果市電掉電，逆變器要獨立進行查表得出正弦波波形。

保護故障標志位均無效時，才打開PWM中斷。逆變器的輸出基準電壓可在每次進入PWM 中斷內加1，以保證基準電壓的軟啟動，也即保證輸出逆變電壓的軟啟動。利用PI程序計算得出PI輸出值，使輸出電壓自動跟蹤基準值。如果逆變器檢測電壓比過壓基準電壓高連續超過5 s，則過壓標志位置1，關斷PWM。如果逆變器檢測電壓比欠壓基準電壓低連續超過5 s，則欠壓標志位置1，關斷PWM。

若市電掉電，則檢測逆變器運行標志位NB_RUN。如果此標志位為1，則采樣系統輸出正弦波并將其引入PI調節器。在PI調節器完成對于電壓的調節以后開始電壓檢測。在PI調節器的參數調節能力達到最大時還沒有到達預設的運行最高電壓，就判斷為欠電壓，或者PI調節器的參數調節能力為最小時，就已經大于系統運行的最小電壓，此時判斷為過電壓封鎖PWM 輸出，停止系統運行。在完成電壓檢測以后，開始進行逆變器輸出電流檢測。當此時逆變器的輸出電流大于系統額定電流150%,系統判斷為過載，封鎖PWM 輸出，系統運行停止。當逆變器輸出電流大于系統額定電流的120%但小于150%時，計數10 s以后封鎖PWM 輸出，系統關機。當逆變器輸出電流小于系統額定電流的120%時，計數1 min以后封鎖PWM輸出。

若市電沒有掉電，經過PI調節器調節以后判斷逆變器輸出電壓是否在（220±5）V，繼而控制逆變繼電器吸合。

3.2 中斷程序設計

由于PIC18F2331只有兩級中斷，高優先級中斷和低優先級中斷。程序設計有兩種中斷，PWM中斷和TIMR2中斷。因為TIMR2中斷為時間定時中斷，所以設TIMR2中斷為高優先級中斷，PWM中斷為低優先級中斷。

在程序初始化時，要對各個中斷優先級位、允許位、標志位分別賦初值。下面程序是PWM 中斷和TIMR2中斷的初始化。

BSF RCON，IPEN；中斷優先級使能

MOVLW B'11000000'

MOVWF INTCON;允許所有高優先級和低優先級使能

MOVLW B'00010000'

MOVWF PIE3;PWM中斷允許

MOVLW B'00000010'

MOVWF PIE1;TIMR2中斷允許

MOVLW B'00000000'

MOVWF PIR1;清TIMR2中斷標志

MOVLW B'00000000'

MOVWF PIR3;清PWM中斷標志位

MOVLW B'00000010'

MOVWF IPR1;TIMR2中斷高優先級

MOVLW B'00000000'

MOVWF IPR3;PWM中斷低優先級

當中斷標志位、使能位均被置位時，中斷將立即轉到000008H或000018H，轉到哪個地址取決于優先級設置。進入中斷后，通過GOTO語句，跳到中斷子程序，進行處理。

ORG 0x0008;高優先級中斷地址

call PUSH1

GOTO PWM 2_INT;進入TIMR2中斷子程序

ORG 0x0018;低優先級中斷地址

CALL PUSH1

GOTO PWM_INT;進入PWM中斷子程序

3.3 脈寬調制波形程序設計

PIC18F2331的核心任務是產生SPWM 波，即占空比按正弦規律變化的脈寬波，是采用三角波和正弦波形調制而成。其中，三角波頻率是9.6 kHz，正弦波的頻率是50 Hz，半個正弦周期內的采樣次數N=10 ms/(1/9.6 kHz)=96次。根據規則采樣方法，把一個周期的正弦值按三角波頻率進行均分，這樣就得出正弦表格。對于半個周期的正弦表格每一點值由下面公式決定：255sin(nπ/96)，n取0～96，PIC18F2331單片機為8位，其最大值為255。PIC18F2331的指令頻率為10 MHz，PWM功率模塊的時鐘周期為10μs，PWM模塊工作在連續上/下計數模式，PTPER的A=1/(2×9.6 kHz×100 ns)=521。由于單片機需要處理的數據是雙極性的，所以對切割值做了一些處理以獲得一個周期內非負值：其中中性值為原周期的一半，即260。這樣就實現了一個周期內切割值的整體上移。左橋臂的值送到PDCO寄存器，右橋臂送到PDC1寄存器。PWM 中斷有效時，PWM時基在上/下計數模式中進行配置，此模塊產生中心對齊的PWM 信號，隨著占空比的時序更新，PWM 引腳輸出相應變化。

4 結論

結合普通UPS的基本結構和電力系統的運作特點，利用PIC18F2331單片機設計的不間斷電源系統能夠在保證用電安全的前提下有效地實現系統的優化控制。在安徽省金寨縣的小水電合并試點中，利用該系統對棗沖等鄉鎮的三個中小規模水電發電站實行了有效的統一控制。同時，相比于其他的UPS系統，文中設計的電力專業不間斷電源在逆變電路中采用了多個集成芯片，并包括了多個檢測和保護電路，使整個系統結構簡潔，性能穩定，成本低廉，控制更方便，在最大可能地滿足運行參數要求的前提下，達到了產品輕量化、小型化和高集成化的設計目標。

[1]謝力華，蘇彥民.正弦波逆變電源的數字控制技術[J].電力電子技術，2001，35（12）：54-57.

[2]韓長利，李強，葛懷東.大容量模塊UPS在電場中的應用[J].電力技術，2010（9）：10-12.

[3]梁夢蕾.ADC選型指南[J].電子設計應用，2008（10）：54-60.

[4]周志敏主編.UPS應用與故障診斷[M].北京：中國電力出版社，2008.

[5]陳東.UPS/EPS/直流屏設備應用分析[J].中國交通信息化，2010（8）：26-27.