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1、摘要本文提出了一种基于两个并联控制器的新型控制方案，以提高UPS用PWM逆变器(pulse-width-modulated)的稳态和瞬态响应。控制器由重复控制器和瞬时控制器组成。为了消除周期性干扰，设计了重复控制器，并对瞬时控制器进行了综合，以改善系统的暂态响应。给出了重复控制器和瞬时控制器的综合设计方法。采用德州仪器公司的TMS320F240单片机实现了该控制方案。建造了一个7.5kVA的UPS，以验证拟议的控制方案。仿真和实验结果表明，基于DSP的全数字控制UPS既能实现较低的总谐波失真，又能获得良好的动态响应。关键词：不间断电源，数字化控制，DSPABSTRACTThis paper p
2、roposes a new control scheme based on two parallel controllers to improve the steady-state and transient response of a PWM-pulse-width-modulated UPS. The controller consists of a repeating controller and a momentary controller. In order to eliminate periodic interference, a repeating controller is d
3、esigned and a transient controller is integrated to improve the transient response of the system. The comprehensive design method of repetitive controller and instantaneous controller is given. The TMS320F240 single-chip microcomputer of Texas Instruments was used to implement the control scheme. A
4、7.5kVA UPS was built to validate the proposed control scheme. Simulation and experimental results show that the DSP-based fully digitally controlled UPS can achieve both low total harmonic distortion and good dynamic response.Keywords：Uninterruptible power supply, digital control,DSP目录摘要1ABSTRACT1第一
5、章 绪论41.1研究的背景及意义41.2国内外研究现状51.3 本课题主要研究内容6第二章 UPS分类与工作原理62.1UPS概述62.2UPS的分类72.2.1后备式 UPS72.2.2 在线互动式72.2.3 双变换在线式82.3基于DSP的UPS的整体结构92.4总结10第三章 逆变电路及脉宽调制技术研究103.1方波逆变电路103.2无差拍控制逆变器的控制原理113.3脉宽调制控制技术123.4本章小结12第四章 基于DSP的UPS系统的硬件和软件设计134.1主电路图和转换器模型134.2控制方法分析144.3重复控制器设计144.4.1稳定性分析154.4.2补偿器设计164.4.
6、3带限滤波器174.5瞬时控制器设计17第五章 模拟与实验结果19第六章 总结21致谢21参考文献22第一章 绪论1.1研究的背景及意义随着科学的发展和社会的进步，电力系统在我们的生活中起到了必不可少的作用，各个行业也都依赖于电力系统，例如医疗、航空、高铁等产业设备，而这些产业对电力的要求越来越高。越来越多的重要数据信息（如银行数据库、证券交易系统、电力系统等）要计算机进行数掘存储和处理，如果计算机在正常工作中突然断电，则计群机存储器内的数据和程序就会瞬间丢失或损坏，给国经济和国民生活带来严重的影响1。而通讯行业甚至要求每分每秒都需要供电，对供电的压力、频率等方面有着很高的要求，而传统的电源也
7、已经不能再满足人们对日常生活的需求。为了解决供电系统中的弊端，交流不间断电源应运而生。交流不间断电源即Uninterruptible Power Supply，简称UPS，它主要的目的是不间断供电，提高输出电能的质量和稳定的电压。一开始的UPS使用的是模拟控制电路系统，这种电路由大量的元器件组成，虽然由模拟控制系统组成的UPS已经随着技术的发展越来越成熟，但是仍然存在着些许不足与缺点：（1）电路元器件较多；（2）线路过于复杂；（3）制作成本过高等。随着技术的发展，现在的UPS基本上采用数字控制技术。DSP芯片解决了控制系统带来的电路元件器件较多，线路复杂等缺陷，它性能可靠，外形简单，体积轻小，
8、降低了成本。现在，高性能的 DSP 芯片已经开始被人们应用于 UPS 当中，采用 DSP 作为数字式控制核心的 UPS 拥有下面的几点优势：（1） 器件老化和温漂对系统的影响很小，系统长期运行时性能更加稳定；（2） DSP 自身可同时生成用于斩波电路和逆变电路的控制 ，从而可以极大地减少外围元器件的数量，方便新产品的设计；（3） 仅通过控制程序的更新就可以实现系统的改造或升级，应用灵活性好；（4） DSP 拥有强大的运算能力，复杂的控制算法也可以通过 DSP 实现；（5） DSP 芯片自带有 SCI、SPI 和 e CAN 等多种通信接口，方面联机通讯的实现，也方便多个设备的联机监控和调试 ，
9、方便 UPS 网络化运行的实现2-5 。1.2国内外研究现状UPS自成立以来，受到了世界各国的广泛关注。 如果突然停电，它可以为电气设备供电。 它的开发和应用已成为当今世界上非常有吸引力的新兴产业。 随着现代电力电子设备的飞速发展和其性能的不断提高，以及电路控制器的不断改进，不间断电源再次显示出其强大的生命力，尤其是在集成度和成本性能方面。 由于简单的外围控制电路和良好的性能指标，国际同行日益寻求它。UPS是一种新型的电源系统。从1960年代初期到现在，尽管只有几十年，但发展很快。在控制技术方面：最初的不间断电源使用简单的模拟电路，而没有复杂的控制逻辑。当主电源被切断时，发电机组被打开以实现电
10、源开关。后来，使用了低级位微控制器。作为控制装置，电池被用作能量存储元件。当主电源断开时，微控制器通过软件程序启动逆变器，以将电池的直流电流转换为交流电压并将其提供给负载。 UPS在中期使用高端16位微控制器。并以32位单片机为控制装置，实现了UPS的快速便捷控制；目前，大多数使用数字信号处理器的DPS控制电路，可以实现智能控制，故障检测和实时通讯的功能6。在功率设备方面，早期的UPS使用独立的电子组件，效率相对较低。 随着微电子技术的发展，当前大部分的UPS的使用晶闸管，高容量的功率晶体管IGBT，和绝缘栅双极型管体的高功率开关设备，大大提高了单个UPS的容量和可靠性。1982年，日本三菱公
11、司成功开发了一种新型的功率器件，该器件具有场效应频特性，可控的栅极电压，小的驱动电流和大的电流处理能力，即绝缘栅双极型晶体管IGBT， 山特是第一家应用该器件的公司。从那时起，UPS电源经历了巨大的改革。与发达国家相比，国内UPS技术起步较晚。 目前，国内主要的电源制造商和大学都在进行相关的研究工作，但大多数仍处于试验阶段，实际生产和民用之间还有长的时间。 目前，国内许多制造商只能生产中小型不间断电源，但其性能和可靠性与国外产品仍有一定距离，大多数国内大型电源市场都被外国公司占领。随着新的UPS电源技术的出现及其在实践中的逐步应用，可以想象到，未来的电源将朝着智能，网络，高频，绿色和数字化的方
12、向发展。1.3 本课题主要研究内容本文DSP的交流不间断电源所做的研究如下：第一章：通过阅读大量的国内外文献,叙述课题研究的意义,同时分析了国内外相关的现状,在此基础上提出本课题的研究设计工作。第二章：介绍了UPS的概念，再根据UPS的工作原理分为了三类：后备式 UPS、在线互动式、双变换在线式；介绍了三种不间断电源的系统框图。最后给出了基于DSP控制的在线式UPS系统结构框图。第三章：介绍两个常见的方波逆变器电路的原理，研究数字无差拍控制逆变器的控制原理，阐述脉宽调制技术的原理和各种实用的PWM调制方法，为以后的UPS电源设计提供理论依据。第四章：讲述了系统基于DSP的UPS系统的硬件和软件
13、设计，分别介绍了主电路图和转换器模型、控制方法分析、重复控制器设计、瞬时控制器设计。第五章：为了验证该控制方法的有效性，进行了仿真和实验。基于DSP的全数字控制7.5KVA的UPS逆变器工作在10KHz的开关频率下，和10KH的采样频率下。利用MATLAB和SIMULINK实现了UPS逆变器控制系统的综合和仿真，并得出仿真结果。第六章：对论文各章节进行总结,明确了后续研究。第二章 UPS分类与工作原理2.1UPS概述UPS又称不间断电源。这是一种含有储能装置，以逆变器为核心，能输出稳定、不间断电压的电源设备。在没有市电或市电故障时，UPS将机内蓄电池内存储的能量经过逆变器转化为工频交流电，为负
14、载提供可靠地、优质的、稳定的电源；当市电正常时，UPS将市电处理后提供给设备使用，同时对机内电池充电，把能量存储在蓄电池中，为设备提供频率稳定、稳压的高品质电源，同时能够降低电网电源对设备的干扰与影响7。2.2UPS的分类2.2.1后备式 UPS最早出现的 UPS 类型：后备式 UPS 的结构如图2.1所示。逆变器在电网供电正常时并不工作 ,电网通过旁路线路直接向负载供电；在电网异常时，转换开关切换至蓄电池供电模式，逆变器开始工作，因此称为后备式 8。当备用式UPS在电网中正常时，由于它是由电网直接供电而不进行电源转换，因此功率损耗小，输出容量大。 另外，由于其电路简单，成本低廉，可靠性高等特
15、点，在UPS开发初期还具有广泛的应用范围。但是，其输出电能质量较差，同时受限于转换开关的转换时间，功率难以做大，目前多以 2KVA以下的小功率设备为主，适于电能质量要求不高的设备使用9。图 2.1 后背式UPS结构框图2.2.2 在线互动式在线互动式UPS也称为并联补偿式不间断电源。在线交互式UPS也称为并联补偿不间断电源。与在线式UPS相比，在线交互式UPS省略了整流器电路和充电电路，并且由一个转换器组成，该转换器可以用作整流器电路和逆变器电路的巧妙方向转换，并带有一个电池组。市电正常时，双向转换器作为整流器为电池充电，即在整流状态下工作，当市电异常时，双向转换器以反相状态工作，将电池电源转换为交流电以提供负载。交互式UPS效率高，电路结构简单，成本低，输出能力强。但是，在大多数情况下，市电用于为负载供电。 UPS仅在电网上执行最简单的电压稳定，并且输出功率质量不高。当市电关闭时，转换会有一定的延迟，但是时间比备用UPS稍短，如图2.2所示。图2.2 在线互动式UPS原理框图2.2.3 双变换在线式双变换在线式是使用最广泛的UPS类型，其结构如图2.3所示。 当电网正常时，整流器对电网电压进行滤波后，首先将交流电网电压整流为直流电，再通过逆变器将其转换为交流电后为负载供电。关闭电源时，它由蓄电池组供电。逆变器逆变
