并联冗余UPS系统静态转换开关的方案设计书与实现.docVIP

并联冗余UPS系统静态转换开关的设计与实现 引言　　　　不间断供电系统（Uninterruptible Power System，UPS）的出现是为了适应信息社会的到来。为了保证对重要负载供电的连续性，满足高新技术产品和设备对供电质量提出的越来越严格的技术要求。应用模块化并联冗余技术的UPS系统进一步提高了对负载供电的可靠性，同时也扩大供电容量，是国内外研究的热门技术。　　　　利用多台UPS模块并联运行，都是以UPS扩容或提高UPS可靠性为目的。不论采用何种并联冗余连接技术，都是将多台UPS单机的输出端直接进行连接。一般的UPS因为都有逆变供电主回路和旁路供电回路两条供电回路，所以对负载来说相当于有两个电源。任何两个电源之间的转换开关都是一个单点故障点，即使两个上游的电源再可靠，只要转换开关一出现故障，都可能造成负载断电，由于这种开关的造价比较高，再加之其它技术因素，往往不能冗余并联，专门作为一个模块，有较高的可靠性要求。利用静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）统一集中控制并联系统的主-旁路切换功能，实现快速切换和系统保护等一系列控制功能，是比较理想的控制方案。　　　　本文主要介绍模块化并联冗余UPS系统静态转换开关模块的设计方案，模块控制采用DSP实现。通过设计和完成一台两路（并联系统输出与旁路）220V单相输入、10kVA/220V单相输出的STS功能样机，验证了该方案的有效性。　　　　1.并联组合式切换开关结构　　　　目前的静态转换开关大多是采用微处理器数字控制技术的，可以称为数字型静态转换开关（Digital Static Transfer Switch，DSTS）。目前美国德州仪器（Texas Instruments，TI）公司的TMS320系列DSP已成为中大功率电力电子应用场合的主流控制芯片，它的突出特点是采用了先进的多总线并行结构和流水线的工作方式，从而极大地提高了系统的运行速度和数字信号的处理能力。本系统采用的是TMS320LF2407A作为主控DSP芯片。　　　　静态转换开关包括两类交流切换开关：静态旁路开关和静态并联系统总输出开关。从快速切换的角度出发，每个切换开关与UPS单机的静态旁路开关结构可以完全一样，采用一对可控硅背靠背连接或直接用三端双向可控硅器件的可控硅型双向开关结构。但为了增容需要而采用并联冗余结构，在大功率输出的情况下单用可控硅型STS损耗过大，发热严重，恶劣条件下甚至会导致STS模块的损坏。交流接触器（图1）是继电器型交流切换开关，可靠闭合后导通阻抗小、损耗小，是理想的交流电路连接方式，但是交流接触器存在与继电器型STS同样的问题，切换速度较慢，不能实现快速切换。因此采用上述两者并联的结构是比较理想的方案。 图1交流接触器结构简图 　　此外，在数字控制式STS中，用交流固态继电器（SolidStateRelay，SSR）来替代双向可控硅，可以实现方便的数字控制。SSR的结构（图2）可以看作是采用光耦隔离控制的双向可控硅，直接使用数字信号就能驱动。 图2交流固态继电器结构简图 　　SSR切换速度快，便于控制，可直接与数控芯片的I/O口相接；交流接触器虽然切换速度慢，但稳定运行时导通阻抗小、损耗小，利用中间继电器驱动接触器简单可靠。采用交流接触器与固态继电器并联组合式结构的STS，配合有效的切换逻辑控制，可实现STS的快速切换和正常情况下的低损耗运行。单相STS模块的结构框图下图所示。　　 图3单相STS模块结构框图 　　2.同步切换逻辑　　　　静态转换开关是一个独立的模块，通用程度高，但是单独运作的结果就会造成模块之间操作时序的不一致，如果控制命令出现冲突就会造成逻辑矛盾，严重情况下甚至会引起系统与负载的损坏，因此必须采用合理的切换逻辑来避免这类情况的发生。　　　　并联系统的输出电压与旁路电压之间存在同步与非同步两种状态，非同步状态下，两电源电压存在相位差或幅值差。非同步状态出现时若发生切换动作会出现两个问题：一是引起负载波形异常或供电的瞬时中断；二是旁路电源与并联系统电源之间产生了相当于短路状态的瞬态冲击电流，损坏系统。以上两个问题都是由切换发生时的两电源瞬态电压差引起的，为了保障可靠切换，安全的切换操作必须在瞬态电压差足够小的情况下执行。STS在执行切换命令时必须视同步情况做出能否切换的判断。同步切换的原则是“先断后合”，必须等待一方的接触器完全动作后才能执行下一步操作，以保障不出现旁路电源与并联系统电源并联的状态。　　　　3.非故障状态的切换过程 图4正常开机的切换过程 开机初始，并联系统的输出电压还没有建立，STS检测旁路电源正常后，会先切换到旁路供电状态，当并联系统输出电压正常并且与旁路电压同步锁相时马