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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, 因此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。经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

　　当前的静态转换开关大多是采用微处理器数字控制技术的, 能够称为数字型静态转换开关( Digital Static Transfer Switch, DSTS) 。当前美国德州仪器( 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能够完全一样, 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, 可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
　　另外, 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, 能够实现方便的数字控制。SSR的结构( 图2) 能够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, 可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而且与旁路电压同步锁相时马上切换到UPS系统供电状态。关机旁路切换是开机切换的反动作。这两类切换是系统在正常工作时受人为控制而产生的主动行为, 都是非故障状态的切换动作, 切换过程比较平稳, 不存在特殊的切换时序, 只需要保证不间断供电即可。正常开机采用的切换控制时序如图4所示( 电源接口黑色表示供电正常, 白色表示无电; SSR黑色表示导通, 白色表示关断) 。

　　同样地, 手动关机旁路过程是正常开机过程的反动作, 可直接参照以上控制时序进行反操作即可, 不再赘述。

　　4.故障状态的切换过程

　　故障状态下需要采取的操作是切换到旁路供电。传统意义上, 针对UPS并联系统的故障状态主要有以下四种: 过载、 过压、 短路、 断电。

　　过载程度分为负载额定容量的100%~120%、 120%~150%和150%以上三档。过载120%以下时系统报警, 但不执行切换动作, 维持正常供电状态; 过载120%~150%时, 10分钟后切换为旁路工作状态; 过载150%以上时, 1分钟后切换旁路。在未限流的情况下, 理论上UPS输出电压波形仍保持为正弦波, 且与旁路电压锁相, 执行切换操作的过程完全与手动关机旁路过程一致。切换市电旁路供电之后, 若过载状态消除, 需要能回切UPS并联系统供电状态, 回切过程参照正常开机过程( 图4) 的阶段3~阶段6。

　　过压是并联系统输出电压幅值过高。UPS单机调试正常后进行并联装配成的并联冗余系统, 这种情况比较少见, 为保障负载供电的持续, 切换时也必须保证”先断后合”的原则, 先可靠断开并联系统供电, 再瞬时切换到旁路。

　　负载短路会造成对UPS的瞬间冲击性高强度电流。在硬件限流的前提下, STS在短路的状态下不进行旁路切换, 直接关闭对负载的所有供电回路( 图5) , 等待检修完成后, 重新上电启动。短路操作目的在于保护UPS并联冗余系统。短路状态判断依据是并联系统输出电压持续过低, 且输出过流。

图5短路状态的切换过程
　　断电的紧急状态是系统模块化分散控制无法逃避的问题, 因STS的断电检测有延时, 由于控制时序的差异, UPS单机模块很有可能在STS尚未进行切换操作时就采取保护性关机措施, 造成系统断电, 因此瞬时断电对于并联冗余系统来说几乎不能避免, 这也是与单机模块静态旁路开关的重要区别。既然不能实现完美的”零时序”切换, 就必须保证在负载能容忍的断电间隔内动作, 一般要求为4ms~10ms以内。

　　断电检测是否快速可靠是能否及时切换旁路的关键。区别于短路判断, 断电的判断依据是并联系统输出电压持续过低, 且输出电流同样过低。一般的交流有效值计算是在一个工频周期内完成的, 至少有20ms延时, 不能满足断电判断的要求。利用滑动窗口模型( Sliding Window Model) 计算瞬时有效值, 运算快速, 对周期性干扰有良好的抑制作用, 平滑度高, 是比较理想的瞬时断电检测方案。

　　交流采样信号的有效值计算公式为:

　　VRMS为交流信号的有效值, v(i)为经过A/D转换的离散化采样数据, N是采样周期点数。因DSP汇编语言计算平方根需调用庞大的子程序, 为简化运算, 这里取下式:

　　V*RMS是交流信号有效值的等效结果, α是为了防止计算值溢出而添加的调节系数。

　　交流信号经过精密整流滤波电路获得如图6所示的整流波形, 若交流信号的直流成分很小, 能够认为正弦信号的对称性较好, 每个正弦半波的有效值是相同的, 周期采样点数能够减少到半个工频周期( 10ms) , 即:

　　因DSP采样周期为50µs, 半个工频周期宽度的滑动窗口大小设置为N=200。

连续取200个采样值看成一个队列, 队列的长度固定为200, 这200个数使用式3进行处理得到的结果称为交流信号的瞬时有效值。每次采样到一个新数据就放入队列的队尾, 并扔掉原来队首的数据( 先进先出原则) , 重新对新的队列数据进行计算得到新的瞬时有效值, 以此递推。每个DSP工作周期( 50µs) 都会得到一次计算结果, 若持续n次计算的瞬时有效值小于设定的阈值, 就认为是断电发生。断电检测的时间取决于n的值, n越小检测速度越快, 但易受干扰, 可根据实际调整。

　　断电发生时, 因并联系统输出无电, 不存在同步切换的问题, 为保证切换快速, 能够不等待UPS并联系统输出端接触器完全断开, 直接切换市电旁路供电, 切换过程如下:

图7断电状态的切换过程
　　切换过程中负载短时掉电, 同时出现并联系统与市电旁路的输出端口暂时相接状态, 必须保证UPS单机模块关机时输出端口继电器的可靠关断, 否则会对UPS单机造成冲击。

　　5.实验结果

　　为了验证该方案, 设计了一台两路( 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。图8为实验波形, Vbyp为市电旁路电压, Vsys为UPS并联系统输出电压, Vo为静态转换开关模块输出电压( 负载电压) , Sbyp为旁路切换信号, Ssys为并联系统输出切换信号。

　　旁路电源为市电, 受谐波干扰比较严重, 波形有明显的畸变; UPS并联系统输出电压失真度小, 光滑度好。正常切换的实验结果能够明显地分辨出切换前后负载电压的波形变化, 整个切换过程流畅, 无断电状态发生, 负载供电具有很好的稳定性。

　　为防止冲击性负载导致误判短路而使负载断电的情况发生, 输出电压过低且输出电流过流的短路判断需维持10个工频周期才确认为负载短路发生, 在这段时间内, 完全依靠UPS各单机模块的限流保护功能维持, 输出电流波形被限流电路削顶, 限流点为瞬时电流10A。短路判定后, STS直接封闭所有输出供电通道, 保护并联系统。

(a)正常开机旁路切换并联系统供电实验波形
　　(Vbyp:200V/div;Vsys:200V/div;Vo:200V/div;Ssys:20V/div;t:10ms/div)

　　(b)手动关机旁路切换过程实验波形　　
　　(Vbyp:200V/div;Vsys:200V/div;Vo:200V/div;Sbyp:20V/div;t:10ms/div)

　　(c)负载短路切换过程实验波形　　
　　(Vo:200V/div;Io:5A/div;Ssys:20V/div;t:50ms/div)

(d)  断电切换过程实验波形
( Vbyp:200V/div; Vsys:200V/div; Vo:200V/div; Sbyp:20V/div; t:10ms/div )
　　以系统关机模拟断电状态, 断电检测速度很快, 即时发送切换指令。由于样机采用的固态继电器为电压过零开通型, 实验波形表明负载断电延时有10ms, 若换用即时开通型SSR, 能够保证与切换信号同步开通, 把切换时间控制在5ms以内。

　　6.结论

　　基于DSP控制的模块化并联冗余UPS系统静态转换开关模块的设计方法已在实际产品中运用, 其控制方便实用、 智能化程度高, 是一种理想电源切换控制装置。静态转换开关的应用可不单单局限于UPS并联系统, 只要是设计用来实现两个同步交流电源之间进行不间断转换, 均可采用静态转换开关装置。同时, 数字技术的发展, 使得控制策略更加灵活多变, 静态转换开关装置的通用性更高, 应用领域更为广泛。