回顧不間斷電源UPS的發(fā)展,并對新一代智能型UPS的功能作了介紹,同時(shí),詳細(xì)描述了當(dāng)前主要的UPS控制技術(shù).

0引言

隨著電子技術(shù)與信息科技的發(fā)展,計(jì)算機(jī)、多媒體、互聯(lián)網(wǎng)等各式各樣的信息應(yīng)用正快速地滲入社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展,分布式的信息發(fā)展模式已告確立,由于信息本身就是最高附加值的產(chǎn)物,為了確保信息安全與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,其對電源品質(zhì)的要求也就更加嚴(yán)格.

近年來UPS的需求不僅大幅度增長,使用者對于UPS的功能與品質(zhì)的要求也持續(xù)增加.傳統(tǒng)以模擬電路控制為主的UPS己無法達(dá)到智能化的需求,引進(jìn)微電腦數(shù)字控制技術(shù)乃大勢所趨.UPS的發(fā)展將進(jìn)入全數(shù)字化的時(shí)代,傳統(tǒng)的模擬控制UPS即將走進(jìn)歷史,取而代之的將是外型美觀、安全可靠、輕薄短小的微電腦數(shù)字控制式智能型UPS.

1UPS的發(fā)展


UPS從最初的飛輪發(fā)電機(jī)到今天,已度過了40多個(gè)春秋,由單一旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式發(fā)展到今天多功能的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式、靜止變換式、旋轉(zhuǎn)靜止結(jié)合式等三大類.最早的UPS原本是用途廣泛的電力保障設(shè)備,它的雛形是帶有飛輪的發(fā)電機(jī)組,飛輪作為能量貯存裝置,其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率極低、維護(hù)困難.目前,這種旋轉(zhuǎn)發(fā)電式UPS還在某些特殊領(lǐng)域有它的特定用途,如用于工廠、礦山和大樓的集中供電,其容量高達(dá)1000kVA.


隨著半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用,誕生了比第一代旋轉(zhuǎn)式UPS先進(jìn)的靜止變換式UPS.最初的靜止變換式UPS如美國的Emerson、法國的Alpes4000等,其功率器件由晶閘管制成.接著功率晶體管在大、中容量的UPS中得到了廣泛應(yīng)用.功率管(MOS)普遍地應(yīng)用在中小容量的UPS中,但功率管(MOS)難以達(dá)到高電壓、大電流,其飽和壓降大于晶體管,于是兼具前兩者優(yōu)點(diǎn)的絕緣門限晶體管(IGBT)應(yīng)運(yùn)而生,促使UPS的逆變技術(shù)更趨成熟.但I(xiàn)GBT有寄生電流擎住效應(yīng),在一定程度上限制了它的使用.


靜止式UPS分為在線式和后備式.這兩種UPS的結(jié)構(gòu)大致相同,其主體結(jié)構(gòu)都包括整流(充電)器、蓄電池、逆變器和轉(zhuǎn)換開關(guān)等4個(gè)部分.二者的區(qū)別在于工作方式不同:在線式UPS的逆變器自始至終都在工作,而后備式UPS只有在供電異常時(shí)才啟動(dòng)逆變器.后備式UPS供電質(zhì)量雖然差,但它效率高,價(jià)格低廉,多用于家庭及對電網(wǎng)要求不高的場所.在線式UPS供電質(zhì)量相對要高,但價(jià)格貴得多,因此多用于精密設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域及特殊供電要求的場所.


在線互動(dòng)式UPS兼顧了前兩者的某些優(yōu)點(diǎn),效率高,轉(zhuǎn)換時(shí)間短,性能價(jià)格合理,正逐漸得到用戶的認(rèn)可.伴隨著市場競爭的日趨嚴(yán)峻,不同廠家根據(jù)用戶的特殊要求而設(shè)計(jì)了不同應(yīng)用場合的UPS,如郵電專用型、電站專用型、鐵路專用型、油田機(jī)專用型等.


UPS還發(fā)展了將上述兩種結(jié)合起來的旋轉(zhuǎn)靜止結(jié)合式UPS,即在靜止式UPS上配置柴油發(fā)電-直流充電電機(jī),當(dāng)UPS用電池放電時(shí),電機(jī)并不啟動(dòng),只有當(dāng)電池容量消耗到限定值時(shí)才開始運(yùn)轉(zhuǎn),給蓄電池充電,容量一般不大,一般在10kVA以下.多用在要求容量不大而又不怕吵鬧的地方,如農(nóng)村、邊防和一些偏遠(yuǎn)的山區(qū).


UPS的控制電路也發(fā)展很快,由開始的分立元件簡單控制發(fā)展到今天的微處理器控制,由硬件控制發(fā)展成軟件控制.意大利西力UPS的并聯(lián)甚至采用了光纖通信.微處理器成了現(xiàn)代UPS必不可少的一部分,如美國的APC公司在每個(gè)小電池箱中都安裝了微處理器,以監(jiān)視這些電池的工作狀態(tài).


2新一代智能型UPS


目前,UPS已由初期的單純供電發(fā)展到目前的多功能應(yīng)用,UPS不再僅僅是供電電源,向用戶提供高質(zhì)量的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻,無任何干擾存在的,波形失真度極小的“全天候“電源.且作為負(fù)載的計(jì)算機(jī)在無人值守時(shí),要求UPS能自動(dòng)地定時(shí)關(guān)機(jī)、定時(shí)開機(jī),當(dāng)供電發(fā)生故障后,UPS能通知計(jì)算機(jī)．對用戶數(shù)據(jù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)存和有序地關(guān)機(jī).如APC公司的UPS,除聯(lián)網(wǎng)功能外還有對環(huán)境溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)視,使UPS具有了智能.


智能化UPS電源,是指在UPS主機(jī)的輸出端增設(shè)DB9、RS232、RS485接口,SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)卡或AS400通信接口.利用這些接口,經(jīng)過專用的通信電纜或經(jīng)調(diào)制解調(diào)器同服務(wù)器、路由器、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備上相對應(yīng)的通信接口相連.加上安裝在微機(jī)或微機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上能適應(yīng)各種操作系統(tǒng)遠(yuǎn)行環(huán)境的、具有電源監(jiān)控功能的UPS供電系統(tǒng).


監(jiān)控己成為當(dāng)今UPS的一個(gè)必不可少的功能,如IM的Argus,軟件可同時(shí)監(jiān)控250個(gè)點(diǎn)(機(jī)器),它的Power Flag網(wǎng)絡(luò)軟件可同時(shí)和幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié).其它如梅蘭日蘭、EXJDE、LEIBERT、IPM、FENT0N等都有自己的相應(yīng)軟件.


3智能化UPS的功能


3.1實(shí)時(shí)監(jiān)控功能


監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài),隨時(shí)獲取主機(jī)工作時(shí)的有關(guān)參數(shù).應(yīng)用戶的要求提供電源品質(zhì)的歷史記錄,包括輸入、輸出電壓、頻率、負(fù)載、電池質(zhì)量及環(huán)境溫度等關(guān)鍵信息.


3.2人機(jī)交互功能


雙向通信是未來UPS的發(fā)展趨勢.用戶可按實(shí)際情況,自行沒定各種參數(shù).如可設(shè)定備用電池倒計(jì)時(shí)的時(shí)間長短,重新設(shè)置UPS內(nèi)部的各種臨界工作點(diǎn)閥值,自由選定要顯示的內(nèi)容,是否進(jìn)行故障調(diào)試等.


3.3自動(dòng)傳呼功能


UPS軟件或附件診測到UPS系統(tǒng)故障時(shí),可通過E-mail,尋呼,彈出窗口信息等方式實(shí)時(shí)通知系統(tǒng)管理員,以最快的速度解決問題.


3.4故障檢測功能


發(fā)生故障時(shí),在各個(gè)用戶報(bào)警的同時(shí),給出參數(shù)且及時(shí)分析,追蹤引發(fā)電源故障的重要信息,必要時(shí)給出處理方法.


3.5自動(dòng)保存功能


UPS的電力快要耗盡時(shí),執(zhí)行此項(xiàng)功能,從而保證數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的完整性和可恢復(fù)性.用戶可根據(jù)實(shí)際需要定制其特定程序的自動(dòng)保存功能.


3.6UPS的自檢及定時(shí)開,關(guān)機(jī)功能


通過軟件檢查UPS的狀態(tài),查詢UPS的預(yù)警信息,作電池矯正試驗(yàn)等.這些預(yù)防性功能都可在UPS系統(tǒng)故障發(fā)生之前采取適當(dāng)?shù)拇胧?


3.7遠(yuǎn)程監(jiān)控功能


提供1個(gè)計(jì)算機(jī)接口,通過RS232或RS485,經(jīng)調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)與異地計(jì)算機(jī)的終端通信,實(shí)現(xiàn)上述的所有功能,一臺(tái)主機(jī)可以同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)UPS.


4UPS先進(jìn)控制技術(shù)


由于微電腦技術(shù)的快速發(fā)展,使復(fù)雜的控制方法以微處理器軟件的方式實(shí)現(xiàn),數(shù)字控制也成為應(yīng)用控制理論的必然途徑,各式各樣的回授控制方法也相繼被應(yīng)用于改善UPS交流穩(wěn)壓的瞬時(shí)與穩(wěn)定響應(yīng).這些理論與應(yīng)用的發(fā)展,大大地提高了UPS的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的瞬時(shí)響應(yīng),以下介紹一些先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用于UPS穩(wěn)壓控制的發(fā)展.


4.l遲滯控制


遲滯控制是一種以誤差比較為基礎(chǔ)的邊邊控制系統(tǒng),根據(jù)誤差的正負(fù)產(chǎn)生最大的正負(fù)修正信號,遲滯邊界的設(shè)定是為了降低當(dāng)誤差很小時(shí)產(chǎn)生的不必要切換.


由于這種方法的設(shè)計(jì)不需要了解過于復(fù)雜的數(shù)字控制理論,對于傳統(tǒng)UPS的轉(zhuǎn)型設(shè)計(jì)是一種較為可行的方法,研發(fā)成本較低,風(fēng)險(xiǎn)較小.但由于需兼顧模擬與微處理器的軟、硬件設(shè)計(jì),因此制造成本較高,需要整體的評估.


4.2死擊控制


數(shù)字控制系統(tǒng)也可以說是取樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng),也就是說每隔一段固定的時(shí)間,控制系統(tǒng)就根據(jù)命令與回授計(jì)算出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?死擊控制是一種降低誤差最快的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法.這種方法由于設(shè)計(jì)過程明確方法簡單,在早期UPS采用微電腦數(shù)字控制的發(fā)展過程中,就率先被應(yīng)用于穩(wěn)壓控制器的設(shè)計(jì).在UPS應(yīng)用的實(shí)際狀況中,由于負(fù)載的多變與電流電壓的限制,這兩個(gè)前提都是難以達(dá)成的.在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中,死擊控制多直接應(yīng)用于電壓回路的穩(wěn)壓控制,這種方法應(yīng)能更有效的應(yīng)用于以多回路控制為主的電流控制器設(shè)計(jì),因?yàn)殡娏骰芈返膭?dòng)態(tài)特性與能量限制均更能掌握,因此也較能發(fā)揮死擊控制的效果.


4.3狀態(tài)回授控制


現(xiàn)在,大多數(shù)的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件都是以狀態(tài)空間法來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.傳統(tǒng)的傳遞函數(shù)只能描述系統(tǒng)輸入端與輸出端之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,對于系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)特性則運(yùn)用自如.狀態(tài)空間法則能展現(xiàn)控制系統(tǒng)所有的狀態(tài),使設(shè)計(jì)者得以掌握完整的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性.
在眾多的近代控制理論中,狀態(tài)回授控制以其架構(gòu)簡單、易于數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)而普遍受到系統(tǒng)工程師的青睞.由于狀態(tài)回授控制法以發(fā)展出系統(tǒng)化的參數(shù)判別、極點(diǎn)安置、計(jì)算機(jī)輔助最佳化設(shè)計(jì)等方法,隨著DSP應(yīng)用的普及,這種方法可進(jìn)一步發(fā)展為具有自調(diào)功能的適應(yīng)控制技術(shù),是未來極有潛力的實(shí)用方法.


4.4可變結(jié)構(gòu)控制


可變結(jié)構(gòu)控制早期萌芽于前蘇聯(lián),主要應(yīng)用于武器系統(tǒng)的導(dǎo)向控制.這種方案特別適用于先天不穩(wěn)定或具有極大參數(shù)不確定的控制系統(tǒng).這種方法已有多年的發(fā)展歷史,也有許多應(yīng)用于馬達(dá)控制的相關(guān)研究,此法隨著控制技術(shù)的進(jìn)展也應(yīng)用于直流轉(zhuǎn)換器與UPS的穩(wěn)壓控制.這種方法實(shí)際應(yīng)用于UPS的微電腦控制時(shí),有些問題仍難以克服,如可變結(jié)構(gòu)控制數(shù)字化的問題、顫動(dòng)的消除、控制能量對可變結(jié)構(gòu)控制滑動(dòng)平面所造成的限制、滑動(dòng)平面的選擇、如何降低撞擊時(shí)間、如何追蹤周期性信號等.


4.5Fuzzy/Neural控制


模糊集合的觀念于1965年首先由美國加州柏克萊大學(xué)的Prof.Zadeh提出,至于模糊理論的具體應(yīng)用則是由英國倫敦大學(xué)Queen  Merry分校的Prof.Mamdani來實(shí)現(xiàn)的.此后,模糊控制即成為模糊理論應(yīng)用最成功的一個(gè)領(lǐng)域.


一個(gè)交流穩(wěn)壓系統(tǒng),由于負(fù)載的多變性、多樣性與不確定性,使設(shè)計(jì)者難以建立精確的數(shù)學(xué)模型.因此,交流穩(wěn)壓系統(tǒng)先天上就是個(gè)適合模糊控制理論揮灑的空間.近年來,Fuzzy/Neural控制雖名噪一時(shí),但Fuzzy/Neural控制的實(shí)際應(yīng)用仍有其限制.其中關(guān)健之一,即在于應(yīng)用問題的本身.簡單來說,并不是所有的控制問題都適合采用Fuzzy/Neural的控制方法.未來的發(fā)展,將朝向結(jié)合傳統(tǒng)控制與Fuzzy/Neural控制的方向發(fā)展,在這一發(fā)展過程中,以應(yīng)用導(dǎo)向?yàn)橹鞯目刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)方法將成為主要的發(fā)展趨勢.


4.6反復(fù)控制


反復(fù)控制器利用長時(shí)間累積的誤差信息消除系統(tǒng)因外界干擾所產(chǎn)生的周期性誤差.這一控制架構(gòu)將回授控制的立足點(diǎn)由瞬間變化量的抑制延伸到長時(shí)間的穩(wěn)態(tài)誤差消除,對于控制精度的提升有很大的幫助.周期性誤差在工業(yè)控制的領(lǐng)域中是相當(dāng)常見的問題,如機(jī)械臂的振蕩、交流電源供應(yīng)器的輸出電壓失真及交、直流馬達(dá)的轉(zhuǎn)速漣波等,因而引起了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界對反復(fù)控制理論的高度興趣.但是,在UPS穩(wěn)壓控制的應(yīng)用卻仍處于起步階段.


在UPS中輸出電壓需要追隨同期性的弦波命令,而系統(tǒng)的相位延遲則使得輸出端產(chǎn)生周期性的追隨誤差.如果輸出端受到整流性負(fù)載的干擾,也會(huì)使輸出電壓產(chǎn)生的周期性誤差.在UPS中,上述兩種誤差信號的頻率皆為其供電頻率.從領(lǐng)域的角度來看、反復(fù)控制器能降低與基波及其諧波同頻率的干擾對系統(tǒng)的影響,這就是反復(fù)控制器能消除周期性誤差的原因.這種反復(fù)控制方法,雖然具有消除周期性誤差的優(yōu)點(diǎn),但也會(huì)將低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定度.尤其是面臨劇烈的負(fù)載變化狀況.為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定度,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別考慮系統(tǒng)的最差狀況.為了適用UPS的多變型負(fù)載,也發(fā)展出具有適應(yīng)能力的反復(fù)控制器設(shè)計(jì)方法.


5結(jié)束語

微電腦系統(tǒng)的快速擴(kuò)張為UPS帶來很大的發(fā)展空間,隨著PC的大量銷售,由于電力品質(zhì)的不穩(wěn)定,UPS已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)外圍配備.科技發(fā)展至今已進(jìn)入全數(shù)字化的時(shí)代,傳統(tǒng)的模擬控制UPS即將走進(jìn)歷史,取而代之的將是外型美觀、安全可靠、輕薄短小的微電腦數(shù)字控制式智能型UPS.以簡單的硬件架構(gòu)配合軟件方式完成各項(xiàng)控制功能,將是智能型UPS最大的利益所在.以SNMP通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分布式電源管理,使不同品牌的UPS能透過網(wǎng)絡(luò)予以整合,也將是UPS監(jiān)控軟件未來的發(fā)展趨勢.從文中所介紹的各種先進(jìn)控制方法也可看出UPS未來的發(fā)展?jié)摿?這些新方法與新組件應(yīng)用于UPS的設(shè)計(jì),將為未來UPS的發(fā)展注入新的契機(jī).■