UPS电源供电系统的智能控制技术研究

随着电子技术与信息科技的发展，个人计算机、办公计算机、多媒体、因特网(Internet)等各式各样的信息应用正快速地渗入社会的各个领域。网络技术与应用的发展,分布式的信息发展模式已告确立，由于信息本身就是高附加值的产物，为了确保信息安全与计算机系统的正常运行，其对电源品质的要求也就更加严格。
　　
　　近年来UPS的需求不仅大幅度增长，使用者对于UPS的功能与品质的要求也持续增加。传统以模拟电路控制为主的UPS己无法达到智能化的需求，引进微电脑数字控制技术乃大势所趋。UPS的发展将进入全数字化的时代，传统的模拟控制UPS即将走进历史，取而代之的将是外型美观、安全可靠、轻薄短小的微电脑数字控制式智能型UPS。
　　
　　一、 UPS的技术发展
　　
　　UPS从最原始的飞轮发电机到今天，已度过了30多个春秋，由单一旋转发电机式发展到今天多功能的旋转发电机式，静止变换式，旋转静止结合式等3大类。最早的UPS原本是用途广泛的电力保障设备，它的雏形是带有飞轮的发电机组，飞轮作为能量贮存装置，其缺点是转换效率极低．维护困难。目前，这种旋转发电式UPS还在某些特殊领域有它的特定用途，如用于工厂、矿山和大楼的集中供电，其容量高达1000kVA。
　　
　　随着半导体技术的应用，诞生了比第1代旋转式UPS先进的静止变换式UPS。最初的静止变换式UPS如美国的Emerson、法国的Alpes4000等，其功率器件由可控硅制成。接着功率晶体管在大、中容量的UPS中得到了广泛应用。功率管(MOS)普遍地应用在中、小容量的UPS中。但功率管(MOS)难以达到高电压、大电流，其饱和压降大于晶体管，于是兼具前两者优点的绝缘门限晶体管(IGBT)应运而生，促使UPS的逆变技术更趋成熟。但IGBT有寄生电流擎住效应，在一定程度上限制了它的使用。
　　
　　静止式UPS分为在线式和后备式。这2种UPS的结构大致相同，其主体结构都包括整流(充电)器、蓄电池、逆变器和转换开关等4个部分。二者的区别在于工作方式不同：在线式UPS的逆变器自始至终都在工作，而后备式UPS只有在供电异常时才启动逆变器。后备式UPS供电质量虽然差，但它效率高，价格低廉，多用于家庭及对电网要求不高的场所。在线式UPS供电质量相对要高，但价格贵得多，因此多用于精密设备，网络领域及特殊供电要求的场所。在线互动式UPS兼顾了前2者的某些优点，效率高，转换时间短，性能价格合理，正逐渐得到用户的认可。伴随着市场竞争的日趋严峻，不同厂家根据用户的特殊要求而设计了不同应用场合的UPS，如邮电专用型、电站专用型、铁路专用型、油田机专用型等。
　　
　　UPS还发展了将上述2种结合起来的旋转静止结合式UPS，即在静止式UPS上配置柴油发电-直流充电电机，当UPS用电池放电时，电机并不启动，只有当电池容量消耗到限定值时才开始运转，给蓄电池充电，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闹的地方，如农村、边防和一些偏远的山区。
　　
　　UPS的控制电路也发展很快，由开始的分立元件简单控制发展到今天的微处理器控制，由硬件控制发展成软件控制；意大利西力UPS的并联甚至采用了光纤通信。微处理器成了现代UPS必不可少的一部分，如美国的APC公司在每个小电池箱中都安装了微处理器，以监视这些电池的工作状态。
　　
　　二、 新一代智能型UPS
　　
　　目前，UPS已由初期的单纯供电发展到目前的多功能应用，UPS不再仅仅是供电电源，向用户提供高质量的稳压、稳频，无任何*存在的，波形失真度极小的“全天候“电源。且作为负载的计算机在无人值守时，要求UPS能自动地定时关机、定时开机，当供电发生故障后，UPS能通知计算机．对用户数据的自动转存和有序地关机。如APC公司的UPS，除联网功能外还有对环境温度、湿度进行监视，使UPS具有了智能。
　　
　　智能化UPS电源，是指在UPS主机的输出端增设DB9、RS232、RS485接口，SNMP(简单网络管理协议)卡或AS400通信接口。利用这些接口，经过专用的通信电缆或经调制解调器同服务器、路由器、网关等设备上相对应的通信接口相连。加上安装在微机或微机网络平台上能适应各种操作系统远行环境的、具有电源监控功能的UPS供电系统。
　　
　　监控己成为当今UPS的一个必不可少的功能，如IM的Argus，软件可同时监控250个点（机器），它的PowerFlag网络软件可同时和几个网络联结。其它如梅兰日兰、EXJDE、LEIBERT、IPM、FENT0N等都有自己的相应软件。
　　
　　三、 智能化UPS的功能
　　
　　1、 实时监控功能
　　
　　监视电路中各部分的状态，随时获取主机工作时的有关参数。应用户的要求提供电源品质的历史记录，包括输入、输出电压、频率、负载、电池质量及环境温度等关键信息。
　　
　　2、 人机交互功能
　　
　　双向通信是未来UPS的发展趋势。用户可按实际情况，自行没定各种参数。如可设定备用电池倒计时的时间长短，重新设置UPS内部的各种临界工作点阀值，自由选定要显示的内容，是否进行故障调试等。
　　
　　3、 自动传呼功能
　　
　　UPS软件或附件诊测到UPS系统故障时，可通过E-mail，寻呼，弹出窗口信息等方式实时通知系统管理员，以最快的速度解决问题。
　　
　　4、 故障检测功能
　　
　　发生故障时，在各个用户报警的同时，给出参数且及时分析，追踪引发电源故障的重要信息，必要时给出处理方法。
　　
　　5、 自动保存功能
　　
　　UPS的电力快要耗尽时，执行此项功能，从而保证数据及系统的完整性和可恢复性。用户可根据实际需要定制其特定程序的自动保存功能。
　　
　　6、 UPS的自检及定时开，关机功能
　　
　　通过软件检查UPS的状态，查询UPS的预警信息，作电池矫正试验等。这些预防性功能都可在UPS系统故障发生之前采取适当的措施。
　　
　　7、 远程监控功能
　　
　　提供1个计算机接口，通过RS232或RS485，经调制解调器实现与异地计算机的终端通信，实现上述的所有功能，可以1台主机同时监控多台UPS。
　　
　　四、 UPS先进控制技术
　　
　　由于微电脑技术的快速发展,使复杂的控制方法以微处理器软件的方式实现，数字控制也成为应用控制理论的必然途径，各式各样的回授控制方法也相继被应用于改善UPS交流稳压的瞬时与稳定响应。这些理论与应用的发展，大大地提高了UPS的稳定性及系统的瞬时响应，以下介绍一些先进控制技术应用于UPS稳压控制的发展。
　　
　　l、迟滞控制
　　
　　迟滞控制是一种以误差比较为基础的，根据误差的正负产生最大的正负修正信号，迟滞边界的设定是为了降低当误差很小时产生的不必要切换。这种控制方法的优点是简单且不需要知道受控体的动态模型，缺点是开关频率难以掌握，且在相同开关频率的比较下涟波较大，这种方法主要以模拟电路实现，也是传统UPS主要采用的方法。由于这种方法的设计不需要了解过于复杂的数字控制理论，对于传统UPS的转型设计是一种较为可行的方法，研发成本较低风险较小。但由于需兼顾模拟与微处理器的软硬件设计，因此制造成本较高，需要整体的评估。
　　
　　由于这种方法的设计不需要了解过于复杂的数字控制理论，对于传统UPS的转型设计是一种较为可行的方法，研发成本较低,风险较小。但由于需兼顾模拟与微处理器的软、硬件设计，因此制造成本较高，需要整体的评估。
　　
　　2、死击控制
　　
　　数字控制系统也可以说是取样数据控制系统，也就是说每隔一段固定的时间，控制系统就根据命令与回授计算出适当的控制信号。死击控制是一种降低误差最快的数字控制器设计方法。这种方法由于设计过程明确方法简单，在早期UPS采用微电脑数字控制的发展过程中,就率先被应用于稳压控制器的设计。在UPS应用的实际状况中，由于负载的多变与电流电压的限制，这两个前提都是难以达成的。在现有的文献中，死击控制多直接应用于电压回路的稳压控制，这种方法应能更有效的应用于以多回路控制为主的电流控制器设计，因为电流回路的动态特性与能量限制均更能掌握，因此也较能发挥死击控制的效果。
　　
　　3、状态回授控制
　　
　　现在，大多数的控制系统计算机辅助设计软件都是以状态空间法来描述系统的动态特性。传统的转移函数只能描述系统输入端与输出端之间的数学关系，对于系统内部的动态特性则运用自如。状态空间法则能展现控制系统所有的状态，使设计者得以掌握完整的系统动态特性。
　　
　　在众多的近代控制理论中，状态回授控制以其架构简单、易于数字化的优点而普遍受到系统工程师的青睐。由于状态回授控制法以发展出系统化的参数判别、极点安置、计算机辅助最佳化设计等方法，随着DSP应用的普及，这种方法可进一步发展为具有自调功能的适应控制技术，是未来极有潜力的实用方法。
　　
　　4、可变结构控制
　　
　　可变结构控制早期萌芽于前苏联，主要应用于武器系统的导向控制。这种方接特别适用于先天不稳定或具有极大参数不确定的控制系统。这种方法已有多年的发展历史，也有许多应用于马达控制的相关研究，此法随着控制技术的进展也应用于直流转换器与UPS的稳压控制。这种方法实际应用于UPS的微电脑控制时,有些问题仍难以克服，如可变结构控制数字化的问题、颤动的消除、控制能量对可变结构控制滑动平面所造成的限制、滑动平面的选择、如何降低撞击时间、如何追踪周期性信号等。
　　
　　5、Fuzzy／Neural控制
　　
　　模糊集合的观念于1965年首先由美国加州柏克莱大学的Prof.Zadeh提出，至于模糊理论的具体应用则是由英国伦敦大学QueenMerry分校的Prof.Mamdani。此后，模糊控制即成为模糊理论应用最成功的一个领域。
　　
　　一个交流稳压系统，由于负载的多变性、多样性与不确定性，使设计者难以建立精确的数学模型。因此，交流稳压系统先天上就是个适合模糊控制理论挥洒的空间。近年来，Fuzzy／Neural控制虽名噪一时，但Fuzzy／Neural控制的实际应用仍有其限制。其中关健之一，即在于应用问题的本身。简单来说，就是并不是所有的控制问题都适合采用Fuzzy／Neural的控制方法。未来的发展，将朝向结合传统控制与Fuzzy／Neural控制的方向发展，在这一发展过程中，以应用导向为主的控制系统设计方法将成为主要的发展趋势。
　　
　　6、反复控制
　　
　　反复控制器利用长时间累积的误差信息消除系统因外界*所产生的周期性误差。这一控制架构将回授控制的立足点由瞬间变化量的抑制延伸到长时间的稳态误差消除，对于控制精度的提升有很大的帮助。周期性误差在工业控制的领域中是相当常见的问题，如机械臂的振荡、交流电源供应器的输出电压失真及交、直流马达的转速涟波等，因而引起了学术界与工业界对反复控制理论的高度兴趣。但是，在UPS稳压控制的应用却仍处于起步阶段。
　　
　　在UPS中输出电压需要追随同期性的弦波命令，而系统的相位延迟则使得输出端产生周期性的追随误差。如果输出端受到整流性负载的*，也会使输出电压产生的周期性误差。在UPS中，上述两种误差信号的频率皆为其供电频率。从领域的角度来看、反复控制器能降低与基领及其谐波同频率的*对系统的影响，这就是反复控制器能消除周期性误差的原因。这种反复控制方法，虽然具有消除周期性误差的优点，但也会将低系统的相对稳定度。尤其是面临剧烈的负载变化状况。为了保障系统的稳定度，设计时应特别考虑系统的最差状况。为了适用UPS的多变型负载，也发展出具有适应能力的反复控制器设计方法。
　　
　　五、 结束语
　　
　　微电脑系统的快速扩张为UPS带来很大的发展空间，随着PC的大量销售，由于电力品质的不稳定，UPS已成为计算机系统的标准外围配备。科技发展至今已进入全数字化的时代，传统的模拟控制UPS即将走进历史，取而代之的将是外型美观、安全可靠、轻薄短小的微电脑数字控制式智能型UPS。以简单的硬件架构配合软件方式完成各项控制功能，将是智能型UPS最大的利益所在。以SNMP通讯标准进行分布式电源管理，使不同品牌的UPS能透过网络予以整合，也将是UPS监控软件未来的发展趋势。从文中所介绍的各种先进控制方法也可看出UPS未来的发展潜力,这些新方法与新组件应用于UPS的设计，将为未来UPS的发展注入新的契机。