李武華[1],嚴輝強[2]

[1] 浙江大學   電氣工程學院     浙江省  杭州市  310027
[2] 杭州中心網絡自動化有限公司  浙江省  杭州市  310027
 
Application of LEM Sensors in UPS Parallel Operation System 
LI Wu-hua, YAN Hui-qiang 
　　ABSTRACT: The wide application of UPS is employed in sensitive condition.
 UPS parallel operation is adopted to distribute the output current and improve
 the system reliability. The instantaneous output current sharing scheme is 
analyzed in this paper. The voltage and current LEM sensors are applied to sample 
the output voltage, inductor current and output current for control. Because of
 their isolation and accurate sample, the UPS system has advantageous 
performance with reduced circulating current, low voltage THD
 and fast dynamic response. The experimental results verify the analysis.
　　KEY WORDS: inverters parallel system; instantaneous current- sharing control; LEM sensor
　　摘要: UPS在很多重要場合得到越來越廣泛的使用。UPS并聯系統可以實現負載電流均分，提高系統的可靠性，成為工業使用的熱點。本文分析了UPS并聯的瞬時電流控制方法。由于LEM傳感器的良好隔離性和采樣精度，電壓LEM和電流LEM用于逆變器的輸出電壓、電感電流、輸出電壓采樣。本文設計的UPS系統具有環流小、輸出電壓THD低、動態響應快的優點。實驗結果驗證了分析的正確性。
　　關鍵詞：逆變器并聯系統； 電流瞬時值均流控制； LEM傳感器
1引言
　　為了向關鍵負載提供純凈、高性能、高可靠性的電源，UPS越來越廣泛的用于銀行、證券、航空和軍事等重要部門[1]。同時，越來越多的民用場合也開始使用UPS來保證供電系統的穩定性。目前國內大容量的UPS將達到9000臺/年的需要，并以15%以上的速度增長。市場客觀,前景很好。為了提高系統的冗余性，UPS并聯方案成為技術和市場的熱點。在逆變器并聯系統中，各個模塊分擔負載電流、便于能量分配；具有冗余功能，系統可靠性高；同時具有易于模塊化、標準化、良好的維護性等優點。如何減小環流是逆變器并聯技術的重點和難點。在各種并聯方案中，基于電流瞬時值的均流控制策略，由于具有電壓調整率好、動態響應快、均流效果佳，而被廣泛的研究和應用[2,3]。
本文在分析UPS并聯系統的基礎上，分析了LEM傳感器在其中的重要意義。討論了LEM傳感器參數對系統的影響.最后給出相關實驗和結論。
2 逆變器并聯方案

　　　　　　　　　　圖1基于電流瞬時值控制的逆變器并聯系統框圖


　　基于電流瞬時值均流控制的逆變器并聯系統框圖如圖1所示。每臺UPS的逆變器的功率輸出線直接連在一起后向負載提供能量。同步母線向單臺UPS提供同步信息，保證正弦波基準的同頻、同相。逆變器的輸出電流采樣通過均流控制單元產生均流環基準信號，均流基準信號與每臺逆變器的輸出電流進行PI調節，然后把誤差信號疊加到單臺逆變器的電壓環上，實現UPS并聯系統的無環流輸出，保證每臺UPS輸出相同功率,實現負載均分。

　　　　　　　　　　　　圖2雙環控制下的單臺逆變器控制框圖

　　單臺逆變器控制方案中，可以采用電壓單環控制、電感電流雙環控制、電容電流雙環控制等方案。由于電感電流雙環控制具有動態響應快、系統靜差小、自動限流功能[4-5]。因此，本文研究中采用電感電流控制方案，控制框圖如圖2所示。其中Lf、Cf、Rf分別是輸出濾波器的電感、電容和電感的寄生電阻；Gvcmp(S)和Gicmp(S)分別是電壓環調節傳遞函數和電流環調節傳遞函數；M是脈寬調制電壓比例增益；Kif、Kvf分別是電流環和電壓環反饋系數。為了解耦單臺逆變器和負載的關系、便于并聯分析，輸出電流當作擾動處理。通過戴維南變換，單臺逆變器可以用電壓源Vsysoj和輸出阻抗Zoj所組成的等效電路替代，正如圖1中所示。
3 電路實現
　　全橋電路由于其開關管電壓應力低、控制方法靈活多樣而被普遍采用為逆變器的主功率電路，如圖3所示。其中S1、S2、S3、S4為IGBT功率管，在并聯系統中，為了提高系統的抗干擾性，功率電路和控制電路一般不共地。 

　　　　　　　　　　　　　　　圖3全橋逆變器功率電路框圖

　　圖3中的V1為輸出電壓采樣點。對于輸出電壓采樣一般有工頻變壓器采樣、差分電路采樣和電壓LEM采樣。工頻變壓器體積大、失真度大、不能傳遞直流信號，因此不適合高精度采樣場合; 差分電路雖然簡單，方便，但是并沒有實現真正的隔離，因此也不適用與并聯場合。電壓LEM由于其高精度、高可靠性、隔離性好而用于輸出電壓采樣。C1、C2為電流采樣點。其中C1為電感電流采樣點，用于逆變器的電感電流內環控制，提高系統的動態響應和實現過流保護；C2為輸出電流采樣點，作為均流環控制,實現系統的無環流輸出。
　　作為理想交流供電電源的逆變電路的輸出電壓應為正弦波，不含有直流分量。但實際上，對于采用SPWM調制技術的逆變器，由于基準正弦波的直流分量、控制電路中運算放大器的零漂、開關器件不一致以及驅動脈沖分配和死區時間的不對稱等原因，造成輸出電壓含有直流分量. 在逆變器并聯系統中，直流分量電壓將會造成很大的直流環流，嚴重影響系統的均流性能，降低并聯系統的可靠性。因此,在實際應用中，必須消除輸出電壓中的直流分量。

Uo是逆變器的輸出電壓，通過兩級RC低通濾波器組成的二階濾波電路，濾除交流成分。
該二階濾波電路的傳遞函數為： 
  (1)
　　為了濾除交流電壓成分，一般而言，RC濾波器的極點設置遠遠低于輸出電壓的基波頻率。

(b) 滿載下并聯波形(Io1:10A/div; Io2:10A/div; Io1-Io2:10A/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:10ms/div)

　　集成運算放大器IC1、R4、R5、C3為比例積分電路，為了不對逆變器的控制系統產生影響，直流分量調理環路的帶寬應遠低于逆變器電壓環的帶寬，因此積分常數需取值較大，比例常數則需考慮后級光耦的增益作綜合考慮加以選取。如果逆變器輸出含有正的直流分量，則IC1的輸出為一個正的直流電壓值；如果輸出含有負的直流分量，則IC1的輸出為一個負的直流電壓值。
　　集成運算放大器IC2與光耦組成一個隔離型的比例放大器，實現隔離。當直流分量為正時，IC2驅動OPT2，在電阻R7上產生一個負電壓；當直流分量為負時，IC2驅動OPT1，在電阻R7上產生一個正電壓。由此可見，光耦的輸出與直流分量成負比例關系，R7上的電壓可以直接疊加在基準正弦波信號上，從而消除直流分量。

 　　　　　　　(c) 整流橋試驗波形(Io1:10A/div; Io2:5A/div; Io1-　Io2:5A/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:5ms/div)
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 試驗波形  
4 實驗結果
　　為了驗證前面分析的正確性，兩臺1kW，220V輸出的并聯系統。其中電壓LEM用LV28-P，電感電流和輸出電流均采用LA58-P。LV28-P具有出色的精度，良好的線性度，低溫漂，最佳的反應時間，寬頻帶，無插入損壞，抗干擾能力強的優點。LA58-P具有精度高，線性度好，過流能力強和隔離性好的特點。
圖5(a)是輸出電壓和基準正弦波實驗波形，輸出電壓的THD為0.6％，基準正弦波的正弦度較好，圖5(b)是2KW滿載情況下的實驗波形；圖5 (c)為整流橋負載下的實驗波形。從實驗結果可以看出，在不同的負載條件下，輸出電壓穩定，內部環流很小，具有很好的穩定性和快速的動態響應。在帶線性負載時，輸出直流分量為0.1V，帶RCD整流橋非線性負載時，輸出電壓的直流分量為0.3V，系統的直流分量很小，能夠滿足應用系統的要求。 

6  結論
　　UPS的市場需求越來越大，但是對UPS系統性能的要求也越來越高。UPS并聯方案越來越受到市場的青睞。LEM傳感器由于其隔離性好，精度高，線性度好，反應時間快和溫漂低的優點廣泛的應用與UPS的電壓和電流采樣場合。本文分析了逆變器并聯方案的特點和技術實現方案。實驗結果標明，系統的輸出電壓直流分量小，輸出電壓THD小，波形質量好，并聯后環流小，動態響應良好，能夠很好的滿足工業要求。
 
參考文獻
[1]   Abdel-Rahim, N.M., Quaicoe, J.E.. Analysis and design of a multiple feedback loop control
 strategy for single-phase voltage-source UPS inverters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, July 1996, 11(4):532-541.
[2]   C.S. Lee, S. Kim, C.B. Kim, S.C. Hong, et al. A novel instantaneous current 
sharing control for parallel connected UPS [C]. Proceedings of IECON’98, Aachen, Germany, 1998:513-519.
[3]   Xiao Sun, Yim-Shu Lee, Dehong Xu.  Modeling, analysis, and implementation of parallel multi-inverter systems with instantaneous average-current-sharing scheme [J].  IEEE Transactions on Power Electronics, May 2003, 18(3):844-856.
[4]   Low K.S.. A digital control technique for a single-phase PWM inverter [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, August 1998, 45(4):672-674.
[5]   Michael J.R., William E.B., Robert D.L.. Control topology options for single-phase UPS inverter [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, March-April 1997, 33(2):493-501.