高压直流UPS电源系统的研究与应用

高压直流UPS电源系统的研究与应用

梁云龙

易事特集团股份有限公司广东东莞523000

摘要:新形势下，建设可靠、高效的通信供电系统已成为电信运营商关注的焦点。传统的UPS电源，可维护性和安全性存在不足，因而促使高压直流电源、高性能的UPS电源的产生。文章提出了一种两级结构的高压直流UPS电源，并探讨了该通信电源供电技术的可行性和可推广性，供参考。

关键词:通信基站；供电电源；高压直流；UPS；前馈控制

0引言

随着现在越来越多的信息数据化，通信服务器基站的数量也在不断增加，而通信基站中电源的可靠性和效率是关注的重点。一方面，电源的可靠性直接决定机站的稳定性，即使是瞬间的供电中断都会使通信基站全部中断或者瘫痪；另一方面，通信电源的转换效率影响着电能的损耗。目前，通信供电电源有两大类，一类，直流电源系统；另一类，交流不间断电源系统，即UPS。但是，随着通信产业的高速发展，传统的UPS电源已无法满足日益发展的通信系统需求，同时，高压直流供电技术不断完善，其在通信行业的应用日趋广泛。为保障通信基站中电源的可靠性和效率，文章将提出一种高压直流UPS电源的采用方案，并就相关问题展开研究。

1主电路结构

主电路由两级电路组成。前级为实现整流和功率因数调整功能的T型三电平整流电路，后级为实现输出电压调整和隔离功能的输入串联输出并联型全桥电路。

1.1前级三相T型三电平整流电路及工作原理

多电平PWM整流技术已逐渐成为功率因数校正技术(powerfactorcorrection，PFC)的主流，而其中的三电平整流技术较两电平整流技术性能更加优越，其优点如下:

(1)所使用开关器件少；

(2)开关管所需承受电压应力仅为直流母线电压的一半、能有效减小器件开关损耗；

(3)三电平电路开关时因为承受的电压变化小，可以减小电力电子装置产生的电磁干扰；

(4)三电平电路输入电流波形更接近正弦波，减小了输入电流的THD，可以有效减小滤波电感，从而减小装置体积，降低成本。

本研究所采用的电路为T型三电平整流电路，电路原理图如图1所示。

图1三相T型三电平整流电路原理图

La，Lb，Lc—输入端起储能和滤波作用的电感；D1～D6—升压二极管；Sa1，Sa2，Sb1，Sb2，Sc1，Sc2—三路双向导通的开关通路；C1，C2—正负母线滤波电容；C3，C4—正负母线储能电解电容其工作原理可参考T型三电平逆变电路和VIENNA整流电路。

1.2后级交错并联型DC/DC变换电路及工作原理

在DC/DC变换电路中，变换器的输出功率通常与功率开关管数量成正比，所以本研究选择双管隔离型变换器。其中移相全桥电路与LLC谐振转换电路相比，其多模块并联均流控制简单，所以本研究选用了移相全桥电路。整流电路输出母线电压最大值为800V，为了减小其对开关管的电压应力，并且减小输出电流纹波，本研究采用了输入串联输出并联的结构，并应用了交错并联技术，其优点如下:

(1)每个单元全桥电路功率开关器件的电压电流应力仅为原来的一半，降低了开关损耗；

(2)该电路输入侧上下母线自然均压，产生自然母线中电，降低了控制系统设计难度；

(3)该电路能有效降低输出电流纹波，减小输出滤波电感的体积和重量。

该变换器电路原理图如图2所示。其由两个移相全桥电路单元组成，两个单元工作频率都为100kHz，经副边全桥整流电路后电流纹波频率为200kHz，为了使减小输出电流纹波，两单元之间错开90°相角进行驱动控制，每个单元内部采用典型的移相控制方式。其中，Vbus+和Vbus－是两个单元的输入，两者自然均压幅值相等；为了提高电源效率，Q1～Q8采用了8个COOLMOSFET开关管，D1～D8分别为Q1～Q8的体二极管，C1～C8分别是Q1～Q8的寄生电容；Lr1和Lr2是谐振电感，主要由变压器的漏感组成，帮助开关管实现软开关。记Q1～Q4所在电路为A单元，Q5～Q8所在电路为B单元。

图2输入串联输出并联型交错并联移相全桥电路

该电路整体工作波形如图3所示。

图3电路工作波形

以A单元为例，移向控制其基本工作原理如下，每个桥臂的两个开关管均为互补导通，且设有死区，其中Q1、Q3(Q5、Q7)组成超前臂能实现零电压开关，Q4、Q2(Q8、Q6)组成滞后臂能实现零电流开关。两个桥臂相应开关管的驱动信号之间相差一定的移相角δ，通过调节移相角的大小来调节输出电压幅值，移相角越小，输出电压越高，反之则越低。两单元的输出电流iLf1和iLf2相差180°相位，如图3所示，两者合并后的电流iLf的电流纹波大大小于单个单元电流纹波的两倍，减小了输出电流纹波，同时能减小输出滤波电感和滤波电容的大小。

2负载电流前馈控制

2.1传统电压电流双闭环控制

前级AC/DC电路和后级DC/DC电路的传统电压电流双闭环PI控制框图分别如图4所示。其有很好的稳态特性，稳态精度高。

图4传统双闭环控制框图

AC/DC电路控制框图如图4(a)所示，其中电压环作为外环，电压环的控制较为简单，将输出直流母线上的正母线电压Vbus+和负母线电压Vbus－进行相加，将相加值与电压基准vsum_ref做比较，将比较值再经过PI运算器运算所得输出作为电流环的基准id_ref；电流环作为内环，电流环的控制较为复杂，首先对流经电感La、Lb、Lc进行dq变换，将abc自然坐标系下的电流转换为dq旋转坐标系下的电流id和iq，电流环的控制思路是通过控制d轴电流id，实现母线电压的控制，通过控制q轴电流iq使其为0，实现网侧单位功率因数控制。

DC/DC电路控制框图如图4(b)所示，其中外环由输出电压vout反馈电路形成，内环由霍尔采样输出电感电流iL形成。在该双环控制中，由电压外环控制电流内环，即内环电流在每一开关周期内上升，直至达到电压外环设定的误差电压阈值，电流内环是瞬时快速进行逐个脉冲比较工作的，并且监测输出电感电流iL的动态变化，电压外环只负责控制输出电压。

2.2引入负载电流前馈的电压电流双闭环控制

传统双闭环控制能获得非常理想的稳态特性，但是其在负载剧烈变化的情况下，因控制策略自身在结构上存在的滞后性，使得电压环输出即电流环基准无法迅速改变，使得输入输出能量不平衡，进而导致输出电压出现较大的偏差，使得系统动态性能受到影响。对此，本研究根据控制原理中引入负载电流前馈能有效提高系统动态性能的原理，在双闭环PI控制的基础上增加了负载电流前馈控制，控制框图如图5所示。

图5引入负载电流前馈后的电路控制框图

引入负载电流前馈后的AC/DC电路控制框图如图5(a)所示，图5(a)中虚线框所示引入了负载电流补偿变量Δid，其由输出电感电流iL乘以一定比例后得到。当负载发生变化时，补偿量Δid会加在id_ref上迅速调节基准，进而消除了负载电流iL的变化对系统直流输出的影响，使得直流母线输出电压只与电压控制器输出vsum有关。此时，vsum的稳态值恰好完全由负载电流前馈通道的输出决定，电压环路控制器的输出为零，这意味着电压环路控制器在负载突变时只起到微调的作用，保证输出电压的恒定。

引入负载电流前馈后的DC/DC电路控制框图如图5(b)所示，图5(b)中虚线框所示引入了负载电流补偿变量ΔiL。当有负载扰动时，本研究利用负载电流产生的补偿量ΔiL，对iref基准进行快速调节，从而快速使输出电压恢复到所要求值附近，再通过电压环的精细控制来使得系统快速建立平衡。加入负载电流前馈补偿后，输出电压只与电压控制器输出vout有关，输出负载电流的变化对系统直流输出的影响已被ΔiL抵消，只需电压环路在负载突变时起到精确微调作用，引入负载电流前馈减轻了电压环在负载突变时大范围调节输出电压的负担，避免了电压环路控制器由于带宽低、调节速度慢，从而对系统动态调节造成影响，大大提高了系统动态响应的速度。

3实验及分析

为了验证所提出的高压直流UPS电源方案，本研究设计制作了一台样机进行试验验证，交流输入线电压范围为300V～410V，输出直流电压范围300V～400V，输出最大功率15kW。系统参数如表1所示。

实验平台如图6所示。

图6实验平台

从50%负载突变为75%负载，再降为50%负载的相关切载波形如图7～9所示。此时高压直流UPS电源在三相输入线电压为310V交流、直流母线电压为600V、电源直流输出电压为360V。图中:1号波形—三相T型三电平电路输出直流母线波形vbus；2号波形—系统直流输出电压波形vout，为了观察其在负载变动时的波动，其基准线已减去360V；3号波形—交流输入电流波形iin。由图9可得输出电压因负载突变引起的波动完全恢复仅需0.8s，且其变化幅值仅为5V，仅为输出电压的1.39%。由图8、图9可得，因负载电流前馈的引入，当负载突变时，输入功率会迅速跟随负载变化，动态响应快，使得母线电压和直流输出电压波动范围小于1.5%，提高了电源可靠性。

图7引入负载电流前馈后负载突变时波形

从50%负载突变为75%负载时波形如图8所示。

图9从75%负载突变为50%负载时的波形

本研究所做样机效率曲线如图10所示。

图10效率曲线

在50%负载至75%负载之间系统效率较高，最高效率为96%，相对传统－48V直流电源和高频UPS电源提高了3%～4%的效率。

4结束语

综上所述，电信运营企业，应不失时机推动高压直流电源使用，迎合通信电源发展方向，实现电源保障能力质的飞跃，同时，获得很好的经济效益和社会效益。本研究提出了一种高压直流UPS电源的设计方案，并进行了参数设计，其电路结构简单，最高效率高达96%，动态性能良好，负载突变时系统跟随非常及时，具有一定的参考价值。但由于受到交流UPS在行业内部的长期运行影响以及高压直流供电技术自身在应用阶段的一些问题，该设计具有一定的局限性，及其大规模应用仍然有很长的道路要走。

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