李武华[1],严辉强[2]

[1] 浙江大学   电气工程学院     浙江省  杭州市  310027
[2] 杭州中心网络自动化有限公司  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在很多重要场合得到越来越广泛的使用。UPS并联系统可以实现负载电流均分，提高系统的可靠性，成为工业使用的热点。本文分析了UPS并联的瞬时电流控制方法。由于LEM传感器的良好隔离性和采样精度，电压LEM和电流LEM用于逆变器的输出电压、电感电流、输出电压采样。本文设计的UPS系统具有环流小、输出电压THD低、动态响应快的优点。实验结果验证了分析的正确性。
　　关键词：逆变器并联系统； 电流瞬时值均流控制； LEM传感器
1引言
　　为了向关键负载提供纯净、高性能、高可靠性的电源，UPS越来越广泛的用于银行、证券、航空和军事等重要部门[1]。同时，越来越多的民用场合也开始使用UPS来保证供电系统的稳定性。目前国内大容量的UPS将达到9000台/年的需要，并以15%以上的速度增长。市场客观,前景很好。为了提高系统的冗余性，UPS并联方案成为技术和市场的热点。在逆变器并联系统中，各个模块分担负载电流、便于能量分配；具有冗余功能，系统可靠性高；同时具有易于模块化、标准化、良好的维护性等优点。如何减小环流是逆变器并联技术的重点和难点。在各种并联方案中，基于电流瞬时值的均流控制策略，由于具有电压调整率好、动态响应快、均流效果佳，而被广泛的研究和应用[2,3]。
本文在分析UPS并联系统的基础上，分析了LEM传感器在其中的重要意义。讨论了LEM传感器参数对系统的影响.最后给出相关实验和结论。
2 逆变器并联方案

　　　　　　　　　　图1基于电流瞬时值控制的逆变器并联系统框图


　　基于电流瞬时值均流控制的逆变器并联系统框图如图1所示。每台UPS的逆变器的功率输出线直接连在一起后向负载提供能量。同步母线向单台UPS提供同步信息，保证正弦波基准的同频、同相。逆变器的输出电流采样通过均流控制单元产生均流环基准信号，均流基准信号与每台逆变器的输出电流进行PI调节，然后把误差信号叠加到单台逆变器的电压环上，实现UPS并联系统的无环流输出，保证每台UPS输出相同功率,实现负载均分。

　　　　　　　　　　　　图2双环控制下的单台逆变器控制框图

　　单台逆变器控制方案中，可以采用电压单环控制、电感电流双环控制、电容电流双环控制等方案。由于电感电流双环控制具有动态响应快、系统静差小、自动限流功能[4-5]。因此，本文研究中采用电感电流控制方案，控制框图如图2所示。其中Lf、Cf、Rf分别是输出滤波器的电感、电容和电感的寄生电阻；Gvcmp(S)和Gicmp(S)分别是电压环调节传递函数和电流环调节传递函数；M是脉宽调制电压比例增益；Kif、Kvf分别是电流环和电压环反馈系数。为了解耦单台逆变器和负载的关系、便于并联分析，输出电流当作扰动处理。通过戴维南变换，单台逆变器可以用电压源Vsysoj和输出阻抗Zoj所组成的等效电路替代，正如图1中所示。
3 电路实现
　　全桥电路由于其开关管电压应力低、控制方法灵活多样而被普遍采用为逆变器的主功率电路，如图3所示。其中S1、S2、S3、S4为IGBT功率管，在并联系统中，为了提高系统的抗干扰性，功率电路和控制电路一般不共地。 

　　　　　　　　　　　　　　　图3全桥逆变器功率电路框图

　　图3中的V1为输出电压采样点。对于输出电压采样一般有工频变压器采样、差分电路采样和电压LEM采样。工频变压器体积大、失真度大、不能传递直流信号，因此不适合高精度采样场合; 差分电路虽然简单，方便，但是并没有实现真正的隔离，因此也不适用与并联场合。电压LEM由于其高精度、高可靠性、隔离性好而用于输出电压采样。C1、C2为电流采样点。其中C1为电感电流采样点，用于逆变器的电感电流内环控制，提高系统的动态响应和实现过流保护；C2为输出电流采样点，作为均流环控制,实现系统的无环流输出。
　　作为理想交流供电电源的逆变电路的输出电压应为正弦波，不含有直流分量。但实际上，对于采用SPWM调制技术的逆变器，由于基准正弦波的直流分量、控制电路中运算放大器的零漂、开关器件不一致以及驱动脉冲分配和死区时间的不对称等原因，造成输出电压含有直流分量. 在逆变器并联系统中，直流分量电压将会造成很大的直流环流，严重影响系统的均流性能，降低并联系统的可靠性。因此,在实际应用中，必须消除输出电压中的直流分量。

Uo是逆变器的输出电压，通过两级RC低通滤波器组成的二阶滤波电路，滤除交流成分。
该二阶滤波电路的传递函数为： 
  (1)
　　为了滤除交流电压成分，一般而言，RC滤波器的极点设置远远低于输出电压的基波频率。

(b) 满载下并联波形(Io1:10A/div; Io2:10A/div; Io1-Io2:10A/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:10ms/div)

　　集成运算放大器IC1、R4、R5、C3为比例积分电路，为了不对逆变器的控制系统产生影响，直流分量调理环路的带宽应远低于逆变器电压环的带宽，因此积分常数需取值较大，比例常数则需考虑后级光耦的增益作综合考虑加以选取。如果逆变器输出含有正的直流分量，则IC1的输出为一个正的直流电压值；如果输出含有负的直流分量，则IC1的输出为一个负的直流电压值。
　　集成运算放大器IC2与光耦组成一个隔离型的比例放大器，实现隔离。当直流分量为正时，IC2驱动OPT2，在电阻R7上产生一个负电压；当直流分量为负时，IC2驱动OPT1，在电阻R7上产生一个正电压。由此可见，光耦的输出与直流分量成负比例关系，R7上的电压可以直接叠加在基准正弦波信号上，从而消除直流分量。

 　　　　　　　(c) 整流桥试验波形(Io1:10A/div; Io2:5A/div; Io1-　Io2:5A/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:5ms/div)
　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 试验波形  
4 实验结果
　　为了验证前面分析的正确性，两台1kW，220V输出的并联系统。其中电压LEM用LV28-P，电感电流和输出电流均采用LA58-P。LV28-P具有出色的精度，良好的线性度，低温漂，最佳的反应时间，宽频带，无插入损坏，抗干扰能力强的优点。LA58-P具有精度高，线性度好，过流能力强和隔离性好的特点。
图5(a)是输出电压和基准正弦波实验波形，输出电压的THD为0.6％，基准正弦波的正弦度较好，图5(b)是2KW满载情况下的实验波形；图5 (c)为整流桥负载下的实验波形。从实验结果可以看出，在不同的负载条件下，输出电压稳定，内部环流很小，具有很好的稳定性和快速的动态响应。在带线性负载时，输出直流分量为0.1V，带RCD整流桥非线性负载时，输出电压的直流分量为0.3V，系统的直流分量很小，能够满足应用系统的要求。 

6  结论
　　UPS的市场需求越来越大，但是对UPS系统性能的要求也越来越高。UPS并联方案越来越受到市场的青睐。LEM传感器由于其隔离性好，精度高，线性度好，反应时间快和温漂低的优点广泛的应用与UPS的电压和电流采样场合。本文分析了逆变器并联方案的特点和技术实现方案。实验结果标明，系统的输出电压直流分量小，输出电压THD小，波形质量好，并联后环流小，动态响应良好，能够很好的满足工业要求。
 
参考文献
[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.