總線控制的並聯不間斷電源的製作方法
2023-05-20 17:10:26
專利名稱：總線控制的並聯不間斷電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電源供應設備技術領域，特指一種利用數據總線傳遞信號進行並聯控制的不間斷電源(UPS)。
本實用新型是通過如下技術方案實現的UPS並聯控制模塊置於UPS內；其數位訊號處理器DSP分別通過市電檢測電路、直流母線電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路、輸出電流及輸出電壓檢測電路、並機系統通訊接口電路與市電輸入、UPS的整流器輸出、逆變器輸出及其它UPS並聯控制模塊相連接。
並聯控制系統中環流的檢測方法為假設在兩臺UPS之間的環流為IH，各臺UPS的輸出電流為IL1及IL2，並構造一個與環流方向一致的電流IHB，通過矢量疊加後兩臺UPS電源的輸出電流即為I1」＝IL1+IH+IHB，I2」＝IL2+IH-IHB；環流補償電路為檢測UPS電源的A相輸出交流電流的A相電流檢測電路與A相的環流補償電流進行相量疊加，B相、C相原理相同。
UPS並聯控制系統的波形控制接口電路將數位訊號處理器DSP發出來的對後級UPS的逆變輸出進行控制的信號進行電平匹配；相位控制接口電路將DSP發出的同步信號經電平轉換及阻抗匹配後送到後級UPS控制電路中作為UPS鎖相的給定信號；邏輯切換接口電路將DSP發出的控制靜態開關按一定的邏輯關係進行切換的信號經電平變換後去驅動靜態開關動作，完成相應的邏輯切換控制；直流母線電流檢測電路檢測UPS整流器輸出直流母線上流過的電流的大小，該直流母線電流經直流霍爾傳感器變換，再經電平匹配電路後送到DSP的AD接口；直流母線電壓檢測電路將UPS整流器輸出的直流母線電壓變換後送到DSP的AD接口；輸出電流及輸出電壓檢測電路將UPS的輸出電壓及輸出電流經過交流電壓互感器及交流電流互感器隔離後，再經過電平轉換，送到DSP的AD接口，作為DSP的控制程序對UPS的輸出電壓和輸出電流進行實時控制的反饋量；市電檢測電路將交流市電經變換後送到DSP中，作為控制UPS電源與市電同步的給定值；並機系統通訊接口電路將各並聯的UPS的工作狀態(輸出電壓幅值、輸出電壓的頻率、輸出電壓的相位、切換邏輯要求等)送到通訊總線上，並從通訊總線接收其它UPS發出的工作狀態信號，作為並聯繫統進行均流控制、邏輯切換的重要依據；所有的檢測量經AD接口送到DSP後，在DSP內完成對各模擬參數的模擬/數字轉換及數字濾波；各模擬量經AD轉換後再經優化數字濾波之後擬制噪聲的幹擾，即從強噪聲背景下將有用的信號分離出來，保證檢測信號的真實性及有效性；DSP的主程序根據UPS並聯控制系統的通訊接口電路接收到的其他並聯運行的UPS發出的切換邏輯要求，並根據當前本機的運行狀況進行相應的邏輯分析和判斷，控制所有的並聯運行的UPS的靜態開關，同時切換到旁路運行狀態、或同時切換到逆變器運行狀態，完成並機系統的邏輯切換控制；DSP的控制程序根據UPS並聯控制系統的通訊接口電路接收到的其他並聯運行的UPS發出的輸出電壓幅值、輸出電壓的頻率、輸出電壓相位的數據，並根據本機AD接口電路接收到的本機的輸出電壓幅值、輸出電壓的頻率、輸出電壓相位的數據，經過採樣及處理後，調用輸出電壓幅值控制算法程序、輸出電壓的頻率控制算法程序、輸出電壓的相位控制算法程序，對UPS輸出電壓的相位、頻率、幅值等參量進行實時控制，使各臺並聯運行的UPS發出相同的輸出電壓幅值、相同的輸出電壓的頻率、相同的輸出電壓相位。
本實用新型由於在進行並機的邏輯切換的過程中，沒有主機或從機之分，因此任意一臺處於並聯運行切處於負載狀態的UPS2可以從並聯運行的UPS中退出，或者任意一臺處於空載狀態的(或者新啟動的)UPS可以併入已經有N臺正在並聯運行的UPS並聯運行系統中，實現N+1臺UPS的並聯運行；也就是實現N+1冗餘並聯運行；使各臺UPS共同對負載供電，且實現所有並聯運行的UPS平均分擔負載，滿足並聯運行的技術要求。
本實用新型採用對輸出電壓及輸出電流同時進行調節的雙環均流控制方法，提高了並聯的UPS的動態響應速度和動態穩定性；UPS並機控制模塊採用高速數位訊號處理器DSP作為主控單元，再輔以必要的外圍硬體電路實現，使得其具有很高的實時數據處理能力，由於DSP的每條指令周期只有20ns，可以對各種數據進行實時處理，從而保證了UPS並聯控制模塊的控制實時性；此外還具有下列優點1、可靠性大幅度提高，適用於嚴重電磁幹擾的環境中；2、可以組成更大容量的高質量交流電源；3、可以組成冗餘系統以提高系統可靠性；4、可以靈活地對其的容量進行配置，便於擴容；5、具有很好的可維護性，單臺UPS可以短時推出運行，保證帶電維護；6、各臺單機能夠自動實現均流；7、各臺UPS的輸出諧波分量可以相互補償，提高了輸出電壓的質量。
附
圖17為本實用新型兩臺UPS並聯時的逆變器22輸出電流矢量圖；附圖18為本實用新型兩臺UPS並聯時的逆變器22輸出電流波形圖；附圖19為本實用新型兩臺UPS並聯時輸出電壓調節的硬體實施框圖。
UPS並聯控制模塊1的波形控制接口電路的功能是將數位訊號處理器DSP發出來的對後級UPS2的逆變輸出進行控制的信號進行電平匹配，使其符合一定的精度和幅值要求，其輸入端接數字處理器DSP的107腳。
相位控制接口電路的功能是將DSP發出的同步信號經電平轉換及阻抗匹配後送到後級UPS2控制電路中作為UPS2鎖相的給定信號，其輸入端接數字處理器DSP的94腳。
邏輯切換控制電路的功能是將DSP發出的控制靜態開關23按一定的邏輯關係進行切換的信號經電平變換後去驅動靜態開關23動作，完成相應的邏輯切換控制，其輸入端接數字處理器DSP的48腳。
直流母線電流檢測電路的功能是檢測UPS整流器輸出直流母線上流過的電流的大小，該直流母線電流經直流霍爾傳感器變換，再經電平匹配電路後送到DSP的AD接口，其輸出端接數字處理器DSP的89腳。
直流母線電壓檢測電路的功能是將UPS2整流器21輸出的直流母線電壓變換後送到DSP的AD接口，其輸出端接數字處理器DSP的76腳。
輸出電流及輸出電壓檢測電路的功能是將UPS2的輸出電壓及輸出電流經過交流電壓互感器及交流電流互感器隔離後，再經過電平轉換，送到UPS的AD接口，作為DSP的控制程序對UPS的輸出電壓和輸出電流進行實時控制的反饋量，其輸出腳接數字處理器DSP的74腳。
市電檢測電路的功能是將交流市電經變換後送到DSP中，作為控制UPS2電源與市電同步的給定值，其輸出腳接數字處理器DSP的88腳。
並機系統通訊接口電路的功能是將各並聯的UPS2的工作狀態(輸出電壓幅值、輸出電壓的頻率、輸出電壓的相位、切換邏輯要求等)送到通訊總線上，並從通訊總線接收其它UPS2發出的工作狀態信號，作為並聯繫統進行均流控制、邏輯切換的重要依據，其輸出腳分別接數字處理器的68、69、70、64、54、55、43腳。
所有的檢測量經AD接口送到DSP後，在DSP內完成對各模擬參數的模擬/數字轉換及數字濾波；各模擬量經AD轉換後再經優化數字濾波之後擬制噪聲的幹擾，即從強噪聲背景下將有用的信號分離出來，保證檢測信號的真實性及有效性。
DSP的主程序根據UPS並聯控制模塊1的通訊接口電路接收到的其他並聯運行的UPS2發出的切換邏輯要求，並根據當前本機的運行狀況進行相應的邏輯分析和判斷，控制所有的並聯運行的UPS的靜態開關23，同時切換到旁路運行狀態、或同時切換到逆變運行狀態，完成並機系統的邏輯切換控制；其流程如說明書附圖14所示，程序啟動後對各I/O接口、通訊接口、A/D轉換接口、復用接口、頁地址初始化，接著檢測本機逆變器(INV)是否供電，如沒有則繼續檢測；如有供電，則檢測其它UPS的INV是否供電，如返回否信號則轉接旁路啟動，此後，如返回是信號則檢測各INV、SYN是否準備就緒，如否則發出旁路請求，如是則開旁路、逆變靜態開關，然後發送本機INV供電信號，檢測INV是否處於OFF狀態，如否則繼續檢測，如是則關INV-SVR，清除INV供電信號，接著發出旁路請求，如所有UPS都發出旁路請求則切換到旁路，如否，則繼續等待，當所有UPS都切換到旁路狀態後返回到程序開始狀態。
DSP的控制程序根據UPS並聯控制模塊1的通訊接口電路接收到的其他並聯運行的UPS2發出的輸出電壓幅值、輸出電壓的頻率、輸出電壓相位的數據，並根據本機AD接口電路接收到的本機的輸出電壓幅值、輸出電壓的頻率、輸出電壓相位的數據，經過採樣及處理後，調用輸出電壓幅值控制算法程序、輸出電壓的頻率控制算法程序、輸出電壓的相位控制算法程序，對UPS2輸出電壓的相位、頻率、幅值等參量進行實時控制，使各臺並聯運行的UPS發出相同的輸出電壓幅值、相同的輸出電壓的頻率、相同的輸出電壓相位，該程序流程如說明書附圖4所示，程序啟動後初始化轉內存單元，然後開放直流採樣通道，進行採用並對採樣信號進行處理、存儲，接著開放輸出電流採樣通道，進行採用並對採樣信號進行處理、存儲，再開放直流電壓採樣通道，進行採用並對採樣信號進行處理、存儲，最後，開放通訊通道，與其它計算並機系統交換數據，並進行數據分析處理，接著依次啟動調逆變器輸出電壓控制算法程序、調同步控制算法程序、調相位控制算法程序，執行完成後返回。
在兩臺UPS2的並機過程中，需要保證兩UPS2的輸出電壓不僅要一致，而且幅值也要一致，否則，在兩臺UPS2之間回存在有功與無功環流；對於有功環流主要是由相位或頻率差異引起，而無功環流則主要由電壓的幅值差異引起；如要調節無功環流，則需調節電壓的幅值；無功的大小通常是通過對逆變器22的輸出電流平均值檢測來確定；但是，如僅僅檢測其大小，而不對其防線加以區分，則很難實現無功的均分，對無功環流不能達到抑制的作用；如附圖16所示，為兩臺UPS2的逆變器22並聯時的簡化原理圖，當兩臺UPS2的輸出電壓幅值不相等，如V1＞V2(假設它們的相位一致)，則電路中會有無功環流 從一UPS2流向另一UPS2，而且， 滯後V190度，由此圖可知兩UPS2的輸出電流檢測值分別為 其矢量關係如附圖17所示，從圖可知，由於 的存在，使得 的相位不一致，但二者的幅值完全一致，如果此時僅僅檢測電流的大小，是無法達到無功均分的；為了解決此問題，實現無功均分，可以採用如下的方法如附圖18所示，先假設v1＞v2，將逆變器的輸出檢測電壓v向後移位90度，再乘上一比例係數，得到一人為製造的電流IHB，再將其分別疊加在兩臺UPS的輸出檢測電流i1和i2上(I1」＝IL1+IH+IHB，I2」＝IL2+IH-IHB)，從而得到新的檢測電流，依照此新的電流進行對v1、v2的調節，實現該調節方法的硬體可以參照附圖19所示意的框圖實現。
DSP的型號為320F240
權利要求1.總線控制的並聯不間斷電源，其特徵在於不間斷電源的並聯控制模塊置於不間斷電源內，其數位訊號處理器DSP分別通過市電檢測電路、直流母線電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路、輸出電流及輸出電壓檢測電路，並機系統通訊接口電路與市電輸入、UPS的整流器輸出、逆變器輸出及其它不間斷電源的並聯控制模塊相連接。
2.椐據權利要求1所述的總線控制的並聯不間斷電源，其特徵在於所述並聯控制模塊，包括作為核心的數位訊號處理器DSP以及外圍功能單元電路的波形控制接口電路、相位控制接口電路、邏輯切換控制電路、並機狀態指示電路、直流母線電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路、輸出電流及輸出電壓檢測電路、市電檢測電路、並機系統通訊接口電路、輸出邏輯切換檢測電路。
3.根據權利要求1所述的總線控制的並聯不間斷電源，其特徵在於並聯控制系統中環流的檢測方法為假設在兩臺不間斷電源之間的環流為IH，各臺不間斷電源的輸出電流為IL1及IL2，並構成一個與環流方向一致的電流IHB，通過矢量疊加後兩臺不間斷電源的輸出電流即為I1」＝IL1+IH+IHB，I2」＝IL2+IH-IHB。
4.根據權利要求2所述的總線控制的並聯不間斷電源，其特徵在於環流補償電路為檢測不間斷電源的A相輸出交流電流的A相電流檢測電路與A相的環流補償電流進行相量疊加，B相、C相原理相同。
專利摘要總線控制的並聯不間斷電源(UPS)，涉及電源供應設備技術領域。其技術方案為UPS並聯控制模塊置於UPS內；UPS並聯控制系統置於UPS內與UPS的控制板相連接，並通過數據總線相互連接。本實用新型實現了N+1冗餘並聯運行；使各臺UPS共同對負載供電，且實現所有並聯運行的UPS平均分擔負載，滿足並聯運行的技術要求。本實用新型具有很高的實時數據處理能力，可以保證UPS並聯控制模塊的控制實時性，可靠性等技術參數得以大幅度提高。
文檔編號H02J7/00GK2591840SQ02284888
公開日2003年12月10日 申請日期2002年10月31日 優先權日2001年12月7日
發明者周志文, 康勇, 陳息坤, 段善旭, 李民英 申請人:廣東志成冠軍電子實業有限公司