CN100370673C - 交流输出并联电源系统及其均流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种交流输出并联电源系统及其均流控制方法，该并联的交流电源供应系统包含至少一经过逆变器而连接到输出总线上对负载提供能量的交流输出、一高精度且可使所有输出相位同步的锁相系统及一使负载平均分配的分流线路；每一逆变器快速的通过另一个控制环计算其不平衡功率，藉以限制环流的增长，且将直流输入电压加入控制环，藉此可一方面修正逆变器的响应，另一方面可更进一步限制环流的增长，确保系统的稳定。

Description

交流输出并联电源系统及其均流控制方法

技术领域

本发明关于一种交流输出并联电源系统及其均流控制方法，尤指一种利用不平衡功率运算及环流限制等手段以修正逆变器响应，确保工作稳定的并联的不间断电源系统(UPS，Uninterruptible PowerSupply)。

背景技术

随着经济和科学的发展，人们对电源可靠性的依赖越来越高。尤其是在当今的经济信息比较发达的时代，电子计算机等各种数字设备，一旦断电都可能造成大量的资料流失，导致严重的经济损失。

有鉴于此，不间断电源设备即应运而生。不间断电源系统(UPS)存在的目的在于确保负载在各种恶劣的市电条件下仍能得到不间断且稳定正常的交流电源输入，故以不间断电源系统(UPS)作为保护性的电源设备，其可靠性就显得非常的重要。实际应用中，不间断电源系统(UPS)的工作条件可能是非常恶劣的，例如电网的波动、雷电的打击、负载的瞬变、甚至短路，每天24小时的不停顿运行等等，都在考验其可靠性。目前民用或商用的单台在线式UPS在可以接受的成本范围内，可靠度可达99.9％，不过若想进一步提高可靠度，不但技术上实现困难，而且成本主要是组件、器材成本，也会急骤增加。为满足一些关键设备或系统对更高可靠度的要求，同时成本不增加太多，人们想到了用单台UPS以N+1(N+X)冗余工作的方式来提高可靠性的方案，如美国第5,257,180号发明专利案中所提到的内容，专指逆变器而不是UPS。前述专利案提出的方案确实可以增加逆变器的运行可靠度，但其控制实现用硬件电路居多，无法变动控制器的增益值，对系统的瞬时无法发挥较佳的控制性能；其环流及并联分析的方法，需要虚拟向量，甚至进一步分解成两个向量，却没有考虑到每一个逆变器输出阻抗也有可能造成幅值或相位差的问题，其方法较为复杂进而减低其可靠性，成本也相对较高；另外，作为一个适应UPS的逆变器应用时，并没有考虑到逆变器的直流总线电压输入，亦忽略逆变器与其它模块耦合的相互作用；同时，前述方案中的同步时序信号来源只能独立于模块外，一旦损坏系统就会崩溃。

发明内容

因此，本发明主要目的在于提供一种可控制均流的不间断电源模块并联系统，该系统可在过电流、非线性负载或短路等异常现象发生时，变更控制器的增益值，同时以一个平衡功率的观点来控制环流，并考虑输出阻抗等，而使输出更具可靠度，且不需要将环流分解成不同的向量。

为达成上述目的，本发明采取的主要技术手段是：

一种交流输出并联电源系统，其包含至少一不间断电源模块，令其逆变器的交流输出并联连接到总线，而对负载提供能量，并令并联的不间断电源模块间以下列的线路构成联机，其特征在于：

一同步时序线路，包含同步时序信号，使得系统中所有的逆变器的频率和相位同步；

一分流线路，使得系统中所有逆变器可以按预设的比例分配负载电流，并通过对逆变器间流动的不平衡功率的控制使得环流基本上为零；

一通信线，供各并联的不间断电源模块交换信息，是实现实时监控系统运行状态功能所必需的部分。

本发明还提供一种交流输出并联电源系统，包含至少一逆变器，以其交流输出并联连接到总线对负载提供能量，并于各逆变器间分设下列线路，其特征在于，

一同步时序线路，包含同步时序信号，使得系统中所有逆变器的频率和相位同步；

一分流线路，使得系统中所有的逆变器可以按预设的比例分配负载电流，并通过对逆变器间流动的不平衡功率的控制使得环流基本上为零；

一通信线，供各并联的不间断电源模块交换信息，是实现实时监控系统运行状态功能所必需的部分。

本发明再一目的在于提供一种交流输出并联电源系统的均流控制方法。

为达成上述目的，本发明采取的主要技术手段是：

一种利用输出不平衡功率调整有功功率的均流控制方法，其特征在于，用于至少一逆变器以交流输出连接到总线对负载提供能量的交流电源并联系统；并以下列步骤控制：

对并联的输出电压、负载电流及由分流线路产生的分摊负载电流信号进行取样；

由分摊负载电流信号与负载电流信号之差，计算电流的实时分流误差；

对一个输出周期内的输出电压与误差电流乘积之和求平均，计算出本机相对于并联系统的不平衡功率；

利用上述不平衡功率与一调节增益的乘积调整本机的参考电压，在输出电压相位差，输出阻抗差异较小的情况下，而近似于调整有功功率。

该方法亦可利用直流总线补偿有功功率，具体方法通过实时检测直流总线电压与直流总线设定电压之差值，并令调节增益与参考电压呈负回馈关系。

本发明还提供一种利用均流误差改善瞬时环流的均流控制方法，其特征在于，其用于至少一逆变器以交流输出连接到总线对负载提供能量的交流电源并联系统；以下列步骤控制：

对本机的负载电流及由分流线产生的分摊负载电流信号进行取样；

由分摊负载电流信号与负载电流信号之差求得电流的实时均流误差；

用实时均流误差乘以调节增益得到加入电流内环的补偿电流参考值，用以调整电流内环的输入，从而改善并联瞬时的电流平衡度。

本发明还提供一种判断吸收有功功率功率进行故障保护的方法，其特征在于，其用于至少一逆变器以交流输出连接到总线对负载提供能量的交流电源并联系统；每一逆变器的控制方法为：

取样并机的输出电压和本机的负载电流；

计算输出的有功功率；

若有功功率为负值且小于设定的保护点，发出保护动作。

附图说明

图1：本发明的并联系统联机示意图。

图2：本发明的并联系统的等效示意图。

图3：本发明并联系统中不间断电源模块的控制方块图。

图4：本发明并联系统分摊电流信号的示意图。

图5：本发明并联系统的并机限流示意图。

图6：本发明一可控的负载电流侦测电阻线路示意图。

图7：揭示功率开关损坏所引起负功率保护的示意图。

图8：揭示功率开关损坏所引起负功率保护的曲线图。

图中符号说明：

10、101～10N  不间断电源模块

11  逆变器            12  PWM驱动电路

13  电感电流检测器    14  输出电压检测器

15  负载电流检测器    16  分流线路

20  电源分配器        21  分流线

22  同步时序信号线    23  通信线

30  控制单元          40 电子开关

具体实施方式

此处提出的不间断电源模块(N+1)并联方案，较佳的实施例是以数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)为控制器的在线式(ON LINE)不间断电源模块基础上实现的，不间断电源模块的逆变器(INVERTER)采用半桥式架构。

如图1所示，揭露有一不间断电源模块并联系统的系统架构示意图，其由不特定数目的不间断电源模块10、101～10N并联组成，每一不间断电源模块10、101～10N的交流输出部分，若是并联功率较大，令其输出通过一电源分配器20(POD，Power Output Distribution)并联在一起后为负载供电。若是并联的不间断电源模块功率较小，可经由配线相互联接，共同对负载提供能量。

由于转旁路的需求，交流输入Line in要求同一市电源而并联在一起；为增加使用者放电时间所外接的电池(图中未示)，不论市电或电池模式都可以共享电池工作。除以上的功率线以外，各不间断电源模块10、101～10N间通过下列线路完成所有信号的交流，其包括：

一分流线21(Load Share Current)，负责各机输出负载电流信息的交换，其上的电压值即表示并联各不间断电源模块10、101～10N输出电流的平均值。

一同步时序信号线22(Synchronizing Clock Signal)，其负责令所有并联的不间断电源模块10、101～10N相位同步。

一通信线23(Communication Line)，供各并联的不间断电源模块10、101～10N交换信息，是实现实时监控系统运行状态功能所必需的部分。

图1所示的不间断电源模块10、101～10N单相输入、单相输出，但同样适用三相输入单相输出系统，不同处只在于输入增加两相(S相、T相)，逆变器部分没有改变，锁相以及旁路均以R相为准。

又如图3所示，前述各不间断电源模块10、101～10N的功能方块图，图中仅以其中一不间断电源模块10为例说明，主要构造包括有一逆变器11、驱动逆变器11的PWM驱动电路12、位于逆变器11输出端上的电感电流检测器13、输出电压检测器14、负载电流检测器15等与一控制单元30；其中：

负载电流检测器15通过一分流线路16及前述分流线21与其它不间断电源模块10连接。

又控制单元30可由一数字信号处理器(DSP)以软件达成的。

由于不间断电源模块10、101～10N的控制单元30主要由软件实现，所以不间断电源模块10、101～10N在不同工作条件下，可以方便地调变控制增益参数，不仅增加弹性(flexibility)，亦同时提高可靠度。

并联系统的控制由作用时间上可分为较慢速的稳态控制与较快速的瞬时控制两部分，以下谨配合图3说明如后：

一.稳态控制：

在数字信号处理器构成的控制单元30中包含一个可以处理输出稳态特性且控制速度较缓的控制系统，其控制的时间，可能是每一个输出电压周期控制一次，或接近此时间。

为方便理解，可以把每部不间断电源模块近似地等效为一个理想交流电压源与一个输出阻抗的串联(如图2)，各部不间断电源模块10、101～10N之间的差异主要有：

(1)输出阻抗(Zs)不太一致；

(2)等效电压源相位有差别(Δθ)；

(3)等效电压源幅值不相等(ΔV)。

前列差异可以预见不间断电源模块并联后可能遭遇的问题：

首先，输出阻抗(Zs)的不一致在带载情况下，指空载并联亦相当于带载，会使各不间断电源模块输出电压的下降程度不一致，因此，在带载稳态的时候，Zs的不一致对个别交流输出电压的幅值及相位都造成影响，如果输出阻抗接近阻性，会近似于等效电压源幅值不相等所造成的问题，如果输出阻抗接近感性，则可能对等效电压源相位造成影响。

其次，空载时，若等效电压源的幅度相等而相位有不太大之差别(Δθ)时，在两个并联的不间断电源模块间将会有一个与输出电压呈某一个角度相差的电流，习称环流(Cross Current)出现，功率上即表现为两模块都出现较大的虚功(Reactive Power)。再者，并联的输出电压是所有并联的不间断电源模块的交流输出电压的向量和，以两部并联为例，由于存在相位差，合成的输出电压就会小于每部单机的输出电压，这样各不间断电源模块便会调高参考电压(Vref)，以使合成的输出电压达到期望值，结果虚功也进一步加大了。带载时的状况与空载基本一致，只是输出电流中包含了负载电流和环流两个成分。

由此可见，相位差越大，环流或虚功的值就越大，当这个值达到一定程度，并联系统就有可能崩溃。为此，不管在市电(line mode)还是电池模式(battery mode)下，各并联的不间断电源模块间的相位都必须保证在一个较小的误差范围内，并联系统才可能稳定运行。

为满足各不间断电源模块间的锁相要求，可以由各不间断电源模块中产生一主控模块，来发送一个同步时序信号(见图3中的Synclock)，其它不间断电源模块则成为从属模块，其接收该同步时序信号后，使本身的参考电压与同步信号相位保持一致。由于同步时序信号是在系统内部产生，可以进一步与系统本身开关的PWM也同步，使得环流因受到功率开关不同步的影响将至最低。

再者，在并联的输出电压相位差为零的前提下，等效电压源幅值的不相等在空载下也会引起环流，但不同的是这个环流的相位与输出电压相位基本一致，功率上即呈现各模块间的有功功率(Active Power)交换(也就是能量的交换)，输出电压较高的不间断电源模块会输出有功功率，电压较低的则是吸收功率。输出功率对不间断电源模块就相当于带载，不会对该部不间断电源模块产生什么不良影响，但吸收功率就有相当的危险性，若吸收的功率太大，且不能及时的卸放，能量便会在DC BUS电容上累积，DC BUS电压也就随着升高，直至因DC BUS电压过高而使不间断电源模块产生保护动作并切断输出。在输出带有负载时，只要各模块的输出功率大于吸收的功率，一般而言，并不会对不间断电源模块不利，只是有些不间断电源模块带载较多，有的较少，负载分担不平衡而已，但要注意到若不加以控制，这个不平衡的状态是个恶性循环的过程。这是因为每部单机都会根据输出电压来调节自己的参考电压，而合成的输出电压一定比并联以前稳态输出电压最高的那部不间断电源模块的输出电压要小，所以，并联以前稳态输出电压最高的那部不间断电源模块会认为并联后输出电压偏低，其自然即调高它的参考电压，长此以往，就会高者愈高，低者愈低，久而久之，原来输出电压最高的那部不间断电源模块一定会负荷100％的负载，其余则空载，甚至纯吸收功率，最后导致DC BUS电压过高而必须跳机保护。

要控制输出电压差首先就要侦测电压差，但并联系统的输出电压为各机的输出电压的向量和，其不是独立受控于某部不间断电源模块，因此真正的电压差是检测不到的。为此，本发明引入一不平衡功率(Unbalance Power)的参数，它代表的是并联以后每部不间断电源模块应该或期望输出的功率与本机实际输出功率之差(请参阅图3的不平衡功率运算(unbalance power calculate)方块)，计算式为：

$P_{\mathrm{unbal}}=\frac{1}{T}\underset{T}{\∫}{i}_e\left(t\right)*v_o\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

i_e(t)＝i_load ^*(t)-i_load(t)    (2)

i_load ^*(t)为分摊并联系统输出电流的命令值，可以是一个于总负载电流除以并联不间断电源模块数目平均值有关的值，或是其它比例的值，其中：

i_load(t)为实际负载电流

v_o(t)为输出电压

只要将不平衡功率与参考电压建立负反馈关系，就可以抑制输出电压差带来的负载不平衡和DC BUS电压过高保护，该控制环称为均流功率调节环。

V_ref＝V_setting+K₁*P_unbal    (3)

V_setting--初始的设定电压值

K₁--均流功率环调节增益

由于检测电路的直流偏移误差，以及A/D取样的量化误差，实际测得的i_avg(t)与i_Load(t)在即使只有一部不间断电源模块空载工作的情况下仍然可能有非零的数值，为使只有一部不间断电源模块工作时不发生错误的调整，故须设计一个控制死区(Dead Zone，见图3)。

K₁调节增益的选择主要考虑的是需要均流的程度和输出电压调整精度的折衷，K₁越大，负载分担越平均，但输出电压调整精度可能越低。

用P_unbal来调节并机间有功功率(Active Power)的交换，通常情况下效果是明显的，但在某些条件，如负载一下由满载变为空载，因为每部不间断电源模块的输出阻抗和反应延时不太一致，且输出电压变动很大，并机间有功功率的交换也尤其剧烈，这时要求K₁的增益必须很大才可以避免危险状况的发生，然而稳态输出调整精度的要求限制了K₁的增大，因此必须寻找新的方式来弥补用P_unbal来调节并机间有功功率(Active Power)在特殊情况下的不足。

由前述可知，在锁相好的前提下，有功功率的吸收意味着能量在DC BUS电容上的累积，吸收越多则DC BUS电容上的电压越高，利用这一点，即利用DC BUS电容的当前电压与正常的设定电压之差值来进一步补偿调节有功功率，如图3所示的总线补偿(BUS Compensation)方块，其关系式为：

V_ref＝V_setting+K₂*ΔV_BUS(4)

ΔV_BUS＝V_realBUS-V_BUSsetting(其中ΔV_BUS≥0)(5)

V_setting--初始的设定电压值

K₂--DC BUS电压补偿环调节增益

V_realBUS--当前DC BUS电压值

V_BUSsetting--DC BUS电压设定值(初始值)

DC BUS电压的波动不仅受逆变器输出/吸收功率的影响，更受PFC/电池升压部分的控制，在瞬时过程(卸载)BUS电压出现一段时间的过冲(Overshoot)是无法避免的，因此这部分调节也必须设定了一个死区，以避开更小时间尺度的瞬态的影响。

DC BUS电压补偿环与均流功率调节环虽然受控量不同，但作用其实基本一致。在空载时，吸收功率也就意味着DC BUS电压升高了，带载则不太一样，DC BUS电压补偿环只有在吸收功率大于输出功率时才产生作用(而这时负载已经完全不平衡了)。由此可见，在大部分时间产生主要调节作用的是均流功率调节环，DC BUS补偿环只有在更进一步的调整下才产生作用。

二.瞬时控制：

通过上述的稳态控制方法，可使稳态的并联安全地运行，但瞬时过程(如并联投载、卸载等)仍未有效的控制，主要因前述方法是在每个输出周期(cycle)甚至更长时间才调整一次，属于较慢速度的调整，对毫秒级的瞬时变化基本是无能为力的。

在图3中，控制单元30中包含大部分瞬时控制的方块图，其控制的时间，可能是每一个功率开关周期控制一次，或近于此时间。在图中，除了分流线路16及所衍生的线路外，可以单独作为一个逆变器控制用，包含了一个电压外环(由输出电压检测器14与一实时电压控制软件所构成)和电流内环(由电感电流检测器13与一实时电流控制软件所构成)，在一般的情况下，电压外环和电流内环的取样和控制速度可以是相同的，然而，在某些考量下，可以适当降低电压环的控制速度，而不会影响到输出特性。此处所述的分流线路16，更进一步包含了一个开关在图3中未示，但包含在分流线路中，显示在图4内，使得逆变器亦可以在单独使用或系统控制需要时，打开开关以隔开外部的影响。

瞬时的性能对并联系统可靠性有巨大的影响，如投入整流性负载(RCD LOAD)时，若没有并联的瞬时控制，很可能造成其中一部不间断电源模块承受了大部分的冲击电流(Rush Current)，而其它不间断电源模块负担很小；又若某部不间断电源模块输出电压有些畸变，则在畸变点上引起的环流就有可能很大。为使并联系统能实时地平均分担负载电流，本发明基于对逆变器11的数字化控制，在电流内环加入一实时均流差环(见图3)，亦即前述的实时电流控制(Real Time CurrentControl)。该环的输入量与稳态控制的输入量类似，是代表均流不平衡的电流差(见图4)，但在时间上却是以每开关周期(约50uS)执行一次的频率取样并计算误差值，经必要处理后加到原电流内环的输入。其控制关系式如下：

i_com(t)＝K_i2*(i_avg(t)-i_load(t))(6)

i_com(t)--加入到电流内环的均流差补偿电流

K_i2--实时均流内环控制增益

通过实验证明，实时均流内环可以快速有效地平衡瞬时电流，同时对因电压畸变和输出相位差引起的稳态环流也有很好的抑制能力。K_i2取值的增大更有利于平衡不间断电源模块间的瞬时及稳态的环流，不过要注意K_i2的选值也不可太大，否则会可能从均流信号线引入太多的干扰而导致输出电流产生纹波。

在图4所示的不间断电源模块10、101～10N中，更进一步包含了一个开关SW、SW1～SWN，当作为单独一个输出逆变器操作时，只需将开关SW、SW1～SWN打开，而不需变更控制的计算方式。

瞬时过程中需关注的另一个问题是输出限流。顾名思义，限流是为了保护逆变器而采取的一种限制最大输出电流的措施，在实际应用中(如图5所示)，投整流性负载、感性负载、负载过载或短路，都会引发限流动作。并联系统中各部不间断电源模块或多或少存在差异，限流点以及进入限流的时间都有所不同。而这些差异很容易导致在限流时各机输出电流快速往复的不相等，会引起高频波动的均流差(sharecurrent error)，这个信号加诸于电流内环就极易形成输出电流的振荡，严重时可以损坏不间断电源模块的逆变器。本发明因而加入了自适应的限流控制，简言之，其控制原理为：输出电流在限流点附近时，根据当时电流和输出电压自适应地调节各环的增益和限流点，以使不间断电源模块能平稳地进出限流状态。甚至当遇到负载短路情形时，则大大减少增益并降低限流点，如是的措施可以使不间断电源模块一直维持较大电流输出而不会损坏逆变器，有利于将短路的负载设备的输入保险丝(FUSE)或过流断路器(BREAKER)熔断，以恢复其它负载的供电。

综合上述稳态及瞬时的控制方法，本发明提出解决方案的控制结果可以达到空载环流＜0.4A，负载不平衡度＜1％，效果十分理想。

在有些特殊情况下，希望负载有意的不平均分担，如某部不间断电源模块的电池容量远比其它不间断电源模块低，希望该部不间断电源模块的负载相应减小一些，以使其能工作更长的时间；又如不同功率容量的不间断电源模块并联，希望负载与它的功率容量成比例。

而在本发明提出的方案中，负载均流主要是依靠均流差信号作为调节的基准，而均流差信号则来源于平均电流信号与本机负载电流之差，平均电流信号的产生依赖于各不间断电源模块输出电流取样电路的匹配(见图4)，如果电流取样的增益相等，匹配阻抗(MatchingImpedance)也相等，则负载分担平均，若其中之一不相等，负载分配就不一致，在匹配阻抗相等条件下取样增益小的不间断电源模块负载量大。为满足这些实际的特殊需求，并联方案中在负载电流取样电路上预留了一个可由软件调节的电阻网络(见图6)，其由一个电子开关40和相应的精密电阻R1～R4组成，只要改变电阻网络的阻抗，就改变了电流取样电路的增益值，目前有4组开关16种阻抗可自由选择，不间断电源模块也就有16级的负载调节能力。

并联系统的高可靠性来自于多机的并联运作，但这是以单点的失效不影响系统的整体运行为前提的。目前提出的方案中单点的故障主要有两方面：

一种是单机输出故障如开路、短路、输出过高/低压、频率异常等；另一种则是系统的并联控制逻辑异常与信号线故障如同步、均流、主从机、通信线等。

1.单机输出故障：

单机输出故障是并联系统实际运行中最常见最有可能发生的故障，在其中还可细分为两类，一类为非紧急异常故障，主要有过温故障、直流总线电压故障(DC BUS Voltage FAULT)，另一类为紧急异常故障，如短路、输出频率异常等。对于非紧急类故障，处理比较简单，因为这类问题不会实时影响到输出电压、相位等关键量，有比较从容的时间切断输出、隔离故障机，且不会或短时间不会对网中其它不间断电源模块产生影响。但对于紧急异常故障，其不仅在本机产生严重而迅速的影响，而且直接与并联网内其它机器相关，若不能及时反应，并联系统就有崩溃的可能。为此，故障的处理应以此类的故障为优先，本发明对此类故障采取多种方法多层拦截的设计。先前设置的故障保护有：

第一种是并联均流保护，在各机均流误差大于设定值时动作。第二种是并联相位保护，在本机输出参考电压相位与同步信号相位差大于设定值时动作。

现在以并联网络中某台不间断电源模块的相位出现异常为例来说明故障保护原理：

如一部不间断电源模块的输出相位与网中其它机器输出相位差别较大，就会形成较大的均流差，出现异常的不间断电源模块的均流差要比其它正常不间断电源模块大(在只有两部并联时则相等，会使用其它保护)，当这个差大于某个值时，该机就发出保护命令、报警并切断输出与网络的联系，以隔离故障机，这是其一。

若该保护失效或不适用(如前述只有两部并联时，则均流差是相等的)，控制单元30仍会检测输出电压与参考电压的相位差，若该差大于某个值，则保护。

又，在单机故障(逆变器的故障)的系统统计分析中，逆变器中功率开关损坏是第一位，而且其它部分的异常最终也会导致功率开关的损坏，而功率开关的故障绝大部分会在一定的时间内形成短路(过流、过压均如此)，因此故障保护中考虑的重点便是如何在某台不间断电源模块功率开关短路时，识别并隔离该机，同时其它不间断电源模块不会受到太大的影响，负载也没有断电之虞。考虑到功率开关短路首先会造成本机的DC BUS短路，并迅速拉低DC BUS电压，接着从并联网络的输出总线(BUS)中大量倒灌电流(sink current)，亦即从网络中吸收功率(如图7图8所示不间断电源模块10的功率开关异常)，而并联的其它不间断电源模块101～10N输出功率显著增加，但因各机都有限流，所以短时间(20～40ms)内不会影响并联系统的安全，而且此时系统输出电压只会有所下降不会为零，对负载影响有限。

因此，只要判断本机的吸收功率(只需一个周期)是否大于某个设定值，便可知道是否有功率开关损坏的可能。基于这个原理，本发明设计了吸收有功功率保护(也称负功率保护)，由于其不依赖任何外来信息，只计算本机的吸收的功率，独立性很高，且功率计算本身即为滤波的过程，抗干扰性极佳，且当出现逆变器的功率开关短路的类的故障时，该机从网络中吸收的能量非常可观，吸收功率的反应是最为迅速和及时的，其可在类似故障下反应时间小于两个输出周期(2cycles)，足以保证一部不间断电源模块在功率开关短路情况下，使其余不间断电源模块的安全和负载不受断电威胁。同时，对于一般性故障(如锁相不正常引起的功率变化)，负功率保护仍然有效。

前述三种保护机制是并行关系，只要其中一个被触发，该不间断电源模块输出就被切断，以免影响网络的安全。

2.系统的并联控制逻辑异常与信号线故障：

为监控并联网络状态和与计算机交换信息的需要，并让用户及时了解并联不间断电源模块的状态，需要对网内所有的不间断电源模块的各运作参数进行采集，这些工作均有赖于通信协议。然而，协议的逻辑可能出错，通信的硬件也可能出现异常(如短路、开路、损坏等等)，而且通信部分并不是冗余备份的，因此可能导致严重后果。对于此类故障进行有效的保护，可采用下列多种方式：

其一是对通信的信息进行侦错；对关键的控制逻辑，软件中采用多余度判断。另一方面，对每个通信线及其相关硬件都进行故障侦测。

其故障检测针对通信线及同步时序线，当不间断电源模块在一段时间内接收不到通信讯号或同步时序信号，就认定所连接的通信讯号或同步时序信号线发生故障。另外，通信线路工作依赖于正常的通信工作电源，当电源电压在正常范围(如设定值15±3V)时，如不间断电源模块某一通信线路的输入为低电位，假如其正常输出本应为高电位(反相)，然而，当通信电源短路或电压太低时，该通信电路输出的电位却会反转，即由反相变为同相，因此利用此关系即可判断通信电源是否异常。

由上述可知，本发明主要技术手段为一含有通信协议(可在系统中选出一动态主控模块)和主动分流的(可以按比例分配电流)数字化控制并联系统。以该等设计至少具备下列特性与优点：

1.以实现多部在线式不间断电源模块(ON LINE UPS)并联冗余工作，并可以方便进行在线扩充与热维护的并联电源系统，藉以在过电流、非线性负载或短路等瞬时时变更控制器的增益值。以一个平衡功率的观点来控制环流，考虑输出阻抗，又不需要将环流分解成不同的向量。

2.又本发明在分流线路上更进一步包含一个开关，使得单独一部逆变器也可以正常工作。

3.本发明既可在系统外加一个控制器发送同步信号，亦可在系统中选出一个动态主控模块，发送同步时序信号，避免因外加控制故障失效而造成的系统崩溃。

以前述设计可使并联系统的运作更臻稳定，相较于既有的并联系统亦具显著功效增进，故已符合发明要件。

而尽管本发明先前已用具体的图文作详细描述与说明，但对于熟习此技艺者可以根据本发明所为的变更与修改，仍然不脱离本发明的特征范畴。

Claims (25)

1.一种交流输出并联电源系统，其包含至少一不间断电源模块，令其逆变器的交流输出并联连接到总线，而对负载提供能量，并令并联的不间断电源模块间以下列的线路构成联机，其特征在于，

一同步时序线路，包含同步时序信号，使得系统中所有的逆变器的频率和相位同步；

一分流线路，使得系统中所有的逆变器可以按预设的比例分配负载电流，并通过对逆变器间流动的不平衡功率的控制使得环流基本上为零；

一通信线，供各并联的不间断电源模块交换信息，是实现实时监控系统运行状态功能所必需的部分。

2.一种交流输出并联电源系统，包含至少一逆变器，以其交流输出并联连接到总线对负载提供能量，并于各逆变器间分设下列线路，其特征在于，

一同步时序线路，包含同步时序信号，使得系统中所有逆变器的频率和相位同步；

一分流线路，使得系统中所有的逆变器可以按预设的比例分配负载电流，并通过对逆变器间流动的不平衡功率的控制使得环流基本上为零；

一通信线，供各并联的不间断电源模块交换信息，是实现实时监控系统运行状态功能所必需的部分。

3.如权利要求1或2所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该同步时序线路由外部加入同步时序信号，使得系统中的逆变器以相同的频率和相位输出并联到总线对负载提供能量。

4.如权利要求1或2所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该同步时序线路的同步时序信号是在系统内部产生。

5.如权利要求1或2所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该分流线路令所有并联的逆变器依照总负载及并联的数目平均分摊电流。

6.如权利要求1或2所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该分流线路根据比例进行负载分配，令逆变器即使容量相同，亦按不同的比例分配负载。

7.如权利要求1或2所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该分流线路可改变各部逆变器间匹配的阻抗，使得不同容量的逆变器可以并联。

8.如权利要求1或2所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该分流线路更进一步包含一个开关，以便与其它逆变器断开，使得逆变器作为单独一部联接到负载的交流电源供应器。

9.如权利要求1或2所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该逆变器包含一个数字信号处理器，以其控制同步时序线路、分流线路以及通信线。

10.如权利要求9所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该数字信号处理器内建一快速控制软件，其为瞬时的控制，经由侦测到逆变器输入直流总线电压、逆变器输出电压、输出电流、逆变器电感电流及分流线路的电流命令值在每个切换周期计算至少一次，控制逆变器的PWM，确保逆变器的快速响应符合预期的特性。

11.如权利要求9所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该数字信号处理器内建一慢速控制软件，用于系统稳态和环流的控制，经由分流线路所计算的不平衡功率，在每个输出电压周期调整一次，控制逆变器间流动的环流。

12.如权利要求9所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该数字信号处理器用以完成稳态和瞬时的控制，并由性能靠近数字信号处理器的微处理器，令其中控制的增益能够在不同的情况下调变。

13.如权利要求1所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该逆变器是指不间断电源模块中的输出逆变器。

14.如权利要求1或2所述的交流输出并联电源系统，其特征在于，该逆变器可为三相交流输出的逆变器，三相皆以相同的方式控制，并在三相中以其中一相锁相运行。

15.一种利用输出不平衡功率调整有功功率的均流控制方法，其特征在于，用于至少一逆变器以交流输出连接到总线对负载提供能量的交流电源并联系统；并以下列步骤控制：

对并联的输出电压、负载电流及由分流线路产生的分摊负载电流信号进行取样；

由分摊负载电流信号与负载电流信号之差，计算电流的实时分流误差；

对一个输出周期内的输出电压与误差电流乘积之和求平均，计算出本机相对于并联系统的不平衡功率；

利用上述不平衡功率与一调节增益的乘积调整本机的参考电压，在输出电压相位差，输出阻抗差异较小的情况下，而近似于调整有功功率。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该调节增益反比于电流的不平衡度。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该不平衡功率包含了输出阻抗、输出相位差以及输出电压差三个因素。

18.一种利用直流总线补偿有功功率的均流控制方法，其特征在于，其用于至少一逆变器以交流输出连接到总线对负载提供能量的交流电源并联系统；其通过实时检测直流总线电压与直流总线设定电压之差值，并令调节增益与参考电压呈负回馈关系。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该调节增益的值反比于电流的不平衡度。

20.一种利用均流误差改善瞬时环流的均流控制方法，其特征在于，其用于至少一逆变器以交流输出连接到总线对负载提供能量的交流电源并联系统；以下列步骤控制：

对本机的负载电流及由分流线路产生的分摊负载电流信号进行取样；

由分摊负载电流信号与负载电流信号之差求得电流的实时均流误差；

用实时均流误差乘以调节增益得到加入电流内环的补偿电流参考值，用以调整电流内环的输入，从而改善并联瞬时的电流平衡度。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该调节增益反比于电流的不平衡度。

22.一种判断吸收有功功率功率进行故障保护的方法，其特征在于，其用于至少一逆变器以交流输出连接到总线对负载提供能量的交流电源并联系统；每一逆变器的控制方法为：

取样并机的输出电压和本机的负载电流；

计算输出的有功功率；

若有功功率为负值且小于设定的保护点，发出保护动作。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，其负功率计算式： $P_{\mathrm{NEG}}=\left(\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\left(k\right)}{i}_{\left(k\right)}\right)/N,$ 其中N为一周期取样的点数，v、i是分别代表取样得到的暂态电压值和电流值，k是下标，表示一个市电周期内的第k个的取样点。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，其判断的输入量只是本机的输出电压和本机的负载电流，不依赖于其它并机的通信信号。

25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，该方法判断的参数为吸收的有功功率，利用功率的计算构成一滤波的过程，而具有良好的抗干扰性。

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