CN100420141C - 逆变器系统及其锁相方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆变器系统，为解决现有锁相方法会使逆变器系统不稳定的问题，在其锁相控制单元中，由第一减法器计算出旁路电压的相位减去逆变输出电压的相位所得的相位差，再由第一锁相控制器对相位差进行调节以生成第一调节量；此外，还由第二减法器计算出旁路电压的频率减去逆变输出电压的频率所得的频率差，并由频率跟踪控制器根据频率差和设定的跟踪速率生成第二调节量；然后由第二锁相控制器根据第一调节量生成第三调节量，再由第二加法器将第二调节量与第三调节量相加，得到该逆变器系统的相位控制量，利用该相位控制量即可实现锁相之目的。其中的第二锁相控制器中包括将所述第一调节量与由频率差控制的乘法系数相乘的乘法器，该乘法器的输出即为所述第三调节量。

Description

逆变器系统及其锁相方法

技术领域

本发明涉及逆变器系统，具体地说，涉及逆变器系统中的锁相控制单元以及其锁相方法，可应用于并联逆变器系统，使逆变器输出电压和给定目标电压同相，从而使并联逆变器系统更稳定。

背景技术

随着IT(信息技术)技术的发展，IT设备对电源的可靠性要求也越来越高，为了适应IT设备对电源的高要求，大容量UPS(不间断电源)一般采用可并联冗余方式，以增加系统的可靠性。

图1为一个UPS系统的示意简图，其中包含整流单元和位于整流单元后的逆变单元(由电容C1、C2，开关管K1、K2，电感L和电容C组成)。其整流单元的输入为市电，该UPS的另一个输入为旁路电源，旁路电源一般为UPS的备份电源，即当UPS中的整流单元或者逆变单元发生故障时，UPS的输出切换为旁路供电，转换开关K3和转换开关K4即实现此功能。为了更好的进行这种切换，一般要求逆变器的输出与旁路电源同相，此过程即为锁相过程。

在并联逆变器系统中，锁相环节是一个很重要的环节之一，它涉及并联系统的稳定性。特别是当UPS的旁路的频率发生变化，并联系统中的所有UPS的锁相环节都处于动态调节过程中时，并联系统的工作条件很恶劣。如果锁相环节处理不好，很容易导致并联系统中的各UPS之间产生较大的环流，此环流对并联系统危害较大，甚至有可能使带整个并联系统崩溃。

传统的锁相方法如图2所示，它包括旁路相位计算器15和逆变输出电压相位计算器19，通过它们分别计算旁路电压的相位θ_bp和逆变输出电压的相位θ_inv；减法器16用于计算旁路电压和逆变输出电压之间的相位差Δθ；锁相控制器17可以为PID(比例积分微分)或者其它控制器，它利用相位差来控制逆变器的相位，输出一个相位调节量θ，用于控制逆变电压相位。

这种锁相方法实施比较简单，但是它的控制动态过程的行为比较复杂。当旁路频率发生很大的变化后，一般同时有频率差和相位差，当有频率差时，其相位差总是一个变化值，一般会在-180度到180度之间变化，所以锁相控制器17的输入是一个波动值，锁相控制在此时没有什么意义。

特别在并联系统中，当旁路电压频率发生较大的变化时，并联系统中的从机一般将相位跟踪目标改为并联系统的逆变输出，以增加可靠性，但是此时主机仍然跟踪旁路电压，因为锁相控制器17的输入是大幅波动的，导致控制器的输出也是波动的，从而导致并联系统中的主机逆变电压频率不稳定，这种不稳定的控制必然导致从机很难跟踪上输出，直接导致并联系统之间产生很大的环流。所以，利用传统锁相方法的并联系统跟踪旁路的速率必须很慢，并且跟踪动态过程不太可靠。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决现有技术的锁相方法中当旁路频率发生较大变化时会使并联系统的工作不稳定的问题，特别是要解决并联系统动态跟踪相位的过渡过程中会产生较大环流的问题，以增强并联系统的可靠性。

本发明的技术方案在于，提供一种逆变器系统，在其锁相控制单元中，由第一减法器计算出旁路电压的相位(θ_bp)减去逆变输出电压的相位(θ_inv)所得的相位差(Δθ)，再由第一锁相控制器对所述相位差(Δθ)进行调节以生成第一调节量(θ’)；此外，还由第二减法器计算出旁路电压的频率(f_bp)减去逆变输出电压的频率(f_inv)所得的频率差(Δf)，并由频率跟踪控制器根据所述频率差(Δf)和设定的跟踪速率(Δθ_set)，生成第二调节量(θ_step)；然后由第二锁相控制器根据所述第一调节量(θ’)生成第三调节量(θ₂₃)；最后，由第二加法器将第二调节量(θ_step)与第三调节量(θ₂₃)相加，得到该逆变器系统的相位控制量(θ)，通过该相位控制量即可实现锁相之目的。

在本发明的所述第二锁相控制器中，采用根据所述频率差(Δf)来控制乘法系数(K1)的合成控制器，由乘法器计算出所述第一调节量(θ’)与乘法系数(K1)之间的乘积，所述乘法器的输出为所述第三调节量(θ₂₃)。例如当所述频率差(Δf)的绝对值小于预定频率值时，所述乘法系数(K1)为1；当所述频率差(Δf)的绝对值大于预定频率值时，所述乘法系数(K1)为0。

在本发明的频率跟踪控制器中，可采用比例控制，比例积分控制或者比例积分微分控制。

该逆变器系统的锁相方法，其特征在于包括以下步骤：用旁路电压的相位(θ_bp)减去逆变输出电压的相位(θ_inv)，得到两者之间的相位差(Δθ)；对所述相位差(Δθ)进行调节，生成第一调节量(θ’)；用旁路电压的频率(f_bp)减去逆变输出电压的频率(f_inv)，得到两者之间的频率差(Δf)；根据所述频率差(Δf)和设定的跟踪速率(Δθ_set)，生成第二调节量(θ_step)；根据所述第一调节量(θ’)，生成第三调节量(θ₂₃)；将第二调节量(θ_step)与第三调节量(θ₂₃)相加，得到该逆变器系统的相位控制量(θ)，并用该相位控制量(θ)对逆变器系统进行控制，以实现锁相之目的。

可见，本发明在现有锁相方法的基础上增加了锁频控制，将锁相信号与锁步信号合理地进行合成，从而使并联系统更可靠，且其跟踪旁路频率的速度灵活可控。

从背景技术分析中可以看出，现有锁相控制方法中，当旁路频率发生较大的变化时，并联逆变器系统和旁路之间会有较大的频率差，从而导致它们的相位差在很长的时期内是一个幅度很大的波动量，一般在-180度到180度之间波动。当频率差导致的相位差远大于锁相控制相位的速度时，不但失去了控制的意义，而且加剧了逆变器输出频率的抖动，当此输出频率抖动的逆变器作为主机时，其它的UPS就跟踪此抖动的频率，必然导致从机的输出频率也会抖动，这样整个并联系统的输出频率都处于一个抖动状态，而频率抖动会导致并联系统UPS之间出现相位差，从而导致出现大的环流，影响并联系统的可靠性。

采用本发明的方案后，跟踪过程被分解为两个部分，一部分为锁频过程，一部分为锁相过程，通过合成控制器控制其合成关系，当逆变器输出电压与旁路电压之间的频率差较大时，可以通过合成控制器消弱锁相控制的大小，防止逆变器输出电压因为锁相控制而产生抖动；而通过频率跟踪控制器，又可使逆变器输出频率与旁路频率一致，当逆变器输出频率和旁路频率一致后，通过合成控制器使锁相控制发挥作用，最终使并联逆变器系统的输出电压的相位和旁路电压的相位一致。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是并联逆变器系统的原理框图；

图2是现有技术的锁相方法的原理图；

图3是本发明一个优选实施例中锁相方法的原理图。

具体实施方式

如图3所示为本发明的一个优选实施例。

从图中可以看出，旁路电压被分别输入旁路相位计算器器1和旁路频率计算器10，从而分别计算出旁路电压的相位θ_bp和频率f_bp。

同样，逆变输出电压被分别输入逆变相位计算器4和逆变频率计算器7，从而分别计算出逆变输出电压的相位θ_inv和频率f_inv。

然后，由第一减法器2计算出旁路电压的相位θ_bp减去逆变输出电压的相位θ_inv所得的相位差Δθ。再将相位差Δθ输入锁相控制器3进行调节，生成第一调节量θ′。其中的锁相控制器3可以是PID(比例积分微分)控制器，也可以是PI(比例积分)控制器或者P(比例)控制器。在本实施例中，为了控制的简单可靠，采用一个P控制器和一个限幅控制器，也就是先进行比例调节，再进行限幅处理，最终得到的第一调节量：

θ′＝Limit{K_pΔθ}＝Limit{K_p(θ_bp-θ_inv)}

其中，K_p为比例调节系数；Limit为限幅处理运算，即限定的相位调整的范围，当K_pΔθ在限幅范围内时，θ’的实际值为K_pΔθ，如果K_pΔθ超过范围，θ’的实际值为设定限幅值。

同时，由第二减法器13计算出旁路电压的频率f_bp减去逆变输出电压的频率f_inv所得的频率差Δf。再将频率差Δf输入到频率跟踪控制器11，生成第二调节量θ_step。本发明中，通过频率跟踪控制器11来调节逆变器系统的跟踪速率，为了保证跟踪速率的稳定，一般可以将调节设定为固定步长递增，控制率可以设计为：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{step}}=\left\{\begin{array}{cc}\&Integral;\left({\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{dt}& \mathrm{\&Delta;f}\&GreaterEqual;0\\ \&Integral;(-{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\mathrm{set}})\mathrm{dt}& \mathrm{\&Delta;f}<0\end{array}\right.$

其中，Δθ_set为设定的跟踪速率。

在图3中，合成控制器5的输入为频率差Δf，而输出则用于控制乘法器6的系数K1，在本实施例中，其控制率可以设计为：

$K1=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\mathrm{\&Delta;f}\right|\&le;0.5\mathrm{Hz}\\ 0& \left|\mathrm{\&Delta;f}\right|>0.5\mathrm{Hz}\end{array}\right.$

由上式可以看出，

当频率差Δf的绝对值小于0.5Hz时，K1等于1，相应地，乘法器6的输出为第一调节量θ’；

当频率差Δf的绝对值大于0.5Hz时，K1等于0，相应地，乘法器6的输出为0。

可见，当逆变输出电压的频率与旁路电压的频率之间的差值比较大时，第一调节量θ’不起作用，从而可防止逆变器输出频率的抖动，使并联系统的频率相对稳定，减少动态过程中的环流。此时只有第二调节量θ_step起作用，使并联逆变器系统的输出频率趋近旁路频率。

上述乘法器6的输出值和频率跟踪控制器11输出的第二调节量θ_step被输入第二加法器8，两者相加，得到相位控制量θ。

当频率差Δf的绝对值小于0.5Hz时，θ＝θ_step+θ′；

当频率差Δf的绝对值大于0.5Hz时，θ＝θ_step。

用该相位控制量θ来控制并联逆变器系统的相位，即可实现锁相之目的。

在并联逆变系统中，利用一般的的锁相方法，因为稳定性问题，往往需要将锁相速度设定得很慢，导致跟踪速度不可调整，而实际上有的用户需要调整锁相速度，以满足不同负载对频率跟踪速度的适应性，传统的锁相方法很难实现此用户需求。新方法因为加强了并联逆变器系统的锁相稳定性，所以可以很方便地实现跟踪频率跟踪速度可调整的功能。

Claims (10)

1. 一种逆变器系统，其锁相控制单元中包括：

用旁路电压的相位(θ_bp)减去逆变输出电压的相位(θ_inv)，得到两者之间的相位差(Δθ)的第一减法器；

对所述相位差(Δθ)进行调节以生成第一调节量(θ’)的第一锁相控制器；

其特征在于，还包括：

用旁路电压的频率(f_bp)减去逆变输出电压的频率(f_inv)，得到两者之间的频率差(Δf)的第二减法器；

根据所述频率差(Δf)和设定的跟踪速率(Δθ_set)，生成第二调节量(θ_step)的频率跟踪控制器；

根据所述第一调节量(θ’)生成第三调节量(θ₂₃)的第二锁相控制器；

以及，将第二调节量(θ_step)与第三调节量(θ₂₃)相加，得到该逆变器系统的相位控制量(θ)的第一加法器。

2. 根据权利要求1所述的逆变器系统，其特征在于，所述第二锁相控制器中包括：

根据所述第二减法器输出的频率差(Δf)来控制乘法系数(K1)大小的合成控制器；

将所述第一调节量(θ’)与乘法系数(K1)相乘的乘法器，所述乘法器的输出为所述第三调节量(θ₂₃)。

3. 根据权利要求2所述的逆变器系统，其特征在于，

当所述频率差(Δf)的绝对值小于预定频率值时，所述乘法系数(K1)为1；

当所述频率差(Δf)的绝对值大于预定频率值时，所述乘法系数(K1)为0。

4. 根据权利要求1-3中任一项所述的逆变器系统，其特征在于，其锁相控制单元中还包括：

根据输入的旁路电压信号计算出旁路电压的相位(θ_bp)的旁路相位计算器；

根据输入的逆变输出电压信号计算出逆变输出电压的相位(θ_inv)的逆变相位计算器；

根据输入的旁路电压信号计算出旁路电压的频率(f_bp)的旁路频率计算器；

根据输入的逆变输出电压信号计算出逆变输出电压的频率(f_inv)的逆变频率计算器。

5. 根据权利要求1-3中任一项所述的逆变器系统，其特征在于，所述第一锁相控制器可以是比例积分微分控制器、比例积分控制器或比例控制器。

6. 一种逆变器系统的锁相方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)用旁路电压的相位(θ_bp)减去逆变输出电压的相位(θ_inv)，得到两者之间的相位差(Δθ)；

(2)对所述相位差(Δθ)进行调节，生成第一调节量(θ’)；

(3)用旁路电压的频率(f_bp)减去逆变输出电压的频率(f_inv)，得到两者之间的频率差(Δf)；

(4)根据所述频率差(Δf)和设定的跟踪速率(Δθ_set)，生成第二调节量(θ_step)；

(5)根据所述第一调节量(θ’)，生成第三调节量(θ₂₃)；

(6)将第二调节量(θ_step)与第三调节量(θ₂₃)相加，得到该逆变器系统的相位控制量(θ)，并用该相位控制量(θ)对逆变器系统进行控制，以实现锁相之目的。

7. 根据权利要求6所述的逆变器系统的锁相方法，其特征在于，在第(4)步中，

当所述频率差(Δf)大于0时，所述第二调节量(θ_step)为所述设定跟踪速率(Δθ_set)对时间的积分；

当所述频率差(Δf)小于0时，所述第二调节量(θ_step)为负的所述设定跟踪速率(-Δθ_set)对时间的积分。

8. 根据权利要求7所述的逆变器系统的锁相方法，其特征在于，在第(5)步中，根据所述的频率差(Δf)控制乘法系数(K1)；将第一调节量(θ’)乘以乘法系数(K1)得到第三调节量(θ₂₃)。

9. 根据权利要求8所述的逆变器系统的锁相方法，其特征在于，

当所述频率差(Δf)的绝对值小于预定频率值时，所述乘法系数(K1)为1；

当所述频率差(Δf)的绝对值大于预定频率值时，所述乘法系数(K1)为0。

10. 根据权利要求9所述的逆变器系统的锁相方法，其特征在于，所述预定频率值为0.5Hz。

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