CN100553066C - 电源系统及实现均流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电源系统及实现均流的方法，以解决现有技术中并机的电源系统存在可靠性和整体性能差的问题。所述电源系统至少包括用于输出直流电的直流模块，以及用于对该直流模块进行控制的处理器；其中，各电源单元的直流模块与直流母线连接，各电源单元的处理器通过检测本电源单元的直流模块的输出电流来调节该直流模块对直流母线的能量供给。本发明通过对各直流模块输出电流的检测和计算从而达到调节该直流模块对直流母线的能量供给，借以实现直流侧的动态负载匹配。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术，尤其涉及交流和直流变换技术中的一种电源系统及实现均流的方法。
背景技术
传统的不间断电源(UPS)并联多指UPS的逆变输出侧并联，如图1所示。从图1可知，并机系统中各单机的整流器之间为一种间接的并联方式，即通过并联的各UPS逆变器而相互作用。
显然，这种并联方式是不充分的，它没有完全并均衡的利用各UPS直流模块的承载能力。同时，受系统均流程度及直流母线特性的影响，当单机受过载冲击而UPS并联的整体系统不过载时，因负载冲击转旁路，致使整个UPS并机系统存在切换旁路或关机的风险，这些都与直流模块未直接参与并联，母线动态性能较差有直接关系。
同时，现有并机系统的并机信号连接多为共模信号，需要用光藕隔离，而当并机系统运行时，又常因共模信号损伤光藕，导致并机系统的可靠性降低，使得负载停电的风险大大增加。
再次，从直流母线到逆变输出，逆变器的控制方案一旦确定，其逆变侧电压利用率则相对确定，因此直流母线特性对系统的稳态和动态输出性能都有重要影响，这也是UPS并机中必须解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电源系统及实现均流的方法，以解决现有技术中多个电源并联存在可靠性和整体性能差的问题。
为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：
一种电源系统，该电源系统具有复数个电源单元，各电源单元至少包括用于输出直流电的直流模块，以及用于对该直流模块进行控制的处理器；各电源单元的直流模块与直流母线连接，各电源单元的处理器对直流母线的反馈电压与直流母线的给定电压的误差进行调节并得到第一调节结果；对第一调节结果与直流模块输入电流的反馈值的误差进行调节得到第二调节结果，并将该第二调节结果与第一比例系数相乘得到电流环输出；根据系统中各电源单元的额定功率是否相同选择相应的均流调节系数，利用该均流调节系数和当前时刻直流模块的输出电流计算出下一时刻直流模块的输出电流作为参考电流；对所述参考电流与直流模块的输出电流反馈的误差进行调节得到第三调节结果，并将第三调节结果与第二比例系数相乘得到均流环输出；将电流环输出和均流环输出求和，得到脉宽调制PWM信号，并利用该PWM信号控制电源单元中的直流模块，以稳定本电源单元的输出电压和调节本电源单元的输出电流。
本发明实施例还提供了一种电源系统，该电源系统具有复数个电源单元，各电源单元至少包括用于输出直流电的直流模块，以及用于对该直流模块进行控制的处理器；各电源单元的直流模块与直流母线连接，各电源单元的处理器对直流母线的反馈电压与直流母线的给定电压的误差进行调节并得到调节结果；计算所述调节结果与直流模块输出电流反馈的误差；根据系统中各电源单元的额定功率是否相同选择相应的均流调节系数，利用该均流调节系数和第二步骤中的误差计算出下一时刻直流模块的输出电流；对所述下一时刻的输出电流与直流模块输入电流反馈之间的误差进行调节，得到脉宽调制PWM信号，并利用该PWM信号控制直流模块，以稳定本电源单元的输出电压和调节本电源单元的输出电流。
一种在上述电源系统中实现均流的方法，所述电源系统中各电源单元执行以下步骤：
第一步骤、对直流母线的反馈电压与直流母线的给定电压的误差进行调节并得到第一调节结果；
第二步骤、对第一调节结果与直流模块输入电流的反馈值的误差进行调节得到第二调节结果，并将该第二调节结果与第一比例系数相乘得到电流环输出；
第三步骤、根据系统中各电源单元的额定功率是否相同选择相应的均流调节系数，利用该均流调节系数和当前时刻直流模块的输出电流计算出下一时刻直流模块的输出电流作为参考电流；
第四步骤、对所述参考电流与直流模块的输出电流反馈的误差进行调节得到第三调节结果，并将第三调节结果与第二比例系数相乘得到均流环输出；
第五步骤、将电流环输出和均流环输出求和，得到脉宽调制(PWM)信号，并利用该PWM信号控制电源单元中的直流模块，以稳定本电源单元的输出电压和调节本电源单元的输出电流；其中，第一比例系数和第二比例系数分别为电流环和均流环的权值。
一种在上述电源系统中实现均流的方法，所述电源系统中各电源单元进行以下步骤：
第一步骤、对直流母线的反馈电压与直流母线的给定电压的误差进行调节并得到调节结果；
第二步骤、计算所述调节结果与直流模块输出电流反馈的误差；
第三步骤、根据系统中各电源单元的额定功率是否相同选择相应的均流调节系数，利用该均流调节系数和第二步骤中的误差计算出下一时刻直流模块的输出电流；
第四步骤、对所述下一时刻直流模块的输出电流与直流模块输入电流反馈的误差进行调节，得到脉宽调制(PWM)信号，并利用该PWM信号控制直流模块，以稳定本电源单元的输出电压和调节本电源单元的输出电流。
其中：如果系统中各电源单元的额定功率相同，相对于各电源单元选择具有相同单位标幺值的均流调节系数；否则，选择相对于所有电源单元总额定功率与本电源单元额定功率成反比例关系的单位标幺值的均流调节系数。
本发明将直流模块并联，通过对各直流模块输出电流的检测和计算从而达到调节该直流模块对直流母线的能量供给，借以实现UPS直流侧的动态负载匹配，采用本发明有助于增大系统母线的稳定裕度，提高系统的动态性能，从而改善并机系统的整体性能。同时，本发明的并机系统降低了系统的复杂度，提高了系统的稳定裕度，使系统的可靠性大大增加，而且本发明也易于实现。
附图说明
图1为传统的UPS并联的结构框图；
图2为UPS的结构框图；
图3为本发明的UPS并联的结构框图；
图4为本发明的控制示意图；
图5为图4所示控制的处理流程图；
图6为本发明的另一控制示意图；
图7为图6所示控制的处理流程图。
具体实施方式
本发明的电源系统具有复数个电源单元，各电源单元至少有直流模块，以及用于对该直流模块进行控制的处理器。各电源单元的直流模块通过直流母线并联连接，各电源单元的处理器通过对本电源单元的直流模块的输出电流进行检测和计算，从而达到调节该直流模块对直流母线的能量供给，借以实现直流侧的动态负载匹配。
本发明中的均流是指各电源单元中的直流功率模块按其额定功率占直流并机系统总额定功率的比例来均分并机系统输出电流。
传统并机系统在正常运行时，需已知它机的一些状态信息，因此，则需通过并机线相互通讯，其通讯信息可分为实时信息和状态信息两种，而其中实时信息的传递则为有线并机系统所需的主要控制信息，因此称为有线并机。而本发明的并机系统无需实时信息，称为无线并机。无线并机可分为无状态无实时信息并机和有状态无实时信息并机。
本实施例主要以电源单元为不间断电源(UPS)为例对本发明进行详细说明。
参阅图2所示，UPS主要包括主电路、驱动电路、检测电路和数字信号处理器(DSP)。主电路在驱动电路输出的功率驱动信号控制下将输入的交流电转换为直流电并通过直流母线输出。检测电路从主电路中获取电压和电流信号并反馈给数字信号处理器，由数字信号处理器进行相关的比例积分调节器运算并输出脉宽调制信号(PWM)，用该脉宽调制信号控制电路产生功率驱动信号，由功率驱动信号控制主电路。
主电路包括将输入的交流电转换为直流电的交流-直流变换模块(即整流器)，将直流电变换为交流电并提供给负载的直流-交流变换模块(即逆变器)，以及控制电池充电和控制电池放电的直流-直流变换器。由所述功率驱动信号对这些模块的控制，以调节输出电压和输出电流。
参阅图3所示，本发明的电源系统通过直流母线将多个UPS的主电路中的交流-直流变换模块和直流-直流变换模块并联连接。
由于直流母线电压是确定的，因此各直流模块(即包括交流-直流变换模块和直流-直流变换模块)向直流母线输出的电压也是确定的。由此可知各直流模块对直流母线的输出功率是由各模块的输出电流所唯一确定的，所以可通过调节各直流模块的输出电流大小来控制直流模块针对直流母线所承担的负载率。
参阅图4所示，对无线并机系统而言，可通过外电压环调节器确保母线电压恒定，通过电流环与均流环的共同调节实现并机系统的动态均流，从而实现本机与它机按比例共同承担直流母线负载；对于无并机信号连接，无通讯连接及无状态连接的直流模块并机系统而言，输出电流是并机系统均流调节的唯一控制量。
比例积分(PI)调节器由DSP执行程序实现。各UPS的DSP采用电压环调节器来控制直流模块输出稳定的电压，通过电流环调节器和均流环调节器来控制直流模块的输出电流。电压环调节作为外环，其调节器的输出作为电流环调节器的输入。
电压环的输入包括直流母线的反馈电压和直流母线的给定电压(即参考电压)，直流母线的反馈电压由检测电路提供给DSP，通过DSP的模拟/数字转换通道将检测电路提供的模拟信号转换为数字信号。对直流母线的反馈电压和直流母线的给定电压的误差进行比例积分(PI)调节的结果作为电流环的输入。
为了使各直流模块能够按比例向母线提供电流(即均流)，脉宽调制信号的输出除了由电流环跟踪直流母线电压环给定的输出外，还需要均流环调节器的输出。直流模块的输入电流反馈和直流母线的输出电流反馈由检测电路提供给DSP，通过DSP的模拟/数字转换通道将检测电路提供的模拟信号转换为数字信号。
电流环的输入包括电压的调节输出和交流/直流模块的输入电流反馈，对该两个输入的误差进行PI调节，然后将调节结果与第一比例系数Kpwm1相乘，得到电流环的输出。
均流环的输入包括参考电流和输出电流反馈，对该两个输入的差值进行PI调节，然后将调节结果与第二比例系数Kpwm2相乘，得到均流环的输出。其中参考电流为直流模块下一时刻应当输出的电流Ionext，该电流Ionext根据当前的输出电流Io和均流调节系数K来确定，即Ionext＝Io-K*Io。反馈电流可表示当前的输出电流Io；对于均流调节系数K，当各UPS的额定功率相同时取均流调节系数Keq，否则取均流调节系数Kneq。均流调节系数Keq相对于各单机取相同的单位标幺值，均流调节系数Kneq相对于所有电源单元总额定功率与本电源单元额定功率成反比例关系的单位标幺值(单位标幺值即开发者自行设定的单位标称容量)。
第一比例系数Kpwm1和第二比例系数Kpwm2分别为电流环和均流环的权值(第一、第二比例系数根据系统的均流度确定)。根据本机的均流信息，通过外电压环调节确保直流母线电压跟踪电压给定值，而电压环输出微调电流环给定，将电流环输出与均流环输出加权求和，得到脉宽调制器(PWM)的发波脉宽量，从而确保电流环输出按比例均流。
在本发明中，各UPS的通讯模块通过通讯接口互联并相互通讯来获取其他UPS的额定功率。各DSP的通讯为一种无主从的通讯关系，任何一台UPS的通讯模块都以其自身为通讯主机。
参阅图5和图4，各UPS实现均流的具体过程如下：
步骤10：由检测电路获取交流-直流变换模块输入电压的反馈电压、交流-直流变换模块输入电流的反馈电流、直流母线的反馈电压和反馈电流并提供给数字信号处理器。
步骤20：DSP计算出反馈电压值与直流母线的给定电压值的误差值。
步骤30：DSP对步骤20中所得的误差值进行比例积分(PI)调节运算，得到调节结果。
步骤40：计算步骤30中的调节结果与交流-直流变换模块的输入电流的反馈电流的误差，对该误差进行调节并将得到的调节结果与第一比例系数Kpwm1相乘得到电流环输出。
步骤50：DSP判断本机的额定功率与系统中其他UPS的额定功率是否相同，如果相同则进行步骤60，否则进行步骤70。
步骤60：选择均流调节系数Keq，根据公式Ionext＝Io-Keq*Io计算出下一时刻应该输出的电流并作为参考电流，转步骤80。
步骤70：选择均流调节系数Kneq，根据公式Ionext＝Io-Kneq*Io计算出下一时刻应该输出的电流并作为参考电流。
步骤80：对参考电流与输出电流反馈的差值进行PI调节，并将本步骤得到的调节结果与第二比例系数Kpwm2相乘得到均流环输出。
步骤90：将电流环输出和均流环输出求和，然后与直流模块的输入电压前馈求和，得到脉宽调制(PWM)信号，利用该PWM信号控制驱动电路输出的驱动信号，最终通过该驱动信号控制交流-直流变换模块和直流-直流变换模块，以稳定输出电压和调节输出电流(DSP向驱动电路输出PWM信号后，后续的控制过程与现有技术相同)。
步骤90中引入输入电压前馈是为了确保系统动态响应的快速性，并减小各直流模块间按比例均流所造成的误差。
上述流程通过确定电流环权值的第一比例系数Kpwm1与确定均流环权值的第二比例系数Kpwm2协调电流PI调节与均流调节的共同作用效果，减小并机系统的均流误差，从而计算得出PWM信号。
图6所示为无线并机的另一种均流的控制示意图，这种方式中将均流环作为电流环的外环，均流环的输出作为电流环调节器的给定，其物理意义相对直观。
图6中的均流环是利用输入和均流调节系数计算出直流模块下一时刻应该输出的电流，将此电流作为参考电流进行后续控制。
参阅6和图7所示，实现均流的处理流程如下：
步骤100：由检测电路获取交流-直流变换模块输入电压的反馈电压、交流-直流变换模块输入电流的反馈电流、直流母线的反馈电压和反馈电流并提供给数字信号处理器。
步骤110：DSP计算出所述反馈电压与直流母线的给定电压的误差值。
步骤120：DSP对步骤110中所得的误差值进行比例积分(PI)运算，得到运算结果。
步骤130：计算步骤120中的运算结果与直流模块输出电流反馈的误差IP。
步骤140：DSP判断本机的额定功率与系统中其他UPS的额定功率是否相同，如果相同则进行步骤150，否则进行步骤160。
步骤150：选择均流调节系数Keq，根据公式Ionext＝IP-Keq*IP计算出下一时刻应该输出的电流并作为参考电流，转步骤170。
步骤160：选择均流调节系数Kneq，根据公式Ionext＝IP-Kneq*IP计算出下一时刻应该输出的电流并作为参考电流。
步骤170：计算参考电流Ionext与直流模块输入电流反馈的误差。
步骤180：对步骤170中的误差进行比例积分运算并得到运算结果。
步骤190：将直流模块的输入电压前馈与步骤180中的结果求和得到脉宽调制(PWM)信号，利用该PWM信号控制驱动电路输出的驱动信号，最终通过该驱动信号控制交流-直流变换模块或直流-直流变换模块，以稳定输出电压和调节输出电流(DSP向驱动电路输出发波脉宽量后，后续的控制过程与现有技术相同)。
步骤190中引入输入电压前馈是为了确保系统动态响应的快速性，并减小各直流模块间按比例均流所造成的误差。
为了使电流保持平稳，在步骤180中先判断步骤170中得到的误差是否过大即是否大于预定值，如果是则采取逐步调节方式，即将预定值作为误差进行PI调节，否则对实际误差(即参考电流Ionext与直流模块输入电流反馈的误差)进行PI调节。
由于逆变器的控制方案一旦确定，其逆变侧电压利用率则相对确定，因此直流母线作为逆变侧的输入源，对系统的稳态和动态输出性能都有重要影响，而直流模块的并联有助于增大系统母线的稳定裕度，提高系统的动态性能，从而改善并机系统的整体性能。同时，无线并机系统降低了系统的复杂度，提高了系统的稳定裕度，使系统的可靠性大大增加。
另外，在现有技术中，DSP需要从通讯中获知大量的实时电流数据，而本发明只需获得额定功率信息，通讯数据量小，通讯时间短，也不需实时数据。
Claims (18)
1、一种电源系统，该电源系统具有复数个电源单元，各电源单元至少包括用于输出直流电的直流模块，以及用于对该直流模块进行控制的处理器；其特征在于，各电源单元的直流模块与直流母线连接，各电源单元的处理器对直流母线的反馈电压与直流母线的给定电压的误差进行调节并得到第一调节结果；对第一调节结果与直流模块输入电流的反馈值的误差进行调节得到第二调节结果，并将该第二调节结果与第一比例系数相乘得到电流环输出；根据系统中各电源单元的额定功率是否相同选择相应的均流调节系数，利用该均流调节系数和当前时刻直流模块的输出电流计算出下一时刻直流模块的输出电流作为参考电流；对所述参考电流与直流模块的输出电流反馈的误差进行调节得到第三调节结果，并将第三调节结果与第二比例系数相乘得到均流环输出；将电流环输出和均流环输出求和，得到脉宽调制PWM信号，并利用该PWM信号控制电源单元中的直流模块，以稳定本电源单元的输出电压和调节本电源单元的输出电流；其中，第一比例系数和第二比例系数分别为电流环和均流环的权值。
2、如权利要求1所述的电源系统，其特征在于，各电源单元的处理器通过通讯端口互联。
3、如权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，所述电源单元为不间断电源UPS，所述直流模块包括交流-直流变换模块和直流-直流变换模块，该交流-直流变换模块和直流-直流变换模块与所述直流母线连接。
4、一种电源系统，该电源系统具有复数个电源单元，各电源单元至少包括用于输出直流电的直流模块，以及用于对该直流模块进行控制的处理器；其特征在于，各电源单元的直流模块与直流母线连接，各电源单元的处理器对直流母线的反馈电压与直流模块的给定电压的误差进行调节并得到调节结果；计算所述调节结果与直流模块输出电流反馈的误差；根据系统中各电源单元的额定功率是否相同选择相应的均流调节系数，利用该均流调节系数和第二步骤中的误差计算出下一时刻直流模块的输出电流；对所述下一时刻的直流模块输出电流与直流模块输入电流反馈之间的误差进行调节，得到脉宽调制PWM信号，并利用该PWM信号控制直流模块，以稳定本电源单元的输出电压和调节本电源单元的输出电流。
5、如权利要求4所述的电源系统，其特征在于，各电源单元的处理器通过通讯端口互联。
6、如权利要求4或5所述的电源系统，其特征在于，所述电源单元为不间断电源UPS，所述直流模块包括交流-直流变换模块和直流-直流变换模块，该交流-直流变换模块和直流-直流变换模块与所述直流母线连接。
7、一种在如权利要求1所述的电源系统中实现均流的方法，其特征在于，所述电源系统中各电源单元进行以下步骤：
第一步骤、对直流母线的反馈电压与直流母线的给定电压的误差进行调节并得到第一调节结果；
第二步骤、对第一调节结果与直流模块输入电流的反馈值的误差进行调节得到第二调节结果，并将该第二调节结果与第一比例系数相乘得到电流环输出；
第三步骤、根据系统中各电源单元的额定功率是否相同选择相应的均流调节系数，利用该均流调节系数和当前时刻直流模块的输出电流计算出下一时刻直流模块的输出电流作为参考电流；
第四步骤、对所述参考电流与直流模块的输出电流反馈的误差进行调节得到第三调节结果，并将第三调节结果与第二比例系数相乘得到均流环输出；
第五步骤、将电流环输出和均流环输出求和，得到脉宽调制PWM信号，并利用该PWM信号控制电源单元中的直流模块，以稳定本电源单元的输出电压和调节本电源单元的输出电流；
其中，第一比例系数和第二比例系数分别为电流环和均流环的权值。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，各电源单元通过无主、从的相互通讯方式获知系统中其他电源单元的额定功率。
9、如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，如果系统中各电源单元的额定功率相同，相对于各电源单元选择具有相同单位标幺值的均流调节系数；否则，选择相对于所有电源单元总额定功率与本电源单元额定功率成反比例关系的单位标幺值的均流调节系数。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，按I0-K*I0计算下一时刻直流模块的输出电流，其中I0为当前时刻直流模块的输出电流，K为均流调节系数。
11、如权利要求7所述的方法，其特征在于，在第五步骤中还引入直流模块的输入电压前馈，将该输入电压前馈与将所述电流环输出和均流环输出求和的结果共同作用得到PWM信号。
12、如权利要求7所述的方法，其特征在于，第一步骤、第二步骤和第四步骤中对误差进行的调节为比例积分PI调节。
13、一种在如权利要求4所述的电源系统中实现均流的方法，其特征在于，所述电源系统中各电源单元进行以下步骤：
第一步骤、对直流母线的反馈电压与直流母线的给定电压的误差进行调节并得到调节结果；
第二步骤、计算所述调节结果与直流模块输出电流反馈的误差；
第三步骤、根据系统中各电源单元的额定功率是否相同选择相应的均流调节系数，利用该均流调节系数和第二步骤中的误差计算出下一时刻直流模块的输出电流；
第四步骤、对所述下一时刻直流模块的输出电流与直流模块输入电流反馈之间的误差进行调节，得到脉宽调制PWM信号，并利用该PWM信号控制直流模块，以稳定本电源单元的输出电压和调节本电源单元的输出电流。
14、如权利要求13所述的方法，其特征在于，如果系统中各电源单元的额定功率相同，相对于各电源单元选择具有相同单位标幺值的均流调节系数；否则，选择相对于所有电源单元总额定功率与本电源单元额定功率成反比例关系的单位标幺值的均流调节系数。
15、如权利要求13所述的方法，其特征在于，按IP-K*IP计算下一时刻直流模块的输出电流，其中IP为第二步骤中得到的误差，K为均流调节系数。
16、如权利要求13所述的方法，其特征在于，在第四步骤中还引入直流模块的输入电压前馈，将该电压前馈与对所述下一时刻直流模块的输出电流与直流模块输入电流反馈之间的误差进行调节所得到的调节结果求和，得到PWM信号。
17、如权利要求13所述的方法，其特征在于，在第四步骤中，首先判断下一时刻直流模块的输出电流与直流模块输入电流反馈的误差是否大于预定值，如果是，则将该预定值作为下一时刻直流模块的输出电流与直流模块输入电流反馈的误差进行调节以使本电源单元的输出电流保持平稳，否则，对下一时刻直流模块的输出电流与直流模块输入电流反馈的误差进行调节。
18、如权利要求13至17任一项所述的方法，其特征在于，第一步骤和第四步骤中对误差进行的调节为比例积分PI调节。
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