CN101494389B - 具并联运转功能的不间断电源系统 - Google Patents

Abstract

具并联运转功能的不间断电源系统包含一个或数个不间断电源单元，各单元的容量可不同，该不间断电源单元包含直流/交流变流器及控制该直流/交流变流器的控制电路。该控制电路包含电压反馈控制电路及电流前馈控制电路。该电压反馈控制电路包含控制负载电压振幅的稳压控制电路及控制负载电压波形的波形控制电路。该电流前馈控制电路检出该直流/交流变流器的输出电流，并分出该输出电流的基波及谐波成份，将该基波及谐波成份操作成虚拟基波电阻及虚拟谐波电阻，并使其等效串联在该直流/交流变流器的输出端。将该电压反馈控制电路及电流前馈控制电路的输出相加形成调制信号，将该调制信号输出至脉宽调制电路，以获得该直流/交流变流器的驱动信号。

Description

具并联运转功能的不间断电源系统 

技术领域

本发明是关于一种具并联运转功能的不间断电源系统，特别是关于一种具有不同容量的不间断电源单元并联运转的不间断电源系统，其依该不间断电源单元的容量比例控制各个该不间断电源单元，以便使各个该不间断电源单元的输出电流依其容量比例进行分配。 

背景技术

随着科技的发展和用电设备不断的增加，以至于负荷容量不断的提升，因而对于大容量不间断电源系统的需求亦不断增加。为了增加不间断电源系统的容量，一般有两种现有扩充方式：一种是仅提高单机不间断电源单元的容量；另一种则是采用并联多机小容量不间断电源单元。相对于单机高容量的不间断电源单元，前述采用并联多机小容量不间断电源单元具较佳的可扩充性及可靠性等优点。 

然而，具并联运转功能的不间断电源系统的主要问题在于负载电流的分配，其应避免负载电流分配不均所造成的个别不间断电源单元发生过载；其另一个问题则应避免不间断电源单元之间的环流造成电能损失的增加，以免降低整体的运转效率，及可能造成个别不断电系统单元发生过载的问题。 

现有具并联运转功能的不间断电源系统的控制方法包含主从式控制方法、集中分流控制方法、分布逻辑控制方法、环型控制方法及下垂控制方法等。 

首先，主从式控制法必须利用一主不间断电源单元操作成电压控制模式，使其输出电压稳定并降低谐波失真，其他不间断电源单元则作为从属不间断电源单元，从属不间断电源单元操作成电流控制模式，以均 分负载电流。该控制方法需要设置一负载电流分配电路，以分配每个该不间断电源单元所需负担的电流，因此在该不间断电源单元之间必须互相传递分配电流的资讯。 

集中分流控制方法类似于主从式控制方法，两者差别在于该集中分流控制方法的所有不间断电源单元均为电流控制模式，该控制方法亦须利用一负载电流分配电路分配每个该不间断电源单元所需负担的电流。各个不间断电源单元均利用电压及电流双控制回路方式进行控制，因此其能使输出电压维持稳定及低谐波失真。 

分布逻辑控制法是利用每个不间断电源单元输出电流均传送至每个不间断电源单元的控制电路，该控制电路将所收集的全部不间断电源系统输出电流取平均值以做为参考信号，并利用电流控制模式，以控制该不间断电源单元的输出电流与参考信号一致，藉此达成电流分配的目的。 

环型控制法类似于分布逻辑控制法，两者差别在于环型控制法中不间断电源单元的控制器并不收集全部不间断电源单元的输出电流，该方法只撷取前一个不间断电源单元的输出电流做为参考信号，而第一部不间断电源单元则撷取最后一部不间断电源单元的输出电流做为参考信号。全部所有不间断电源单元的控制器形成环型结构，该不间断电源单元利用电流控制模式控制该不间断电源单元的输出电流与参考信号一致，因此其可使全部该不间断电源单元的输出电流一致。 

上述四种控制方法在不间断电源单元之间必须互相传递分配电流的资讯，但这些互相传递分配电流的资讯容易遭受干扰，因此将影响并联不间断电源系统的可靠度。 

另一种具并联运转功能的不间断电源系统的控制方法是下垂控制法，其利用现有P-Q控制法完成，该P-Q控制法可通过控制不间断电源单 元输出电压的相位完成控制该不间断电源单元输出的有功，而可通过控制该不间断电源单元输出电压的振幅完成控制该不间断电源单元输出的无功。下垂控制法为了使具并联运转功能的不间断电源系统稳定操作，所以均使相位(频率)及振幅与不间断电源单元输出电流关系呈负斜率关系，因此称为下垂控制法。该下垂控制法的负载电压将随负载电流上升而下降，且各个不间断电源单元的输出电流并不一致。若下垂斜率变大时，则各个不间断电源单元的均流效果变佳，但电压调整率亦变大；反之，若下垂率变小时，则可降低电压调整率，但各个不间断电源单元的均流效果变差。虽然该下垂控制法省略不间断电源单元之间互相传递分配电流的资讯，但是其仍存在着无法使每一不间断电源单元产生均流，且具有负载电压调整率增大等缺点。 

若将不同容量的不间断电源单元进行并联，则可依负载容量的改变，而更精准及更弹性的组合其所需具并联运转功能的不间断电源系统，其更能符合经济效益的原则，且在配置上具有较大弹性。事实上，前述具并联运转功能的不间断电源系统的控制方法仅适合应用在并联相同容量的不间断电源单元，其并不适用于并联不同容量的不间断电源单元。 

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种具并联运转功能的不间断电源系统，其依该不间断电源单元的容量比例控制各个该不间断电源单元，以便达成各个该不间断电源单元的输出电流能依其容量比例进行分配的目的。在该不间断电源单元的间不需相互传递分配负载电流的资讯，以提升整体系统的可靠度、简化其控制电路，并可有效的改善负载端的电压调整率。 

本发明的主要目的是提供一种具并联运转功能的不间断电源系统， 其包含一个或数个不间断电源单元，在该不间断电源单元并联运转时，依各个该不间断电源单元的容量比例控制各个该不间断电源单元，以达成各个该不间断电源单元的输出电流依其容量比例进行分配的目的。 

本发明的另一目的是提供一种具并联运转功能的不间断电源系统，其依各个该不间断电源单元的容量比例控制各个该不间断电源单元，以便控制其输出电流与容量具有相同比例，以达成依其容量比例分配各个该不间断电源单元的输出电流的目的。 

本发明的另一目的是提供一种具并联运转功能的不间断电源系统，其依各个该不间断电源单元的容量比例控制各个该不间断电源单元，以达成省略在该不间断电源单元之间相互传递分配负载电流资讯的目的。 

为了达成上述目的，本发明的并联运转不间断电源系统包含一个或数个不间断电源单元，各个该不间断电源单元的容量可相同或不同。该不间断电源单元包含一直流/交流变流器及一控制电路，该直流/交流变流器用以输出一交流电能。该控制电路包含一电压反馈控制电路及一电流前馈控制电路。该电压反馈控制电路包含一稳压控制电路及一波形控制电路，该稳压控制电路用以提供负载电压振幅的控制，该波形控制电路用以提供负载电压波形的控制。该电流前馈控制电路检出该不间断电源单元的直流/交流变流器的输出电流，并分出该输出电流的基波及谐波成份，再分别予以放大，将该电压反馈控制电路及电流前馈控制电路的输出相加形成一调制信号，将该调制信号输出至一脉宽调制电路，以获得该不间断电源单元的该直流/交流变流器的驱动信号。该放大的基波及谐波成份可分别操作成一虚拟基波电阻及一虚拟谐波电阻等效串联在该不间断电源单元的直流/交流变流器的输出端，该虚拟基波电阻操作在基波频率下，而该谐波电阻操作在谐波频率下。 

该不间断电源单元的等效输出阻抗为该虚拟基波电阻及该虚拟谐 波电阻与该不间断电源单元的一输出滤波电感器等效串联而成。该不间断电源单元之间的该电流前馈控制电路的增益将反比于该不间断电源单元的容量，使该不间断电源单元的等效输出阻抗反比于其容量，以使该不间断电源单元的输出电流的分配正比于其容量，且该不间断电源单元的虚拟基波电阻能进一步依其实际输出电流与其额定电流的比值进行调整，以便达成各个该不间断电源单元的输出电流依其容量比例进行分配的目的。 

附图说明

图1：本发明较佳实施例具并联运转功能的不间断电源系统的结构示意图； 

图2：本发明较佳实施例具并联运转功能的不间断电源系统的单一不断电系统单元的结构示意图； 

图3：本发明较佳实施例具并联运转功能的不间断电源系统采用控制电路的控制方块图。 

主要元件符号说明 

1   电压反馈控制电路 

10  稳压控制电路 

100 第一电压检测电路        101 第一均方根值电路 

102 减法器                  103 第一控制器 

11  波形控制电路 

110 第二电压检测电路        111 相锁电路 

112 弦波产生器              113 乘法器 

114 减法器                  115 第二控制器 

2   电流前馈控制电路 

200 电流检测器    201 带通滤波器 

202 减法器        203 第二均方根值电路 

204 第一放大器    205 第二放大器 

206 乘法器        207 第三放大器 

208 加法器 

3   减法器 

4   脉宽调制电路 

具体实施方式

为了使本发明得到充分的了解，于下文例举优选实施例并配合附图作详细说明，其并非用以限定本发明。 

图1揭示本发明较佳实施的例具并联运转功能的不间断电源系统的结构示意图；图2揭示本发明较佳实施例具并联运转功能的不间断电源系统的单一不间断电源单元的结构示意图；及图3揭示本发明较佳实施例具并联运转功能的不间断电源系统采用控制电路的控制方块图。 

请参照图1所示，本发明较佳实施例的具并联运转功能的不间断电源系统包含N个不间断电源单元进行并联运转。每个该不间断电源单元包含一输入端及一输出端，输入端连接至一交流电源，输出端之间并联连接，其用以提供一交流电能至一负载。本发明较佳实施例的具并联运转功能的不间断电源系统省略了在不间断电源单元之间相互传递分配负载电流资讯，因而在该不间断电源单元之间不需设置分配电流信号的传递线。 

请参照图2所示，本发明较佳实施例的具并联运转功能的不间断电源系统的各个不间断电源单元包含一交流/直流转换器、一蓄电池组、一充放电电路及一直流/交流变流器。该交流/直流转换器的一输入端 电连接至该不间断电源单元的输入端，以便将该交流电源的电能转换成一直流电能。该蓄电池组经该充放电电路连接至该交流/直流转换器的一输出端，以便进行该蓄电池组的充放电。当该交流电源正常时，通过控制该充放电电路对该蓄电池组进行充电。当该交流电源不正常或中断时，通过控制该充放电电路使该蓄电池组进行放电，以作为备用电源。该直流/交流变流器的一输入端连接至该交流/直流转换器的一输出端及充放电电路的连接处，而该直流/交流变流器的输出端经一滤波器连接至该不间断电源单元的输出端，该直流/交流变流器用以将直流电能转换成一交流电能，并自该不间断电源单元的输出端输出至该负载，该滤波器由一滤波电感及一滤波电容组成，其用以滤除该直流/交流变流器高频切换所产生的谐波。 

请参照图2、3所示，该具并联运转功能的不间断电源系统的控制电路用以检测负载电压V_L、交流电源电压V_in及该直流/交流变流器的输出电流I_inv，以达成依各个不间断电源单元的容量比例分配各个不间断电源单元的电流。 

请再参照图3所示，本发明较佳实施例的具并联运转功能的不间断电源系统的控制电路包含一电压反馈控制电路1、一电流前馈控制电路2、一加法器3及一脉宽调制电路4。 

请再参照图3所示，该电压反馈控制电路1包含一稳压控制电路10及一波形控制电路11。该稳压控制电路10用以控制负载电压振幅。该稳压控制电路10具有一第一电压检测电路100、一第一均方根值电路101、一减法器102及一第一控制器103。该第一电压检测电路100用以检测该负载电压V_L，将该第一电压检测电路100的输出送至该第一均方根值电路101，以取出其均方根值信号。将该均方根值信号与一设定值送至该减法器102，以便将该均方根值信号与设定值相减，该设定值为期望的 负载电压V_L的均方根值。该减法器102的输出送至该第一控制器103，以产生一第一控制信号V₁，该第一控制信号V₁为一直流信号，且其为该稳压控制电路10的输出参考信号。 

请再参照图3所示，该波形控制电路11用以控制负载电压的波形，以降低其谐波失真率，并提供高品质交流电能至该负载。该波形控制电路11具有一第二电压检测电路110、一相锁电路111、一弦波产生器112、一乘法器113、一减法器114及一第二控制器115。该第二电压检测电路110检测该交流电源电压V_in，该第二电压检测电路110的输出与该第一电压检测电路100的输出送至一相锁电路111，以便进行对该交流电源电压V_in的锁相。该相锁电路111的输出送至该弦波产生器112，该弦波产生器112用以产生一单位振幅弦波信号V₂；当该交流电源正常时，该单位振幅弦波信号V₂与该交流电源电压V_in具有相同相位；当该交流电源不正常时，该单位振幅弦波信号V₂为一具基本波频率且与该负载电压V_L具有相同相位。将该稳压控制电路10的第一控制信号V₁与该单位振幅弦波信号V₂送至该乘法器113进行相乘，以获得一参考信号V₃。将该参考信号V₃ 与该第一电压检测电路100的输出送至该减法器114，以便两者相减。该减法器114的输出再送至该第二控制器115，该第二控制器115的输出即为该电压反馈控制电路1的输出控制信号。 

请再参照图3所示，该电流前馈控制电路2将该不间断电源单元的直流/交流变流器的输出电流I_inv检出，并分离出其基本波及谐波成份。将该基本波及谐波成份再予以放大不同倍率，该放大电流基波成份可使该直流/交流变流器产生一电压，其正比于该直流/交流变流器的输出电流I_inv的基波成份，其作用即等效成一基频电阻串联在该直流/交流变流器的输出，该等效基频电阻可用以控制并联运转的各个该不间断电源单元的输出电流的分流。该不间断电源单元的等效输出阻抗为该虚拟基波电阻及该虚拟谐波电阻与该不间断电源单元的该滤波电感串联组成，各个该不间断电源单元的输出电流反比于该不间断电源单元本身的等效输出阻抗，所以该基本波成份的放大倍率的设计必须与该不间断电源单元本身的容量成相反比例关系。而该放大的电流谐波成份可使该直流/交流变流器产生正比于该直流/交流变流器的输出电流I_inv的谐波成份的电压，其作用即等效成一虚拟谐波电阻串联在该直流/交流变流器的输出，作为该输出滤波器的阻尼，以防止该输出滤波器产生的高频振荡。由于该虚拟谐波电阻可对该输出滤波器产生阻尼作用，因而其可简化该波形控制电路11的该第二控制器115的设计。

请再参照图3所示，该电流前馈控制电路2包含一电流检测器200、一带通滤波器201、一减法器202、一第二均方根值电路203、一第一放大器204、一第二放大器205、一乘法器206、一第三放大器207及一加法器208。该电流检测器200检测出该直流/交流变流器的输出电流I_inv，该电流检测器200的输出送至该带通滤波器201，该带通滤波器201的中心频率为该交流电源的基本波频率(60Hz或50Hz)，其用以取出该直流/交流变流器的输出电流I_inv的基本波成份。将该电流检测器200及带通滤波器201的输出送至该减法器202，则该减法器202的相减结果为该直流/交流变流器的输出电流I_inv的谐波成份。该电流检测器200的输出亦送至该第二均方根值电路203，该第二均方根值电路203的输出送至该第一放大器204，该第一放大器204的放大倍率正比于各个该不间断电源单元的额定电流的倒数。该带通滤波器201的输出亦送至该第二放大器205，且该第二放大器205的增益依各个该不间断电源单元的不同容量而设定不同增益值，该第二放大器205的增益必须与各个该不间断电源单元的输出容量呈反向大小变化关系，即该直流/交流变 流器的输出容量愈大，则该第二放大器205的增益愈小；反之，该直流/交流变流器的输出容量愈小，则该第二放大器205的增益愈大，以使该基本波成份操作各个该不间断电源单元所形成的基频电阻可与其输出容量形成反向大小变化关系，该第二放大器205及第一放大器204的输出送至该乘法器206，以便进行两者相乘。另外，将该减法器202的输出送至该第三放大器207。该第三放大器207的增益亦依各个该不间断电源单元的不同容量而设定为不同的增益值，该第三放大器207的增益亦必须与各个该不间断电源单元的输出容量形成反向大小变化关系，即各个该不间断电源单元的输出容量愈大则该第三放大器207的增益必须愈小；反之，各个该不间断电源单元的输出容量愈小则该第三放大器207的增益必须愈大，以使各个该不间断电源单元的等效输出阻抗可与其输出容量形成反比关系。 

接着，将该乘法器206及第三放大器207的输出送至该加法器208，以便进行两者相加，以获得该电流前馈控制电路2的输出控制信号。由该电流前馈控制电路2的输出显示该直流/交流变流器的输出电流I_inv 的基本波及谐波成份已依各个该不间断电源单元的容量进行反向大小的放大(即该第二放大器205及第三放大器207的增益)，其操作可使各个该不间断电源单元的直流/交流变流器的等效输出阻抗与各个该不间断电源单元的输出容量形成反比关系，使该不间断电源单元的输出电流可依其各自容量比例进行分流。为了防止在实际生产时发生该不间断电源单元的实际电路参数可能不同，因而造成各个该不间断电源单元的输出电流无法依其各自容量比例进行分流，所以本发明利用该第二均方根值电路203的输出送至该第一放大器204，并利用该乘法器206进行修正该等效基频电阻，以便可进一步使各不同容量的该不间断电源单元能输出以其额定电流为基础的相同比例的电流。因此，本发明的不间断电 源单元在其额定电流基础上其输出电流与容量的比例趋于相同，以达成依其容量比例分配各个该不间断电源单元的输出电流的目的。 

请再参照图3所示，本发明具并联运转功能的不间断电源系统的控制电路最后将该电压反馈控制电路1的输出与该电流前馈控制电路2的输出送至该加法器3进行相加，以形成一调制信号，将该调制信号输出至该脉宽调制电路4，即可获得该直流/交流变流器的驱动信号。 

上述优选实施例仅为举例说明本发明及其技术特征，该实施例的技术仍可以适当进行各种实质等效修饰及/或替换的方式予以实施；因此，本发明的权利范围以申请权利要求所界定的范围为准。 

Claims (5)

1.一种具并联运转功能的不间断电源系统，其特征在于，其包含：

数个不间断电源单元，作并联运转操作，该不间断电源单元分别具有不同容量，该不间断电源单元具有一个直流/交流变流器及一个控制电路，该控制电路对应连接至该不间断电源单元的直流/交流变流器，以控制该不间断电源单元的直流/交流变流器，其中该控制电路依各个该不间断电源单元的容量比例控制各个该不间断电源单元的直流/交流变流器，以便控制各个该不间断电源单元的输出电流与容量的比例趋于相同；

其中，该不间断电源单元包含一输入端及一输出端，该输入端连接至一交流电源，各个该不间断电源单元的输出端并联连接，其用以提供交流电能至一负载；

其中，该控制电路包含电压反馈控制电路、电流前馈控制电路、加法器及脉宽调制电路；该电压反馈控制电路及电流前馈控制电路的输出控制信号送至该加法器，以便相加形成一个调制信号，将该调制信号输出至该脉宽调制电路，以获得该直流/交流变流器的驱动信号；

其中，该电压反馈控制电路包含稳压控制电路及波形控制电路；该稳压控制电路用以控制负载电压振幅，而该波形控制电路用以控制负载电压的波形，以降低其谐波失真率；及

其中，该电流前馈控制电路包含一个电流检测器、一个带通滤波器、一个减法器、第二均方根值电路、第一放大器、第二放大器、第三放大器、一个乘法器及一加法器；该电流检测器检测出该直流/交流变流器的输出电流，并送至该带通滤波器，以取出该直流/交流变流器的输出电流的基波成份，将该电流检测器及带通滤波器的输出送至该减法器，以获得该直流/交流变流器的输出电流的谐波成份，该电流检测器的输出亦送至该第二均方根值电路，该第二均方根值电路的输出送至该第一放大器；该带通滤波器的输出亦送至该第二放大器，且该第二放大器及第一放大器的输出送至该乘法器；将该减法器的输出送至该第三放大器；将该乘法器及第三放大器的输出送至该加法器，该加法器的输出为该电流前馈控制电路的输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的具并联运转功能的不间断电源系统，其特征在于：该稳压控制电路包含第一电压检测电路、第一均方根值电路、一个减法器及第一控制器；其中，该第一电压检测电路检测该负载的电压，将该负载的电压送至该第一均方根值电路，以取出其均方根值信号，将该均方根值信号与一个设定值送至该稳压控制电路的该减法器，以将该均方根值信号与该设定值相减，该稳压控制电路的该减法器输出至该第一控制器，以产生一个第一控制信号。

3.根据权利要求2所述的具并联运转功能的不间断电源系统，其特征在于：该波形控制电路包含第二电压检测电路、一个相锁电路、一个弦波产生器、一个乘法器、一个减法器及第二控制器；该第二电压检测电路检测该交流电源的电压，该第二电压检测电路的输出与该第一电压检测电路的输出送至该相锁电路，该相锁电路的输出送至该弦波产生器，以产生一个单位振幅弦波信号，将该稳压控制电路输出的第一控制信号与该单位振幅弦波信号送至该波形控制电路的该乘法器，以获得一个参考信号，将该参考信号与该第一电压检测电路的输出送至该波形控制电路的该减法器，该波形控制电路的该减法器的输出再送至该第二控制器，该第二控制器的输出为该电压反馈控制电路的输出控制信号。

4.根据权利要求1所述的具并联运转功能的不间断电源系统，其特征在于：该直流/交流变流器的输出容量愈大，则该第二放大器的增益愈小，反之，该直流/交流变流器的输出容量愈小，则该第二放大器的增益愈大；各个该不间断电源单元的输出容量愈大则该第三放大器的增益愈小，反之，各个该不间断电源单元的输出容量愈小则该第三放大器的增益愈大。

5.根据权利要求1所述的具并联运转功能的不间断电源系统，其特征在于：该第一放大器的增益正比于各个该不间断电源单元的额定电流的倒数。

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