CN101689816A

CN101689816A - 用于并联ups系统中脉冲宽度调制同步的方法

Info

Publication number: CN101689816A
Application number: CN200880013454A
Authority: CN
Inventors: 穆罕麦德·N·R·马瓦利; 凯文·K·艾斯克霍芬; 布赖恩·P·希伯
Original assignee: Liebert Corp
Current assignee: Vertiv Corp
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2028-03-10
Also published as: US7667351B2; US20080265680A1; TW200908511A; CN101689816B; EP2140545A1; TWI418115B; WO2008134127A1

Abstract

本发明公开一种用于并联UPS系统中脉冲宽度调制脉冲同步的方法，使用局部测量的关键总线电压来检测零点交叉且调节PWM脉冲使之与该零点交叉一致。单元之间不需要通信来执行同步，且不存在“主”和“从”关系，由此增加了整体系统可靠性。

Description

用于并联UPS系统中脉冲宽度调制同步的方法

现有相关申请

本申请权利要求2007年4月27日提交的美国临时申请序列号60/914,617和2008年2月27日提交的美国非临时申请序列号12/038,417的优先权，此处通过参引并入其全部内容以用于所有目的。

发明领域

本发明一般涉及不间断电源(UPS)系统，且更具体地涉及并联连接和操作的两个或更多UPS系统，其中通过使用局部测量的关键总线电压检测零点交叉来实现UPS系统之间的脉冲宽度调制(PWM)脉冲同步。

背景技术

UPS系统用在要求电力连续性的应用中，使得当主电源失效时，UPS系统从典型地电池形式的储备能量存储系统提供电力。UPS系统监控主电源且控制UPS组件向关键负载提供连续电力。

为提供进一步的电力连续性，多个UPS单元可以与其他UPS单元并联以形成具有给定多样性的冗余和可调节的UPS系统。这种系统增加了冗余，使得任意UPS单元可以从用于服务的关键负载断开或者自动被UPS单元断开以隔离故障单元。剩余单元仍向关键负载提供电力。另外，该系统允许增加系统总功率容量方面的灵活性。典型地，当UPS单元并联时，一些单元到单元的布线被添加以促进电力的共享和单元的连接或断开。

在并联UPS系统中，要求PWM脉冲开关周期同步以最小化环流。由于数字控制规律的基本限制，数字负载共享控制回路仅可以影响从基频到一半PWM脉冲频率的输出电流的谐波成分。即使当可以使用合适的数字负载共享回路以相对低的频率实现合适的负载共享控制时，仍然有环流的高频成分存在的实例。当多个UPS单元并联连接时，由于PWM脉冲不同步而出现这些高频环流。

为了最小化这些高频环流，PWM脉冲必须在并联连接UPS系统的所有单元中同步。典型地，同步通过使用“主”控制器实现，该“主”控制器发送同步脉冲到UPS系统的所有其他单元，其中其他单元用作“从”单元。所有“从”单元然后将使得其PWM脉冲与“主”PWM脉冲同步。尽管该技术可被接受，但该技术需要单元之间的额外布线来发射同步脉冲，且“主-从”关系的存在导致单点故障，这减小了整体系统可靠性。

因而，对于用于并联UPS系统中的PWM脉冲同步的方法存在需求，其中该系统不需要单元之间的额外布线且不依赖于“主-从”控制器关系。

发明内容

在本发明的一个方面，用于并联UPS系统中脉冲宽度调制同步的方法使用局部测量的关键总线电压来检测零点交叉且调整PWM脉冲使之与该零点交叉一致。不需要单元之间的通信来执行同步，且没有“主”和“从”关系存在，由此增加了总体系统可靠性。

附图说明

图1说明典型UPS系统的框图；

图2说明使用本发明的一个实施例的框图；

图3和4说明与本发明的实施例一起使用的时序图；

图5说明可以与本发明的实施例一起使用的计时器的框图；

图6和7说明使用本发明方法的实施例的时序图；

图8说明实现本发明的电路的框图。

具体实施方式

上述附图和下面具体结构和功能的书面描述并不旨在限制申请人发明的范围或所附权利要求的范围。而是，提供附图和书面描述以教导本领域技术人员使用寻求专利保护的本发明。为清晰和理解目的，本领域技术人员将意识到，并没有描述或示出本发明的商业实施例的所有特征。本领域技术人员还将意识到，结合本发明方面的实际商业实施例的新发展将需要很多具体实施决定以实现开发者用于商业实施例的最终目的。这种具体实施决定可以包括但不限于与相关系统、相关业务、相关政府或其他约束相兼容，这些约束可以通过具体实施、地点变化且随时间变化。尽管开发者的努力绝对说来可能是复杂和耗时的，毋庸置疑，这种努力将是本领域技术人员受益于本公开的例行程序。必须理解，此处公开和教导的发明易于具有各种不同修改和备选形式。最后，诸如但不限于“一个”的单数术语的使用并不旨在作为项目数目的限制。而且，为清晰起见，具体参考附图在书面描述中使用诸如但不限于“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”、“向下”、“向上”、“侧”等关系术语，且使用这些术语并不旨在限制本发明或所附权利要求的范围。

本发明的具体实施例可以参考方法的框图和/或操作说明描述。应当理解，框图和/或操作说明的每个方框以及框图和/或操作说明中的方框的组合可以通过模拟和/或数字硬件和/或计算机程序指令实施。这种计算机程序指令可以设置到通用目的计算机、专用目的计算机、ASIC和/或其他可编程数据处理系统的处理器。执行的指令可以创建用于实现框图和/和操作说明中指定的行为的结构和功能。在一些备选实施方式中，附图中示意的功能/动作/结构可以并不以框图和/或操作说明中示意的顺序发生。例如，依赖于涉及的功能性/动作/结构，示为连续发生的两个操作实际上可以基本同时执行或者操作可以以相反的顺序执行。

与此处公开的实施例一起使用或者被此处公开的实施例使用的计算机程序可以以面向对象编程语言、常规过程编程语言或诸如汇编语言和/或微代码的较低级代码书写。程序可以作为独立软件包或者其他软件包的一部分完全在单个处理器上执行和/或跨越多个处理器执行。

一般地，申请人发明了一种用于并联UPS系统中脉冲宽度调制的脉冲同步的方法，该方法使用局部测量的关键总线电压来检测零点交叉且调节PWM脉冲使之与零点交叉一致。

参考本发明的很多可能实施例其中之一，在图1中，本方法与一般由标号10表示的说明性UPS系统一起使用。UPS系统10包括并联连接以形成UPS系统10的UPS单元12和UPS单元14。尽管图1中示出了两个UPS单元12和14，应当理解，任意数目的UPS单元可以并联连接，且单元12和14仅用于说明目的而示出。单元12和14的输出产生应用于关键负载18的关键总线电压16(图3a)。

UPS单元12包括将来自AC电源22的输入功率转换成DC功率的整流器20。AC电源22可以从公用电力或者诸如发生器的另一AC电源提供。整流器20连接到第一电源，该第一电源也被称为逆变器24，其将DC功率转换成调节的AC功率。电池26在存在公共电力断供的情况下提供预留DC能量。

UPS单元12还包括在第一电源24失效时连接备选AC电源30到负载18的静态旁路开关(SBS)28。备选AC电源30可选地可以连接到与AC电源22相同的电源或者它可以从单独的AC电源供电。适用于静态旁路开关28的装置例如包括SCR、双向三端晶闸管(triac)或IGBT。UPS单元12还包括控制单元12的操作的控制器32，单元12的操作包括整流器20的操作、SBS 28的激活/失效以及逆变器24的控制操作。这些组件的控制通过总线34上提供的控制和反馈信号测量达成。逆变器24的输出电压36通常是总线34的反馈信号测量的一部分，但是在图1中单独示为应用于控制器32以描述本方法。

在UPS单元12中还提供断路器38。从电源30传送功率到逆变器24的请求通过闭合断路器28和断开SBS 28完成。

在正常条件下，逆变器24供给功率到关键负载18。在逆变器24失效的情况下，控制器32断开逆变器24且闭合SBS 28，由此使关键负载18从逆变器24转换到备选电源30，由此维持对于关键负载18的供电。

为提供进一步的冗余和可量测性，诸如UPS单元12的UPS单元可以与诸如第二UPS单元14的附加UPS单元并联。UPS单元14具有与UPS单元12相同的子系统，包括整流器40、逆变器42、电池44、SBS 46、控制器48、总线50以及断路器52。逆变器42的输出电压54被应用于控制器48。

如前所述，多个UPS单元12和14可以并联连接且每个单元中的控制器32和48配置为与其他(多个)控制器相互协作地操作。UPS单元12和14之间的通信使用离散数字信号通信总线60实现。

现在参考图2，其说明了并联UPS系统中并联馈电负载18中两个单相PWM逆变器形式的逆变器24和42的实施例。尽管示出了两个逆变器24和42，应当理解，本发明可以使用多于两个的单元，且任意并联的单相、三相或其他多相PWM逆变器可被使用。PWM逆变器24和42包括如下子系统。

DC电源70、72一般通过使用AC/DC整流器和/或电池储备系统获得。逆变器24和42还包括一般由标号74和76表示的PWM桥转换器，该PWM桥转换器示为单相配置且包括具有反向平行稳流二极管(逆变器24中的S11、S12、S13和S14以及逆变器42中的S21、S22、S23和S24)的功率开关。所述功率开关示为IGBT，但是也可使用诸如MOSFET或BJT的其他功率开关。

逆变器24和42还包括滤波器80和82，滤波器包括电感/电容滤波器用于过滤逆变器24中点84和86之间以及逆变器42中点88和90之间测量的输出电压的高频成分的。输出电压尽可能地类似于以基频(60Hz/50Hz)变化的正弦波形式。

如本领域技术人员公知，数字控制器32和48分别测量系统中的电压和电流作为反馈信号34和50，以控制PWM逆变器24和42的操作。控制器32和48分别产生PWM控制信号92和94，该PWM控制信号92和94分别馈入到门驱动器96和98，该门驱动器96和98为PWM桥转换器74和76的功率开关S提供驱动。例如参考美国专利No.6,466,465，此处通过参引并入其发明和公开以用于所有目的。

控制器32和48用于获得遵循基频60Hz/50Hz的正弦基准的电压。正弦基准电压是例如通过每个控制器32、48从UPS系统中存在的电压基准得出的，该电压基准诸如是为UPS单元12和14所公用的备选AD电压源，或者是共同馈入到控制器32和48的一些另外产生的电压基准。基于系统10的电压和电流反馈测量，控制器32和48产生控制功率转换器的PWM脉冲以迫使输出电压遵循其基准。

控制器32和48额外用于迫使负载电流100被并联的UPS单元12和14等同地共享，在本示例中，其迫使输出电流i1、102等于输出电流i2、104。注意电流100是电流102和104的总和。当电流102不等于电流104时，在UPS单元12和14之间存在环流，且控制器32和48的目标是最小化或者去除该环流以增加总系统10效率和/或防止UPS单元12和14变得过载。

本PWM脉冲同步方法不需要UPS单元12和14之间物理布线连接形式的任意附加通信。单元12和14的控制器32和48分别使用逆变器24的点84和86之间以及逆变器42的点88和90之间其局部测量的输出电压作为用于同步PWM脉冲的机制。该技术忽略了电源布线的电压降，点84和86之间、88和90之间以及106和108之间的电压全都基本相同。可以看出，本方法不需要单元24和42之间的额外布线且去除了用于创建“主”和“从”关系的需要，由此增加了整体系统可靠性。

现在参考图3和图4，图3说明单元24和42之间不同步的PWM脉冲，而图4示出根据本发明，单元24和42之间PWM脉冲之间的同步。在图3中，来自单元24(图3b)或单元42(图3d)的PWM脉冲均不同步于输出电压零点交叉(图3a)。而且，在图3c和3e中分别示出控制更新时间，在该时间，每个控制器32、48采样测量信号，并且作为数字控制循环策略，使用这些信号作为反馈信号以在每个PWM脉冲周期产生新的PWM脉冲命令，该控制更新周期不同步于输出电压零点交叉。每个单元的控制更新时间示为与其PWM脉冲的产生同步。

如图4所示，本方法使得PWM脉冲与局部测量输出电压零点交叉(图4a)同步。因为耦合到PWM脉冲产生(图4b和4d)的控制更新时间，控制更新时间将在单元之间同步。控制器32和48用于通过连续调节脉冲的PWM周期实现和维持该同步，使得在输出电压的每个线周期发生固定整数N个PWM脉冲，且迫使控制更新时间与零点交叉相符。

现在参考图5，示出用于实践本发明方法的控制器实施的框图，且该控制器一般由标号120指示。控制器120基于数字信号处理器(DSP)，该数字信号处理器DSP装配有如下组件：计时器22；输入捕获单元124；输出比较单元126；ADC 128；零点交叉检测器130；模拟信号调节器132；以及存储系统134。组件122、124、126、128和134在单芯片装置上的商用DSP或微控制器中发现。

计时器122被编程为向上/向下计数模式，如图6所示，该模式中，计时器122从0开始计数到特定可编程计时器周期数，且然后向下向0计数。计时器122的输出被馈入到输出比较单元126，该输出比较单元126基于DSP程序控制的PWM比较值产生PWM输出脉冲。如图6所示，当计时器122的计数小于PWM比较值时，PWM脉冲输出为低，且当计数较大时，输出为高。计时器122还被编程为在计时器122达到其周期数时产生CPU的中断(溢出OV事件)，在该时刻，计时器122还将自动触发采样的启动和ADC 128的输出的模拟信号的转换。当看到计时器122溢出中断时，CPU将开始执行控制代码程序以更新新的PWM脉冲比较值。

输出比较单元126被编程，使得新PWM比较值一直不起作用，直到计时器122计数再次达到零(下溢)。以这种方式，控制代码程序具有高达一半的总PWM周期(T PWM)(图6)来完成执行程序以更新新的PWM比较值。使用图6示出的机制，确保控制采样和更新时间总是与如图4所示的PWM脉冲的产生同步。

计时器122的输出还被馈入到输入捕获单元124，该输入捕获单元配置为当输入信号从低变化到高时捕获时间值。零点交叉检测器130被设计为每次在输出电压16上发生正向零点交叉时产生脉冲。当发生输出电压16的零点交叉时，输入捕获单元124将捕获计时器122的计数值，如图7所示。控制器32使得计时器122计数值的峰值(在控制更新时间)与输出电压零点交叉的发生对准。图7说明DSP程序然后将能够如何判断控制更新时间从输出电压零点交叉偏离了多少。这种偏离被称为以计数表示的“相位误差”，且基于控制更新时间“提前”或“落后”于电压零点交叉可以给定极性(正或负)。如图7所示，可以通过查看零点交叉发生时计时器122是向上还是向下计数做出所述判断。

从图7，可以如下计算相位误差：

为了实现与输出电压16零点交叉的PWM脉冲同步，控制器(32，48)必须迫使上述相位误差项为零且同时在输出电压的每个线周期维持固定整数N个PWM脉冲。如果输出电压基准由下式给出：

V_ref＝V_max·sin(2·π·f₁·t)

其中f₁代表电压基准的基频，则为了保持输出电压的每个周期的N个脉冲，PWM脉冲频率必须维持在N·f₁。为了输出电压的良好和严格的闭环控制，频率f1可以直接从上述基准电压获得。备选地，该频率还可以从输出电压的两个连续零点交叉之间的间隔的实际测量得出。

图8说明可用于迫使相位误差项为零且迫使PWM脉冲频率为基频f₁的N倍的算法。其使用下面的公式来周期性地计算新PWM频率，该频率然后将用于更新PWM计时器的计时器周期数：

f_power＝∫(K₁·Phase_Error+K₂·Frequency_Error)dt

其中频率误差从下式计算：

Frequency_Error＝N·f₁-f_power

该计算例如可以在每个线周期完成，或者可以被方便地编程以在每次新的电压零点交叉发生时执行。如图8所示，限制器140被插入到积分器142的输入处以限制每次更新允许改变PWM频率的速度。该操作确保对PWM计时器周期的改变充分逐步地完成，从而不干扰控制器的时序环境和影响其他数字控制环路的性能，诸如输出电压和负载共享控制环路的闭环控制。图8中的新计时器周期144可以如下从PWM频率计算：

Timerperiod = \frac{T_{power}}{2} = \frac{1}{2} \frac{1}{f_{pwm}}

相位误差方框146使用该周期计数和从输入捕获124获得的在零点交叉的计时器计数以及当计时器122向上和向下计数时是否发生零点交叉的事实，使用上述公式判断相位误差。

在上述讨论中，假设使用输出电压的实际直接测量检测输出电压零点交叉。然而，在可以实现输出电压的良好和严格的闭环控制的情况下，输出电压零点交叉可以方便地从内部产生的正弦电压基准得出，就像输出电压频率f₁那样。如前所述，该内部产生的电压基准通常通过控制器32和48从两个单元测量的备选AC电源电压30或者从共同馈入到两个单元的内部产生的电压基准得出。在这种情况下，发生零点交叉的时间可以直接从内部产生的电压基准计算而不需单独的零点交叉检测器硬件。

可以设计出使用上述本发明的一个或多个方面的其他和进一步实施例而不偏离申请人的发明的精神。

除非明确限制，步骤的次序可以以各种顺序变化。此处描述的各个步骤可以与其他步骤相组合，与其他所述步骤相互交错，和/或分成多个步骤。类似地，元件被功能地描述且可以实施为单独的组件或者可以组合到具有多个功能的组件中。

已经在优选和其他实施例的上下文中描述了本发明，且并没有描述本发明的每个实施例。本领域技术人员可以对所述实施例做出各种修改和替换。公开和未公开的实施例并不旨在限制或约束申请人构想的范围或应用性，而是，遵照专利法，申请人旨在完全保护落在所附权利要求的等价范围内的所有这种修改和改进。

Claims

1.一种用于并联电源系统中脉冲宽度调制(PWM)脉冲同步的方法，包括：

提供并联连接的至少第一和第二电源，其中每个电源连接到具有零电压交叉、控制更新点和循环周期的公共输出总线电压；

调节所述控制更新点且由此调节PWM脉冲，使得所述PWM脉冲与检测的零电压交叉一致，以使得所述PWM脉冲在系统中的所有电源中同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少第一和第二电源是不间断电源单元(UPS)。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括将采样率调节为在所述总线电压的一个循环周期中具有固定数目的PWM脉冲。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

以预定采样率采样所述总线电压；

判断所述总线电压的频率；

将所述采样率调节为在所述总线电压的一个循环周期中具有固定数目的PWM脉冲；以及

检测所述总线电压的零电压交叉。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，从输出电压的连续零点交叉之间的时间测量来判断所述总线电压的频率。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，从共同馈入到所有UPS单元的电压得出的内部产生的电压基准来判断所述总线电压的频率。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，由每个控制器根据从共同馈入到所有UPS单元的电压得出的内部产生的电压基准来检测所述总线电压的零电压交叉。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，调节控制更新时间且由此调节PWM脉冲以使之与检测的零电压交叉一致包括：基于相位误差(控制更新时间和电压零点交叉之间的时间差)和频率误差(PWM脉冲频率的整数倍与输出电压频率之间的频率差)连续调节PWM脉冲频率。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，调节的变化速度被限制为在时间上提供PWM频率的逐步变化。

10.一种用于脉冲宽度调制(PWM)脉冲同步的系统，包括：

并联连接的至少第一和第二电源，其中每个电源连接到具有零电压交叉、控制更新点和循环周期的公共输出总线电压，

其中，所述控制更新点被调节且由此所述PWM脉冲被调节，使得所述PWM脉冲与零电压交叉一致，以使得所述PWM脉冲在系统中的所有电源中同步。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述至少第一和第二电源是不间断电源单元(UPS)。