CN101938147A - 一种ups电源自回馈老化的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及UPS电源自回馈老化的控制方法及系统，该控制方法包括以下步骤：S1：提取逆变器电感电压的直流分量；S2：计算出逆变器电感电流的直流分量；S3：计算并输出有限占空比；S4：向逆变器输出相应的开关信号，以控制和调解逆变器电感电流，使得所述逆变器电感电流的直流分量为0、相位与逆变器输出滤波电容电压的相位相同，且幅值可调。该UPS电源自回馈老化系统自身可具备逆变器电感电流的直流分量的检测和控制功能，大大降低了系统成本；有效地控制了逆变器电感电流的直流分量，保证了输出电流的高功率因数；避免了直接使用实际检测到逆变器输出滤波电容电压时，混入相应的噪声信号，影响计算有限占空比的精确及产生的逆变器电感电流的谐振问题。

Description

一种UPS电源自回馈老化的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及UPS电源，更具体地说，涉及一种UPS电源自回馈老化的控制方法及系统。

背景技术

高温老化是不间断电源(Uninterruptable Power Supply，简称UPS)生产过程中必不可少的关键环节，UPS在40度环境温度下连续48小时满载运行过程中，系统的装配错误、器件缺陷可以提前暴露出来，有力保证出厂产品质量。通常UPS容量较小时，高温老化可以采用带阻性满载的方法。但随着小容量UPS市场竞争的日趋激烈，企业面临很大的成本压力，48小时阻性满载消耗的电费、负载资产费用对企业来说也是一笔不小的开支，自回馈老化技术也是在此背景下提出的。

采用SPWM调制技术的逆变器，由于基准正弦波的直流分量、采样电路中运放的零点漂移、开关器件不一致、驱动脉冲分配和死区时间的不对称以及电网电压中的直流成分等原因，都会造成逆变电感电流中含有直流分量。而传统的小容量UPS限于成本压力，通常采用电流互感器(current transformer，简称CT)等来检测逆变电感电流，此类的电流检测装置不具备检测直流分量的能力。

直流分量的危害：1、自老化系统中，逆变电感电流直流偏置的存在会导致正负母线电压的不平衡，进而促使自老化系统因单边母线过压故障而关机，导致自老化失败；2、逆变电感电流直流偏置的存在会导致老化功率分配不均衡，导致系统过流保护甚至损坏功率器件；3、导致逆变输出的低功率因素和高谐波含量，给电网带来污染。

直流分量的成因：采用SPWM调制技术的逆变器，由于基准正弦波的直流分量、采样电路中运放的零点漂移、开关器件不一致、驱动脉冲分配和死区时间的不对称以及电网电压中的直流成分等原因，都会造成逆变电感电流中含有直流分量。

对于无直流检测装置的自回馈老化控制系统而言，保证系统的可靠运行需着手解决两个方面的难题：一是逆变电感电流的直流分量控制；二是逆变电感电流谐振的处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对自身不具备逆变器电感电流的直流分量的检测和控制功能的UPS电源自回馈老化系统，需要使用外部专用检测装置，存在成本高等缺陷，提供一种UPS电源自回馈老化的控制方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种UPS电源自回馈老化的控制方法，所述UPS电源包括控制电路，所述控制电路包括逆变器电感电压检测单元、逆变器电感电流直流分量计算单元、逆变器电感电流控制单元和发波单元；所述控制方法包括以下步骤：

S1：所述逆变器电感电压检测单元提取逆变器电感电压的直流分量；

S2：根据所述逆变器电感电压的直流分量，所述逆变器电感电流直流分量计算单元计算出逆变器电感电流的直流分量；

S3：根据所述逆变器电感电流的直流分量和检测到的逆变器电感电流的交流分量，所述逆变器电感电流控制单元计算并输出有限占空比；

S4：根据所述有限占空比，所述发波单元向所述逆变器输出相应的开关信号，以控制和调解逆变器电感电流，使得所述逆变器电感电流的直流分量为0、相位与逆变器输出滤波电容电压的相位相同，且幅值可调。

在本发明所述的UPS电源自回馈老化的控制方法中，所述步骤S1包括以下步骤：

S11：所述逆变器电感电压检测单元检测逆变器电感电压；

S12：所述逆变器电感电压检测单元通过衰减逆变器电感电压的交流分量，以得到所述逆变器电感电压的直流分量。

在本发明所述的UPS电源自回馈老化的控制方法中，在所述步骤S2中，所述逆变器电感电流直流分量计算单元通过对所述逆变器电感电压的直流分量，执行数字校正运算以计算出逆变器电感电流的直流分量。

在本发明所述的UPS电源自回馈老化的控制方法中，所述数字校正运算是比例、积分和微分运算的其中一种或一种以上的运算组合。

在本发明所述的UPS电源自回馈老化的控制方法中，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：将逆变器电感电流的控制目标值与所述逆变器电感电流的直流分量相减，以得到修正的逆变电感电流的控制目标值；

S32：将所述修正的逆变器电感电流的控制目标值与检测到的逆变器电感电流的交流分量相减，以得到逆变器电感电流的差值；

S33：将所述逆变器电感电流的差值进行数字校正运算，以得到期望的逆变器电感电压；

S34：将所述期望的逆变器电感电压与逆变器输出滤波电容电压相加，以得到逆变桥臂中点电压；

S35：根据所述逆变桥臂中点电压，计算并输出有限占空比。

在本发明所述的UPS电源自回馈老化的控制方法中，所述数字校正运算是比例、积分和微分运算的其中一种或一种以上的运算组合。

在本发明所述的UPS电源自回馈老化的控制方法中，所述步骤S34包括以下步骤：

S341：模拟出所述逆变器输出滤波电容电压；

S342：将所述期望的逆变器电感电压与模拟出的逆变器输出滤波电容电压相加，以得到逆变桥臂中点电压。

在本发明所述的UPS电源自回馈老化的控制方法中，所述步骤S341包括以下步骤：

S3411：采样逆变器输出滤波电容电压；

S3412：计算出采样到的逆变器输出滤波电容电压的实际幅值和实际相位；

S3413：生成与所述实际相位同步的模拟正弦波；

S3414：根据所述实际幅值和模拟正弦波，模拟出所述逆变器输出滤波电容电压。

在本发明所述的UPS电源自回馈老化的控制方法中，在所述步骤S35中，根据公式D＝(V/Vdc+1)×0.5，计算出所述有限占空比，其中，D为有限占空比，V为逆变桥臂中点电压，Vdc为直流母线电压。

根据本发明的另一个方面，提供一种UPS电源自回馈老化的控制系统，所述UPS电源包括控制电路，所述控制电路包括：

逆变器电感电压检测单元，用于提取逆变器电感电压的直流分量；

逆变器电感电流直流分量计算单元，用于根据所述逆变器电感电压的直流分量，计算出逆变器电感电流的直流分量；

逆变器电感电流控制单元，用于根据所述逆变器电感电流的直流分量和检测到的逆变器电感电流的交流分量，计算并输出有限占空比；

发波单元，用于根据所述有限占空比，向所述逆变器输出相应的开关信号，以控制和调解逆变器电感电流，使得所述逆变器电感电流的直流分量为0、相位与逆变器输出滤波电容电压的相位相同，且幅值可调。

实施本发明的UPS电源自回馈老化的控制方法及系统，具有以下有益效果：通过在控制电路中集成逆变器电感电压检测单元、逆变器电感电流直流分量计算单元和逆变器电感电流控制单元，使得该UPS电源自回馈老化系统自身可具备逆变器电感电流的直流分量的检测和控制功能，无需借助外部专用检测装置，节省系统成本；有效地控制了逆变器电感电流的直流分量，保证了输出电流的高功率因数；进一步地，通过模拟逆变器输出滤波电容电压，避免了直接使用实际检测到逆变器输出滤波电容电压时，混入相应的噪声信号例如高频噪音，影响计算有限占空比的精确及产生的逆变器电感电流的谐振问题。

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是本发明UPS电源自回馈老化的控制系统的原理框图；

图2是图1所示的逆变器的一实施例的电路原理图；

图3是图1所示的逆变器电感电压检测单元一实施例的电路原理图；

图4是图1所示的逆变器电感电流直流分量计算单元和电感电流控制单元一实施例的控制框图。

具体实施方式

如图1所示，UPS电源自回馈老化系统主要包括主功率电路、电池单元和控制电路，主功率电路中的主路与旁路接同源市电，而且逆变器不接任何负载，在运行过程中，控制电路对系统进行监控和管理，电池单元用于备用供电。在自回馈老化工作模式下，整流器如正常模式工作，进行交流至直流的电压变换，将电网能量提供给母线和逆变器使用。但逆变器工作模式与正常模式不同，其工作于电流源而非电压源模式下。更具体的说，逆变器将输出与旁路电压(即市电)相位相同、幅值可调的正弦波电流，将母线能量通过逆变器经旁路传递回给交流电网。如图1所示，本发明的创新点在于，在控制电路集成逆变器电感电压检测单元、逆变器电感电流直流计算单元和逆变器电感电流控制单元，从而使得该UPS电源自回馈老化系统自身可具备逆变器电感电流的直流分量的检测和控制功能，由此，一方面可减小逆变器电感电流的直流分量的危害，另一方面也不会增加系统的成本。

如图2所示的逆变器的一实施例中，其主要包括开关管S1、S2、电感L、电容C，其中，开关管S1和S2的控制端耦合到控制电路，控制电路通过向开关管S1和S2的控制端发送开关信号，从而对逆变器进行控制，同时，控制电路从电感L的两端采集相应的电压信号，Vdc为直流母线电压，另外，开关管S1和S2以及电感L连接节点处的电压V为逆变桥臂的中点电压。

如图3所示的逆变器电感电压检测单元一实施例中，其主要包括滤波电路、加法电路和积分电路，逆变器电感L两端的电压信号输入到该逆变器电感电压检测单元，并顺次通过滤波电路、加法电路和积分电路处理后，输出逆变器电感L电压的直流分量ULdc。如图3所示，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C2、C3、C4，构成一个RC滤波电路；1.5V基准电压、电阻R5、R6、R7，电容C4、C5、C6，以及运算放大器构成RC滤波和加法电路，运算放大器、电阻R8、R9、电容C7构成积分电路。

图4所示的逆变器电感电流直流分量计算单元和电感电流控制单元，其主要由两个PI(比例积分)控制器组成，在实际工作中，其接收逆变器电感L电压的直流分量ULdc。

该UPS电源自回馈老化的控制系统的工作原理为：

S1：逆变器电感电压检测单元提取逆变器电感电压的直流分量ULdc，具体包括：

S11：逆变器电感电压检测单元检测逆变器电感电压(INV_L+，INV_L-)；

S12：逆变器电感电压检测单元通过衰减逆变器电感电压的交流分量，以得到逆变器电感电压的直流分量ULdc。

S2：根据逆变器电感电压的直流分量ULdc，逆变器电感电流直流分量计算单元计算出逆变器电感电流的直流分量，如图4所示的实施例中，首先将逆变器电感电压的直流分量ULdc反向，再通过PI控制器进行比例积分计算，从而得到负的逆变器电感电流的直流分量；

S3：根据逆变器电感电流的直流分量和检测到的逆变器电感电流的交流分量IL，逆变器电感电流控制单元计算并输出有限占空比，具体为：

S31：将逆变器电感电流的控制目标值Iref与逆变器电感电流的直流分量相减，以得到修正的逆变电感电流的控制目标值；

S32：将修正的逆变器电感电流的控制目标值与检测到的逆变器电感电流的交流分量IL相减，以得到逆变器电感电流的差值；

S33：将逆变器电感电流的差值进行数字校正，以得到期望的逆变器电感电压VLinv；如图4所示的实施例中，通过PI控制器对逆变器电感电流的差值进行比例积分计算，从而得到期望的逆变器电感电压VLinv；该数字校正运算是比例、积分和微分运算的其中一种或一种以上的运算组合；

S34：将期望的逆变器电感电压VLinv与逆变器输出滤波电容电压Vinv相加，以得到逆变桥臂中点电压V；在本发明的技术方案中，为了避免直接使用实际检测到得逆变器输出滤波电容电压时，可能引入噪声信号例如高频噪声，影响有限占空比的计算精确及产生谐振问题，特别使用模拟的逆变器输出滤波电容电压Vinv，具体为：

S3411：采样逆变器输出滤波电容电压；

S3412：计算出采样到的逆变器输出滤波电容电压的实际幅值和实际相位；

S3413：生成与实际相位同步的模拟正弦波；

S3414：根据实际幅值和模拟正弦波，模拟出逆变器输出滤波电容电压Vinv；即通过控制电路直接生成同市电相位同步、幅值相等的正弦波，替代实际的输入源的电压瞬时采样值充当整流器和逆变器的电压前馈，从实际的控制效果来看，能够很好的抑制系统的谐振，保持系统的稳定运行。

S35：根据所述逆变桥臂中点电压，计算并输出有限占空比。例如，根据公式D＝(V/Vdc+1)×0.5，计算出所述有限占空比D。

S4：根据有限占空比D，控制电路的发波单元向逆变器输出相应的开关信号，控制逆变器的工作状态，调解逆变桥臂中点电压，以控制和调解逆变器电感电流，使得所述逆变器电感电流的直流分量为0、相位与逆变器输出滤波电容电压的相位相同，且幅值可调。

本发明的技术方案，不直接采用含直流检测功能的电流检测装置，而是通过采集与电流直流分量相关的电压量来间接达到修正输出电流直流偏置的方法。其应用于包含但不限于单相半桥逆变电感电流控制系统，通过采样电感电压直流分量，通过相应的数字控制手段，达到控制电感电流直流分量。对于无直流检测装置的小型UPS自回馈老化控制系统，通过控制电路直接生成同市电相位同步、幅值相等的正弦波，替代实际的输入源的电压瞬时采样值充当整流器和逆变器的电压前馈，和采样逆变电感电压直流分量，间接控制逆变电感电流直流偏置，保证自回馈老化系统的可靠、稳定运行。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种UPS电源自回馈老化的控制方法，所述UPS电源包括控制电路，其特征在于，所述控制电路包括逆变器电感电压检测单元、逆变器电感电流直流分量计算单元、逆变器电感电流控制单元和发波单元；所述控制方法包括以下步骤：

S1：所述逆变器电感电压检测单元提取逆变器电感电压的直流分量；

S2：根据所述逆变器电感电压的直流分量，所述逆变器电感电流直流分量计算单元计算出逆变器电感电流的直流分量；

S3：根据所述逆变器电感电流的直流分量和检测到的逆变器电感电流的交流分量，所述逆变器电感电流控制单元计算并输出有限占空比；

S4：根据所述有限占空比，所述发波单元向所述逆变器输出相应的开关信号，以控制和调解逆变器电感电流，使得所述逆变器电感电流的直流分量为0、相位与逆变器输出滤波电容电压的相位相同，且幅值可调。

2.根据权利要求1所述的UPS电源自回馈老化的控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11：所述逆变器电感电压检测单元检测逆变器电感电压；

S12：所述逆变器电感电压检测单元通过衰减逆变器电感电压的交流分量，以得到所述逆变器电感电压的直流分量。

3.根据权利要求1所述的UPS电源自回馈老化的控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述逆变器电感电流直流分量计算单元通过对所述逆变器电感电压的直流分量，执行数字校正运算以计算出逆变器电感电流的直流分量。

4.根据权利要求3所述的UPS电源自回馈老化的控制方法，其特征在于，所述数字校正运算是比例、积分和微分运算的其中一种或一种以上的运算组合。

5.根据权利要求1所述的UPS电源自回馈老化的控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：将逆变器电感电流的控制目标值与所述逆变器电感电流的直流分量相减，以得到修正的逆变电感电流的控制目标值；

S32：将所述修正的逆变器电感电流的控制目标值与检测到的逆变器电感电流的交流分量相减，以得到逆变器电感电流的差值；

S33：将所述逆变器电感电流的差值进行数字校正运算，以得到期望的逆变器电感电压；

S34：将所述期望的逆变器电感电压与逆变器输出滤波电容电压相加，以得到逆变桥臂中点电压；

S35：根据所述逆变桥臂中点电压，计算并输出有限占空比。

6.根据权利要求5所述的UPS电源自回馈老化的控制方法，其特征在于，所述数字校正运算是比例、积分和微分运算的其中一种或一种以上的运算组合。

7.根据权利要求5所述的UPS电源自回馈老化的控制方法，其特征在于，所述步骤S34包括以下步骤：

S341：模拟出所述逆变器输出滤波电容电压；

S342：将所述期望的逆变器电感电压与模拟出的逆变器输出滤波电容电压相加，以得到逆变桥臂中点电压。

8.根据权利要求7所述的UPS电源自回馈老化的控制方法，其特征在于，所述步骤S341包括以下步骤：

S3411：采样逆变器输出滤波电容电压；

S3412：计算出采样到的逆变器输出滤波电容电压的实际幅值和实际相位；

S3413：生成与所述实际相位同步的模拟正弦波；

S3414：根据所述实际幅值和模拟正弦波，模拟出所述逆变器输出滤波电容电压。

9.根据权利要求5所述的UPS电源自回馈老化的控制方法，其特征在于，在所述步骤S35中，根据公式D＝(V/Vdc+1)×0.5，计算出所述有限占空比，其中，D为有限占空比，V为逆变桥臂中点电压，Vdc为直流母线电压。

10.一种UPS电源自回馈老化的控制系统，所述UPS电源包括控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：

逆变器电感电压检测单元，用于提取逆变器电感电压的直流分量；

逆变器电感电流直流分量计算单元，用于根据所述逆变器电感电压的直流分量，计算出逆变器电感电流的直流分量；

逆变器电感电流控制单元，用于根据所述逆变器电感电流的直流分量和检测到的逆变器电感电流的交流分量，计算并输出有限占空比；

发波单元，用于根据所述有限占空比，向所述逆变器输出相应的开关信号，以控制和调解逆变器电感电流，使得所述逆变器电感电流的直流分量为0、相位与逆变器输出滤波电容电压的相位相同，且幅值可调。

Images