CN102122833B - 一种无主从自均流并网并联不间断电源系统的供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无主从自均流并网并联不间断电源系统及其供电方法，属于电力电子技术领域；主要由两个或多个并联的相同不间断电源系统单元组成，每个不间断电源系统单元包括：四个单相全桥变换器(H₁～H₄)、三个工频电感(L_S、L₁、L₂)、一个高频电感(L)、一个直流滤波电容(C₁)、一个交流滤波电容(C₂)、一个隔离变压器(T)、两个双向晶闸管(K₁、K₂)、一个空气开关(B)及一个蓄电池组(V_B)；每个不间断系统单元的输入侧通过空气开关(B)与电网相连，各个不间断电源系统单元通过第二、第三工频电感(L₁、L₂)和交流滤波电容(C₂)后进行并联，再通过两个双向晶闸管(K₁、K₂)与电网相连。本发明可以使不间断电源和电网进行能量的双向流动，并且相对电网是一个绿色负载，同时提高并联系统的效率和动态响应速度。

Description

一种无主从自均流并网并联不间断电源系统的供电方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及到不间断电源系统，特别涉及一种无主从自均流并网并联不间断电源系统。 

背景技术

随着信息技术的发展，用户对电源系统的供电质量、供电效率、供电可靠性等方面提出了更高的要求，不间断电源系统以其优越的性能成为解决上述问题的一个重要途径。 

根据结构和工作方式不同可以将不间断电源系统分为后备式、在线交互动式以及双变换式三种，目前最主流最先进的是双变换式不间断电源系统，其基本结构图如图1所示，该系统主要由整流器、充电器、放电器以及逆变器等组成。当市电正常时，市电一方面通过整流器、逆变器给负载供电，另一方面通过充电器给蓄电池组充电；当市电中断或者异常时，蓄电池组通过放电器、逆变器给负载供电；当不间断电源系统出现故障时，转换开关切到旁路状态，由市电直接给负载供电。 

传统不间断电源系统的整流器多采用二极管不控整流或者晶闸管相控整流，但是这种方式下，功率因数一般只有0.6-0.7左右，谐波污染也很严重。现在用得比较多的是功率因数校正整流电路，这种电路结构简单，成本较低，并且具有较高的功率因数和较低的谐波含量，但是通常这种电路的电流谐波含量THD会达到10％左右。 

目前，上述的不间断电源系统主要是通过分开的充电器和放电器组成的电池管理环节来分别完成蓄电池组的充电和放电过程。就单个电路本身而言管理起来简单，但是对于整个系统而言，增加了系统的模块数量和控制难度。同时，该模式下，电池管理环节与电网是不隔离的，这将导致电网出现问题时，干扰到电池的通路，不利于蓄电池组的安全可靠运行。从功能上看，市场上的不间断电源系统也都是从电网吸收电能来给负载和蓄电池组供电，无法实现蓄电池组到电网的馈电，这不利于蓄电池组的使用，也会导致资源浪费。 

采用多个不间断电源系统单元并联，是提高不间断电源系统容量的一种常用方法，但是目前普遍是对最终输出侧的电压进行控制，这样会使得各个不间断电源系统单元的控制器对电压控制形成竞争，并且当控制存在较小误差时也会导致很大的环流。另外从控制方法上看，目前不间断电源系统的并联控制中往往是采用对平均有功和无功功率的检测来控制电压相位和幅值的变化。而由于传统有功功率和无功功率都是以平均值为基础的功率定义，计算功率至少需要一个工频周期，这严重制约了系统的响应速度。 

发明内容

本发明的目的是为解决上述的技术问题，提出一种无主从自均流并网并联不间断电源系统及其供电方法，使不间断电源系统可以和电网进行能量的双向流动，并且相对电网是一个绿色负载，同时提高并联系统的效率和动态响应速度。 

本发明采取的技术方案如下： 

一种无主从自均流并网并联不间断电源系统，其特征在于，主要由两个或多个并联的相同不间断电源系统单元组成，每个不间断电源系统单元包括：四个单相全桥变换器H₁～H₄，三个工频电感L_S、L₁、L₂，一个高频电感L，一个直流滤波电容C₁，一个交流滤波电容C₂，一个隔离变压器T，两个双向晶闸管K₁、K₂，一个空气开关B及一个蓄电池组V_B；每个不间断系统单元的输入侧通过空气开关B与电网相连，第一工频电感L_S串联在空气开关B和第一全桥变换器H₁之间，直流滤波电容C₁并联在第一全桥变换器H₁和第二全桥变换器H₂之间，第二、第三工频电感L₁、L₂和交流滤波电容C₂组成T型滤波器连接在第二全桥变换器H₂的输出侧，第三全桥变换器H₃通过直流母线DC_BUS与第一和第二全桥变换器H₁、H₂相连，第三和第四全桥变换器H₃、H₄通过隔离变压器T相连，蓄电池组V_B连接在第二全桥变换器H₂的输出侧；直流母线DC_BUS与蓄电池组V_B之间通过第三全桥变换器H₃、高频电感L、隔离变压器T及第四全桥变换器H₄进行电能变换；各个不间断电源系统单元通过第二、第三工频电感L₁、L₂和交流滤波电容C₂后进行并联，再通过两个双向晶闸管K₁、K₂与电网相连。 

所述的无主从自均流并网并联不间断电源系统的供电方法不仅能从电网或蓄电池组V_B吸收电能给负载供电，还能将蓄电池组V_B中多余的电能回馈给电网，该供电方法包括以下步骤： 

1)不间断电源系统获取用户发出的用电模式指令信号； 

2)根据所述指令信号判断此刻不间断电源系统运行在供电模式还是馈电模式； 

3)若是供电模式，则不间断电源系统从电网或蓄电池组V_B吸收电能给负载供电； 

4)若是馈电模式，则蓄电池组V_B将多余的电能回馈给电网。 

所述的无主从自均流并网并联不间断电源系统的供电方法不仅能采用一个不间断电源系统单元给负载供电，还可以采用两个或多个不间断电源系统单元并联给负载供电，上述方法还可包括以下步骤： 

5)不间断电源系统获取负载电路的电压、电流反馈信号； 

6)根据所述反馈信号计算出负载功率，判断负荷是否过载； 

7)如果过载，则增加投入的不间断电源系统单元数量，直至满足负载要求。 

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于： 

1)将传统不间断电源系统中的整流器改进为一个全桥的PWM整流器，减小了输入电流畸变，克服了功率因数校正电路谐波含量过高的缺点，同时保证PWM整流器既能从电网 吸收电能给蓄电池充电和对负载供电，又可以将蓄电池中的能量回馈给电网，实现了电网和不间断电源系统间能量的双向流动，使不间断电源系统真正成为一个绿色负载，具有重要的工程意义。 

2)将充电器和放电器用一个隔离双向DC/DC电路代替，简化了电路结构，实现了蓄电池组和电网的完全隔离，使蓄电池组具有很高的安全性和可靠性，并且能够在充电状态和放电状态之间无延时切换，确保负载不断电，与PWM整流电路相配合，完成了蓄电池组并网馈电的功能，为不间断电源系统应用于分布式发电系统提供了有力保证。 

3)将单个不间断电源系统单元的输出滤波器设计为一个T型滤波器，避免了各个不间断电源系统单元的电压控制器之间的竞争，保证了负载电压的稳定性，减小了各单元间的环流电流，提高了系统效率；同时应用瞬时无功理论计算并联单元输出的功率，克服了传统平均功率理论基于工频周期计算功率的局限性，提高了系统动态响应速度，使不间断电源系统能够可靠运行。 

附图说明

图1是传统双变换式不间断电源系统结构图。 

图2是本发明的无主从自均流并网并联不间断电源系统的拓扑结构图。 

图3是本发明的不间断电源系统单元在市电正常时的供电模式下工作波形。 

图4是本发明的不间断电源系统单元在市电异常时的供电模式下工作波形。 

图5是本发明的不间断电源系统单元在市电正常时的馈电模式下工作波形。 

图6是本发明的两个不间断电源系统单元在市电异常时的并联运行过程中的工作波形。 

具体实施方式

下面结合本发明的技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。 

本发明的无主从自均流并网并联不间断电源系统的拓扑结构如图2所示。该不间断电源系统主要由两个或多个并联的相同不间断电源系统单元组成，每个不间断电源系统单元包括：四个单相全桥变换器H₁～H₄，三个工频电感L_S、L₁、L₂，一个高频电感L，一个直流滤波电容C₁，一个交流滤波电容C₂，一个隔离变压器T，两个双向晶闸管K₁、K₂，一个空气开关B及一个蓄电池组V_B；每个不间断系统单元的输入侧通过空气开关B与电网相连，第一工频电感L_S串联在空气开关B和第一全桥变换器H₁之间，直流滤波电容C₁并联在第一全桥变换器H₁和第二全桥变换器H₂之间，第二、第三工频电感L₁、L₂和交流滤波电容C₂组成T型滤波器连接在第二全桥变换器H₂的输出侧，第三全桥变换器H₃通过直流母线DC_BUS与第一和第二全桥变换器H₁、H₂相连，第三和第四全桥变换器H₃、H₄通过隔离变压器T相连，蓄电池组V_B连接在第二全桥变换器H₂的输出侧；直流母线DC_BUS与蓄电池组V_B之间通过第三全桥变换器H₃、高频电感L、隔离变压器T及第四全桥变换器H₄进行电能变换；各个不间断电源系统 单元通过第二、第三工频电感L₁、L₂和交流滤波电容C₂后进行并联，再通过两个双向晶闸管K₁、K₂与电网相连。 

所述的无主从自均流并网并联不间断电源系统的供电方法不仅能从电网或蓄电池组V_B吸收电能给负载供电，还能将蓄电池组V_B中多余的电能回馈给电网，该供电方法包括以下步骤： 

1)不间断电源系统获取用户发出的用电模式指令信号； 

2)根据所述指令信号判断此刻不间断电源系统运行在供电模式还是馈电模式； 

3)若是供电模式，则不间断电源系统从电网或蓄电池组V_B吸收电能给负载供电； 

4)若是馈电模式，则蓄电池组V_B将多余的电能回馈给电网。 

所述的无主从自均流并网并联不间断电源系统的供电方法不仅能采用一个不间断电源系统单元给负载供电，还可以采用两个或多个不间断电源系统单元并联给负载供电，上述方法还可包括以下步骤： 

5)不间断电源系统获取负载电路的电压、电流反馈信号； 

6)根据所述反馈信号计算出负载功率，判断负荷是否过载； 

7)如果过载，则增加投入的不间断电源系统单元数量，直至满足负载要求。 

所述步骤3)中不间断电源系统从电网或蓄电池组V_B吸收电能给负载供电，可具体包括以下步骤： 

3a)不间断电源系统获取市电的电压反馈信号； 

3b)根据所述反馈信号判断市电是否正常； 

3c)若市电正常，则电网通过第一工频电感L_S、第一全桥变换器H₁、直流滤波电容C₁、第二全桥变换器H₂、第二工频电感L₁、交流滤波电容C₂和第三工频电感L₂以功率因数为1给负载提供电能，同时通过第一全桥变换器H₁、直流滤波电容C₁、第三全桥变换器H₃、高频电感L、隔离变压器T、第四全桥变换器H₄给蓄电池组V_B充电； 

3d)若市电不正常，则蓄电池组V_B依次通过第四全桥变换器H₄、隔离变压器T、高频电感L、第三全桥变换器H₃、直流滤波电容C₁、第二全桥变换器H₂、第二工频电感L₁、交流滤波电容C₂和第三工频电感L₂给负载供电。 

所述步骤4)中蓄电池组V_B将多余的电能回馈给电网，可具体包括以下步骤： 

4a)不间断电源系统获取市电的电压反馈信号； 

4b)根据所述反馈信号判断市电是否正常； 

4c)若市电正常，则蓄电池组V_B依次通过第四全桥变换器H₄、隔离变压器T、高频电感L、第三全桥变换器H₃、直流滤波电容C₁、第一全桥变换器H₁、第一工频电感L_S以功率因数为-1给电网馈电； 

4d)若市电不正常，则各个不间断电源系统单元的蓄电池组V_B作为分布式电源，依次通过第四全桥变换器H₄、隔离变压器T、高频电感L、第三全桥变换器H₃、直流滤波电容C₁、第一全桥变换器H₁、第一工频电感L_S后重新并联组成局部微型电网，给连接在电网上 的其他负载供电。 

所述步骤4d)中所述重新并联组成局部微型电网是通过系统本身生成符合电网规范的电压幅值与相位参考信号，从而控制各个不间断电源系统单元产生相同的电压信号进行并联得到的。 

所述的采用两个或多个不间断电源系统单元并联给负载供电中，各个不间断电源系统单元可通过控制交流滤波电容C₂两端的电压来避免各个系统单元控制器对电压控制的竞争。 

所述的交流滤波电容C₂两端的电压幅值参考信号可通过对各个不间断电源系统单元输出的瞬时无功功率进行检测与综合得到的，相位参考信号是通过对各个不间断电源系统单元输出的瞬时有功功率进行检测与综合得到的。 

本发明的系统实施例中由两个并联的相同不间断电源系统单元组成，每个单元中取第一工频电感L_S为5mH，第二工频电感L₁为1mH，第三工频电感L₂为1mH，高频电感L为0.3mH，直流滤波电容C₁为2200uF，交流滤波电容C₂为40uF，隔离变压器器T变比为400/200，第一至第四全桥变换器的开关频率均为10kHz，蓄电池组V_B的电压为192V。 

本实施例的供电方法包括以下步骤： 

当用户发出供电模式指令后，不间断电源系统获取负载电路的电压、电流反馈信号，根据反馈信号计算出负载功率，判断负荷是否过载；如果过载，则增加投入的不间断电源系统单元数量，直至满足负载要求。然后不间断电源系统获取市电的电压反馈信号，判断市电是否正常，若市电正常，则电网通过第一工频电感L_S、第一全桥变换器H₁、直流滤波电容C₁、第二全桥变换器H₂、第二工频电感L₁、交流滤波电容C₂和第三工频电感L₂以功率因数为1给负载提供电能，同时通过第一全桥变换器H₁、直流滤波电容C₁、第三全桥变换器H₃、高频电感L、隔离变压器T、第四全桥变换器H₄给蓄电池组V_B充电。如图3所示是市电正常时，电网输入系统的电压电流波形，其中u_s为电网电压，i_s为电网电流，从图中可以看出，供电模式时电网电压与输入电流同相位。 

若市电不正常，则蓄电池组V_B依次通过第四全桥变换器H₄、隔离变压器T、高频电感L、第三全桥变换器H₃、直流滤波电容C₁、第二全桥变换器H₂、第二工频电感L₁、交流滤波电容C₂和第三工频电感L₂给负载供电。如图4所示是市电异常时，蓄电池组输入系统的电压电流波形。 

当用户发出馈电模式指令后，不间断电源系统获取市电的电压反馈信号，判断市电是否正常，若市电正常，则蓄电池组V_B依次通过第四全桥变换器H₄、隔离变压器T、高频电感L、第三全桥变换器H₃、直流滤波电容C₁、第一全桥变换器H₁、第一工频电感L_S以功率因数为-1给电网馈电，如图5所示是此种状态下的电网的电压电流波形，从图中可以看出，馈电模式时，输入电流变换为与电压反相位，并且电流波形畸变小，使不间断电源系统真正成为一个绿色负载。 

若市电不正常，则各个不间断电源系统单元的蓄电池组V_B作为分布式电源，依次通过 第四全桥变换器H₄、隔离变压器T、高频电感L、第三全桥变换器H₃、直流滤波电容C₁、第一全桥变换器H₁、第一工频电感L_S后重新并联组成局部微型电网，给连接在电网上的其他负载供电。其中，重新并联组成局部微型电网是通过系统本身生成符合电网规范的电压幅值与相位参考信号，从而控制各个不间断电源系统单元产生相同的电压信号进行并联得到的，并联供电中通过控制交流滤波电容C₂两端的电压来避免各个系统单元控制器对电压控制的竞争，并且交流滤波电容C₂两端的电压幅值参考信号是通过对各个不间断电源系统单元输出的瞬时无功功率进行检测与综合得到的，相位参考信号是通过对各个不间断电源系统单元输出的瞬时有功功率进行检测与综合得到的。图6所示是两个不间断电源系统单元在并联运行过程中的工作波形，其中i_h为两个系统单元输出侧的电流环流，i₁和i₂分别为两个系统单元输出侧的电流，在0.5s时使两系统单元的输出电压有效值差为4V，相角差为1°。从图中可以看出，突加电压有效值和相角差扰动之后，系统在0.2s后进入稳定状态，电压差被两个系统单元平均承担，稳定时环流基本为零，系统能够稳定运行。 

Claims (7)

1.一种无主从自均流并网并联不间断电源系统的供电方法，其特征在于，该无主从自均流并网并联不间断电源系统主要由两个或多个并联的相同不间断电源系统单元组成，每个不间断电源系统单元包括：四个单相全桥变换器（H₁～H₄）、三个工频电感（L_S、L₁、L₂）、一个高频电感（L）、一个直流滤波电容（C₁）、一个交流滤波电容（C₂）、一个隔离变压器（T）、两个双向晶闸管（K₁、K₂）、一个空气开关（B）及一个蓄电池组（V_B）；每个不间断电源系统单元的输入侧通过空气开关（B）与电网相连，第一工频电感（L_s）串联在空气开关（B）和第一全桥变换器（H₁）之间，直流滤波电容（C₁）并联在第一全桥变换器（H₁）和第二全桥变换器（H₂）之间，第二、第三工频电感（L₁、L₂）和交流滤波电容（C₂）组成T型滤波器连接在第二全桥变换器（H₂）的输出侧，第三全桥变换器（H₃）通过直流母线（DC_BUS）与第一和第二全桥变换器（H₁、H₂）相连，第三和第四全桥变换器（H₃、H₄）通过隔离变压器（T）相连，蓄电池组（V_B）连接在第四全桥变换器（H₄）的输出侧；直流母线（DC_BUS）与蓄电池组（V_B）之间通过第三全桥变换器（H₃）、高频电感（L）、隔离变压器（T）及第四全桥变换器（H₄）进行电能变换；各个不间断电源系统单元通过第二、第三工频电感（L₁、L₂）和交流滤波电容（C₂）后进行并联，再通过两个双向晶闸管（K₁、K₂）与电网相连；该供电方法不仅能从电网或蓄电池组（V_B）吸收电能给负载供电，还能将蓄电池组（V_B）中多余的电能回馈给电网，包括以下步骤:

1）不间断电源系统获取用户发出的用电模式指令信号；

2）根据所述指令信号判断此刻不间断电源系统运行在供电模式还是馈电模式；

3）若是供电模式，则不间断电源系统从电网或蓄电池组（V_B）吸收电能给负载供电；

4）若是馈电模式，则蓄电池组（V_B）将多余的电能回馈给电网。

2.采用如权利要求1所述的无主从自均流并网并联不间断电源系统的供电方法，其特征在于，该方法不仅能采用一个不间断电源系统单元给负载供电，还可以采用两个或多个不间断电源系统单元并联给负载供电，包括以下步骤：

5）不间断电源系统获取负载电路的电压、电流反馈信号；

6）根据所述反馈信号计算出负载功率，判断负荷是否过载；

7）如果过载，则增加投入的不间断电源系统单元数量，直至满足负载要求。

3.采用如权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述步骤3）中不间断电源系统从电网或蓄电池组（V_B）吸收电能给负载供电，具体包括以下步骤：

3a）不间断电源系统获取市电的电压反馈信号；

3b）根据所述反馈信号判断市电是否正常；

3c）若市电正常，则电网通过第一工频电感（L_S）、第一全桥变换器（H₁）、直流滤波电容（C₁）、第二全桥变换器（H₂）、第二工频电感（L₁）、交流滤波电容（C₂）和第三工频电感（L₂）以功率因数为1给负载提供高质量的电能，同时通过第一全桥变换器（H₁）、直流滤波电容（C₁）、第三全桥变换器（H₃）、高频电感（L）、隔离变压器（T）、第四全桥变换器（H₄）给蓄电池组（V_B）充电；

3d）若市电不正常，则蓄电池组（V_B）依次通过第四全桥变换器（H₄）、隔离变压器（T）、高频电感（L）、第三全桥变换器（H₃）、直流滤波电容（C₁）、第二全桥变换器（H₂）、第二工频电感（L₁）、交流滤波电容（C₂）和第三工频电感（L₂）给负载供电。

4.采用如权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述步骤4）中蓄电池组（V_B）将多余的电能回馈给电网，具体包括以下步骤：

4a）不间断电源系统获取市电的电压反馈信号；

4b）根据所述反馈信号判断市电是否正常；

4c）若市电正常，则蓄电池组（V_B）依次通过第四全桥变换器（H₄）、隔离变压器（T）、高频电感（L）、第三全桥变换器（H₃）、直流滤波电容（C₁）、第一全桥变换器（H₁）、第一工频电感（L_S）以功率因数为-1给电网馈电；

4d）若市电不正常，则各个不间断电源系统单元的蓄电池组（V_B）作为分布式电源，依次通过第四全桥变换器（H₄）、隔离变压器（T）、高频电感（L）、第三全桥变换器（H₃）、直流滤波电容（C₁）、第一全桥变换器（H₁）、第一工频电感（L_S）后重新并联组成局部微型电网，给连接在电网上的其他负载供电。

5.采用如权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述步骤4d）中所述重新并联组成局部微型电网是通过控制器本身生成符合电网规范的电压幅值与相位参考信号，从而控制各个不间断电源系统单元产生相同的电压信号进行并联得到的。

6.采用如权利要求2所述的方法，其特征还在于，采用两个或多个不间断电源系统单元并联给负载供电，

各个不间断电源系统单元通过控制交流滤波电容（C₂）两端的电压来避免各个系统单元控制器对电压控制的竞争。

7.采用如权利要求6所述的方法，其特征还在于，各个不间断电源系统单元通过控制交流滤波电容（C₂）两端的电压来避免各个系统单元控制器对电压控制的竞争，

交流滤波电容（C₂）两端的电压幅值参考信号是通过对各个不间断电源系统单元输出的瞬时无功功率进行检测与综合得到的，相位参考信号是通过对各个不间断电源系统单元输出的瞬时有功功率进行检测与综合得到的。

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