CN102244411A - 一种ups并机系统及其并机方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种UPS并机系统及其并机方法，所述UPS并机系统包括至少两个UPS单机，每个UPS单机包括：用于通过CAN总线向其它UPS单机广播发送本单机的输出电流并接收其它单机的输出电流的CAN总线单元(100)；用于根据每台UPS单机的输出电流计算UPS并机系统的平均电流及本单机环流的电流计算单元(200)；用于根据所述UPS并机系统的平均电流及本单机环流调节本单机的输出电压的输出调节单元(300)。实施本发明的技术方案，节省了电路的设计成本，同时增强了系统的抗干扰能力和可扩展性。

Description

一种UPS并机系统及其并机方法

技术领域

本发明涉及UPS电源，更具体地说，涉及一种UPS并机系统及其并机方法。

背景技术

UPS(Uninterruptible Power Supply，不间断电源)广泛应用于电信、金融、政府、制造等多个行业，可以为设备提供不间断的供电，使用户不致因停电而影响工作或丢失数据。它在供电系统的应用中主要起到两个作用：一是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给设备和数据造成损害；二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为系统提供高质量的电源。

UPS的N+X冗余并机系统是由N+X台UPS单机输出并联在一起，该系统可以带单机的N倍负载，X台UPS作为系统的备份供电。UPS并机系统不但容易实现系统扩容而且增加了冗余备份从而提高了供电系统的可靠性，随着信息技术的发展对大容量、高可靠性UPS的需求日益增加，并机技术已成为UPS行业的关键技术。但是，UPS并机系统由于各UPS单机输出并联在一起，因此存在各UPS单机输出之间流动的环流，环流不但增加了并机系统的无功损耗，而且降低了并机系统的可靠性，因此减小环流、控制UPS并机系统的各UPS单机均分负载成为了冗余并机是否可行的必要条件。

传统的UPS并机系统为实现各UPS单机平均分配负载，需要通过模拟电路检测并机系统的平均输出电流，然而，模拟信号抗干扰能力差、受传输线路影响较大，另外模拟检测电路增加了硬件成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述抗干扰能力差、硬件成本大的缺陷，提供一种UPS并机系统，能节省电路的设计成本，同时能增强系统的抗干扰能力和可扩展性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种UPS并机系统，所述UPS并机系统包括至少两个UPS单机，每个UPS单机包括：

用于通过CAN总线向其它UPS单机广播发送本单机的输出电流并接收其它单机的输出电流的CAN总线单元；

用于根据每台UPS单机的输出电流计算UPS并机系统的平均电流及本单机环流的电流计算单元；

用于根据所述UPS并机系统的平均电流及本单机环流调节本单机的输出电压的输出调节单元。

在本发明所述的UPS并机系统中，所述电流计算单元所计算的本单机环流包括本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量。

在本发明所述的UPS并机系统中，所述输出调节单元包括：

用于根据所述UPS并机系统的平均电流及所述本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量确定本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值和本单机输出电压瞬时值的给定值的给定确定子单元；

用于根据所确定的本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值及本单机输出电压瞬时值的给定值调节本单机输出电压的电压调节子单元。

在本发明所述的UPS并机系统中，所述给定确定子单元包括无功分量比例积分微分调节器和相位比例积分微分调节器，所述无功分量比例积分微分调节器的给定端为零，所述无功分量比例积分微分调节器的反馈端连接所述电流计算单元的无功分量输出端，所述无功分量比例积分微分调节器的输出端连接所述相位比例积分微分调节器的第一给定端，所述相位比例积分微分调节器的第二给定端连接所述本单机的输入电压与所述本单机输出电压的相位差，所述相位比例积分微分调节器的输出端输出所述本单机输出电压相位值的给定值。

在本发明所述的UPS并机系统中，所述给定确定子单元还包括有功分量比例积分微分调节器和有效值比例积分微分调节器，所述有功分量比例积分微分调节器的给定端为零，所述有功分量比例积分微分调节器的反馈端连接所述电流计算单元的有功分量输出端，所述有功分量比例积分微分调节器的输出端连接有效值比例积分微分调节器的第一给定端，所述有效值比例积分微分调节器的第二给定端连接本单机输出电压的有效值，所述有效值比例积分微分调节器的输出端输出本单机输出电压有效值的给定值。

在本发明所述的UPS并机系统中，所述给定确定单元还包括乘法器，所述乘法器的第一输入端连接所述相位比例积分微分调节器的输出端，所述乘法器的第二输入端连接所述有效值比例积分微分调节器的输出端。

在本发明所述的UPS并机系统中，所述给定确定子单元还包括瞬时值比例积分微分调节器，所述瞬时值比例积分微分调节器的输入端连接所述电流计算单元的瞬时值输出端，所述瞬时值比例积分微分调节器的输出端输出本单机输出电压瞬时值的给定值。

在本发明所述的UPS并机系统中，所述电压调节子单元包括电压比例积分微分调节器、SPWM控制器和逆变器，所述电压比例积分微分调节器的第一给定端连接所述乘法器的输出端，所述电压比例积分微分调节器的第二给定端连接所述瞬时值比例积分微分调节器的输出端，所述电压比例积分微分调节器的反馈端连接输出电压的瞬时值，所述电压比例积分微分调节器的输出端连接SPWM控制器的输入端，所述SPWM控制器的输出端连接所述逆变器。

本发明还构造一种UPS并机系统的并机方法，所述UPS并机系统包括至少两个UPS单机，每个UPS单机都进行以下步骤：

A.通过CAN总线向其它UPS单机广播发送本单机的输出电流并接收其它单机的输出电流；

B.根据每台UPS单机的输出电流计算UPS并机系统的平均电流及本单机环流；

C.根据所述UPS并机系统的平均电流及本单机环流调节本单机的输出电压。

在本发明所述的UPS并机系统的并机方法，

在所述步骤B中，所计算的本单机环流包括本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量；

所述步骤C包括：

C1.根据所述UPS并机系统的平均电流及所述本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量确定本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值和本单机输出电压瞬时值的给定值；

C2.根据所确定的本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值及本单机输出电压瞬时值的给定值调节本单机输出电压。

实施本发明的UPS并机系统及其并机方法，由于不需要采用模拟电路检测并机系统的平均电流，而是通过CAN总线传输UPS并机系统中各个UPS单机的输出电流，然后每个UPS单机根据各个UPS单机的输出电流计算出UPS并机系统的平均电流和本单机的环流，并根据该平均电流和本单机的环流调节本单机的输出电压，因此，节省了电路的设计成本，同时增强了系统的抗干扰能力和可扩展性。

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并机系统中每个UPS单机实施例一的逻辑结构图；

图2是本发明UPS并机系统中每个UPS单机实施例二的逻辑结构图；

图3是图2中给定确定子单元和电压调节子单元实施例一的逻辑结构图；

图4是本发明UPS并机系统的并机方法实施例一的流程图；

图5是本发明UPS并机系统的并机方法实施例二的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。

在UPS并机系统中，可包括至少两个UPS单机，每个UPS单机的逻辑结构相同，因此本申请仅以一个UPS单机为例进行说明，UPS并机系统中的其它UPS单机的逻辑结构不作赘述。如图1所示，在UPS单机实施例一的逻辑结构图中，该UPS单机包括CAN(串行通信)总线单元100、电流计算单元200和输出调节单元300，其中，CAN总线单元100向其它UPS单机广播发送本单机的输出电流并接收其它单机的输出电流，电流计算单元200根据UPS并机系统中每台UPS单机的输出电流计算UPS并机系统的平均电流及本单机的环流，输出调节单元300根据所述UPS并机系统的平均电流及本单机的环流调节本单机的输出电压。通过实施该方案，由于不需要采用模拟电路检测并机系统的平均电流，而是通过CAN总线传输UPS并机系统中各个UPS单机的输出电流，然后每个UPS单机计算出UPS并机系统的平均电流和本单机的环流，并根据该平均电流和本单机的环流调节本单机的输出电压，因此，节省了电路的设计成本，同时增强了系统的抗干扰能力和可扩展性。

优选地，电流计算单元200所计算的本单机环流包括UPS并机系统的平均电流及本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量。具体地：

可通过公式1计算UPS并机系统的平均电流：

$I_{\mathrm{Avg}}=\frac{\underset{i=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Outi}}}{K}$ 公式1

其中，K为UPS并机系统中UPS单机的个数，且K＞＝2；I_Outi为第i台UPS单机的输出电流。

可通过公式2计算本单机环流的瞬时值：

I_Cir＝I_Out-I_Avg    公式2

可通过公式3计算本单机环流的有功分量：

$I_{\mathrm{CirP}}=\frac{2}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Cir}}\left(k\right)*\sin \left(k\right)$ 公式3

可通过公式4计算本单机环流的无功分量：

$I_{\mathrm{CirQ}}=\frac{2}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Cir}}\left(k\right)*\cos \left(k\right)$ 公式4

其中，公式3、4中的M为在一个电流周期内所取的点数，例如市电频率为50HZ，一个周期即为20ms，M可取25；k为积分变量，从0到M-1变化。

在图2示出的本发明UPS并机系统中每个UPS单机实施例二的逻辑结构图中，在此应当说明的是，本实施例与实施例一中的UPS单机的相同部分在此不作赘述，下面仅说明其不同的部分，相比实施例一，本实施例中的UPS单机中输出调节单元300包括给定确定子单元310和电压调节子单元320，其中，给定确定子单元310根据所述UPS并机系统的平均电流及所述本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量确定本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值和本单机输出电压瞬时值的给定值，电压调节子单元320根据所确定的本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值及本单机输出电压瞬时值的给定值调节本单机的输出电压。

优选地，如图3所示，在给定确定子单元和电压调节子单元实施例一的逻辑结构图中，该给定确定子单元310包括无功分量比例积分微分调节器311、相位比例积分微分调节器312、有功分量比例积分微分调节器313、有效值比例积分微分调节器314、乘法器315和瞬时值比例积分微分调节器316；该输出调节单元320包括电压比例积分微分调节器321、SPWM(Sinusoidal PulseWidth Modulation，正弦型脉冲宽度调制)控制器322和逆变器(未示出)。其中，无功分量比例积分微分调节器311的给定端为零，无功分量比例积分微分调节器311的反馈端连接电流计算单元200的无功分量输出端，即连接所计算的本单机环流的无功分量I_CirQ(s)，无功分量比例积分微分调节器311的输出端连接相位比例积分微分调节器312的第一给定端，相位比例积分微分调节器312的第二给定端连接本单机的输入电压与输出电压的相位差，即Δθ*(s)，相位比例积分微分调节器312的输出端输出本单机输出电压相位值的给定值至乘法器315的第一输入端。相位比例积分微分调节器312用于将直流量转换为正限量。有功分量比例积分微分调节器313的给定端为零，有功分量比例积分微分调节器313的反馈端连接电流计算单元200的有功分量输出端，即连接所计算的本单机环流的有功分量I_CirP(s)，有功分量比例积分微分调节器313的输出端连接有效值比例积分微分调节器314的第一给定端，有效值比例积分微分调节器314的第二给定端连接本单机输出电压的有效值u*_RMS(s)，有效值比例积分微分调节器314的输出端输出本单机输出电压有效值的给定值至乘法器315的第二输入端。乘法器315根据其第一输入端和第二输入端输入的本单机输出电压的相位值给定值和有效值给定值做乘法运算，并将结果输出至电压比例积分微分调节器321的第一给定端。瞬时值比例积分微分调节器316的输入端连接电流计算单元200的瞬时值的输出端，即连接I_Cir(s)，瞬时值比例积分微分调节器316的输出端输出本单机输出电压瞬时值的给定值至电压比例积分微分调节器321的第二给定端，电压比例积分微分调节器321的反馈端连接逆变器输出电压的瞬时值u(s)，电压比例积分微分调节器321的输出端连接SPWM控制器322的输入端，SPWM控制器的输出端连接逆变器。

在图4示出的本发明UPS并机系统的并机方法实施例一的流程图中，该UPS并机系统包括至少两个UPS单机，每个UPS单机都进行以下步骤：

步骤S100.通过CAN总线向其它UPS单机广播发送本单机的输出电流并接收其它单机的输出电流；

步骤S200.根据每台UPS单机的输出电流计算UPS并机系统的平均电流及本单机环流；

步骤S300.根据所述UPS并机系统的平均电流及本单机环流调节本单机的输出电压。

在图5示出的本发明UPS并机系统的并机方法实施例二的流程图中，该UPS并机系统包括至少两个UPS单机，每个UPS单机都进行步骤S100、步骤S200′、步骤S310和步骤S320，其中，该实施例中的步骤S100与图4所示的步骤S100相同，在此不做赘述，

步骤S200′.根据每台UPS单机的输出电流计算UPS并机系统的平均电流及本单机环流，所计算的本单机环流包括本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量；

步骤S310.根据所述UPS并机系统的平均电流及所述本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量确定本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值和本单机输出电压瞬时值的给定值。优选地，可通过PID(比例积分微分)闭环调节来确定本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值和本单机输出电压瞬时值的给定值；

步骤S320.根据所确定的本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值及本单机输出电压瞬时值的给定值调节本单机输出电压，优选地，可通过PID闭环调节来确定本单机输出电压。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种UPS并机系统，所述UPS并机系统包括至少两个UPS单机，其特征在于，每个UPS单机包括：

用于通过CAN总线向其它UPS单机广播发送本单机的输出电流并接收其它单机的输出电流的CAN总线单元(100)；

用于根据每台UPS单机的输出电流计算UPS并机系统的平均电流及本单机环流的电流计算单元(200)；

用于根据所述UPS并机系统的平均电流及本单机环流调节本单机的输出电压的输出调节单元(300)。

2.根据权利要求1所述的UPS并机系统，其特征在于，所述电流计算单元(200)所计算的本单机环流包括本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量。

3.根据权利要求2所述的UPS并机系统，其特征在于，所述输出调节单元(300)包括：

用于根据所述UPS并机系统的平均电流及所述本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量确定本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值和本单机输出电压瞬时值的给定值的给定确定子单元(310)；

用于根据所确定的本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值及本单机输出电压瞬时值的给定值调节本单机输出电压的电压调节子单元(320)。

4.根据权利要求3所述的UPS并机系统，其特征在于，所述给定确定子单元(310)包括无功分量比例积分微分调节器(311)和相位比例积分微分调节器(312)，所述无功分量比例积分微分调节器(311)的给定端为零，所述无功分量比例积分微分调节器(311)的反馈端连接所述电流计算单元(200)的无功分量输出端，所述无功分量比例积分微分调节器(311)的输出端连接所述相位比例积分微分调节器(312)的第一给定端，所述相位比例积分微分调节器(312)的第二给定端连接所述本单机的输入电压与所述本单机输出电压的相位差，所述相位比例积分微分调节器(312)的输出端输出所述本单机输出电压相位值的给定值。

5.根据权利要求4所述的UPS并机系统，其特征在于，所述给定确定子单元(310)还包括有功分量比例积分微分调节器(313)和有效值比例积分微分调节器(314)，所述有功分量比例积分微分调节器(313)的给定端为零，所述有功分量比例积分微分调节器(314)的反馈端连接所述电流计算单元(200)的有功分量输出端，所述有功分量比例积分微分调节器(313)的输出端连接有效值比例积分微分调节器(314)的第一给定端，所述有效值比例积分微分调节器(314)的第二给定端连接本单机输出电压的有效值，所述有效值比例积分微分调节器(314)的输出端输出本单机输出电压有效值的给定值。

6.根据权利要求5所述的UPS并机系统，其特征在于，所述给定确定单元(310)还包括乘法器(315)，所述乘法器(315)的第一输入端连接所述相位比例积分微分调节器(312)的输出端，所述乘法器(315)的第二输入端连接所述有效值比例积分微分调节器(314)的输出端。

7.根据权利要求6所述的UPS并机系统，其特征在于，所述给定确定子单元(310)还包括瞬时值比例积分微分调节器(316)，所述瞬时值比例积分微分调节器(316)的输入端连接所述电流计算单元(200)的瞬时值输出端，所述瞬时值比例积分微分调节器(316)的输出端输出本单机输出电压瞬时值的给定值。

8.根据权利要求7所述的UPS并机系统，其特征在于，所述电压调节子单元(320)包括电压比例积分微分调节器(321)、SPWM控制器(322)和逆变器，所述电压比例积分微分调节器(321)的第一给定端连接所述乘法器(315)的输出端，所述电压比例积分微分调节器(321)的第二给定端连接所述瞬时值比例积分微分调节器(316)的输出端，所述电压比例积分微分调节器(321)的反馈端连接输出电压的瞬时值，所述电压比例积分微分调节器(321)的输出端连接SPWM控制器(322)的输入端，所述SPWM控制器(322)的输出端连接所述逆变器。

9.一种UPS并机系统的并机方法，所述UPS并机系统包括至少两个UPS单机，其特征在于，每个UPS单机都进行以下步骤：

A.通过CAN总线向其它UPS单机广播发送本单机的输出电流并接收其它单机的输出电流；

B.根据每台UPS单机的输出电流计算UPS并机系统的平均电流及本单机环流；

C.根据所述UPS并机系统的平均电流及本单机环流调节本单机的输出电压。

10.根据权利要求9所述的UPS并机系统的并机方法，其特征在于，

在所述步骤B中，所计算的本单机环流包括本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量；

所述步骤C包括：

C1.根据所述UPS并机系统的平均电流及所述本单机环流的瞬时值、有功分量和无功分量确定本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值和本单机输出电压瞬时值的给定值；

C2.根据所确定的本单机输出电压有效值的给定值、本单机输出电压相位值的给定值及本单机输出电压瞬时值的给定值调节本单机输出电压。

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