CN102480140B - 一种模块化不间断电源系统同步方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化不间断电源系统同步方法及电路，所述方法包括：在UPS系统的旁路电压正常时，将旁路电压送到同步源总线上，实现UPS系统的旁路和逆变模块的逆变输出之间的同步；在UPS系统的旁路电压异常时，将逆变主机模块的逆变电压送到同步源总线上，实现逆变主机模块的逆变输出与逆变从机模块的逆变输出之间的同步。采用本发明方案，只需要一个同步源总线即可实现两种同步需求，电路简单；并且，UPS系统中的逆变从机模块只需要跟踪同步源总线上的逆变电压信号，无需进行逻辑判断。

Description

一种模块化不间断电源系统同步方法及电路

技术领域

本发明涉及UPS（Uninterruptible Power Supply，不间断电源）技术领域，更具体地，涉及一种模块化不间断电源系统同步方法及电路。

背景技术

模块化UPS系统的其中一个关键技术是各个模块输出要实现完全同步，即要实现各个逆变模块相位、幅值的完全相同，以实现负载均分及减少环流。在模块化UPS系统中，常常取消UPS系统中静态切换开关（STS）中的逆变晶闸管（SCR），直接采用各个逆变模块的输出继电器控制系统的逆变输出。这种方案要求各个逆变模块在输出前实现完全同步后，同时闭合输出继电器。因此，在模块化UPS中，有两种同步要求：1）在旁路正常时，UPS系统输出在旁路和逆变输出进行切换，需要实现各个逆变模块逆变输出和旁路之间的同步；2）在旁路异常时，UPS系统由旁路切换到逆变前，需要实现各个逆变模块之间的同步。

为满足以上两种同步要求，现在通常做法是将两种同步分开进行。在有逆变晶闸管的UPS系统中，通常有一个旁路连接各个逆变模块，在逆变与旁路同步过程中，逆变模块可以通过对旁路电压进行采样来完成逆变与旁路的同步；同时由于有逆变晶闸管，在逆变晶闸管断开时，其中一个逆变模块可以安全的将逆变电压送到逆变总线上，其它逆变模块可以通过对逆变总线进行采样来完成逆变模块之间的同步。在没有逆变晶闸管的UPS系统中，通常需要两个同步源电路，其中一个为旁路，通过对其进行采样完成逆变与旁路的同步；另外一个为由其中一个逆变模块的逆变输出或由其它电路形式产生的一个共同基准同步源，通过对其进行采样完成各个逆变模块之间的同步。但这两种方案的电路都比较复杂，成本也比较高，且会造成逆变模块在跟踪同步源时逻辑复杂。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种模块化不间断电源系统同步方法及电路，只需要传输一个同步源信号即可实现模块化UPS系统的同步。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种模块化不间断电源系统同步方法，所述方法包括：

在不间断电源（UPS）系统的旁路电压正常时，将旁路电压送到同步源总线上，实现所述UPS系统的旁路和逆变模块的逆变输出之间的同步；

在所述UPS系统的旁路电压异常时，将逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上，实现逆变主机模块的逆变输出与逆变从机模块的逆变输出之间的同步。

进一步地，所述旁路模块包括第一同步继电器，该第一同步继电器连接系统旁路和所述同步源总线；所述逆变主机模块包括第二同步继电器，该第二同步继电器连接所述逆变主机模块的逆变输出和所述同步源总线；各逆变从机模块的同步继电器分别连接各逆变从机模块的逆变输出和所述同步源总线。

进一步地，所述方法具体包括：

所述旁路模块采样旁路电压，并判断旁路电压是否正常，如果旁路电压正常，则所述旁路模块下发断开命令给所述逆变主机模块，所述逆变主机模块收到所述断开命令后断开所述第二同步继电器；旁路模块确认所述逆变模块的同步继电器断开后，闭合所述第一同步继电器，将旁路电压送到所述同步源总线上；

如果旁路电压异常，则所述旁路模块断开所述第一同步继电器后，下发闭合命令给逆变主机模块，所述逆变主机模块收到所述闭合命令后闭合所述第二同步继电器，将所述逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上。

进一步地，所述旁路模块通过一组晶闸管实现从旁路向逆变或者从逆变向旁路的切换，其中，所述晶闸管用于连接旁路和UPS输出；

或者，所述旁路模块通过两组晶闸管实现从旁路向逆变或者从逆变向旁路的切换，其中，所述晶闸管的一端连接UPS输出；另一端连接旁路，或者连接所述逆变主机模块和逆变从机模块的逆变输出。

进一步地，所述旁路模块通过CAN通讯总线向所述逆变主机模块下发所述断开命令和所述闭合命令，其中，所述CAN通讯总线连接所述旁路模块与所有逆变模块；

所述逆变主机模块在断开或闭合所述第二同步继电器后，通过所述CAN通讯总线向所述旁路模块返回断开或闭合的状态信息，所述旁路模块根据所述状态信息确认所述逆变主机模块的同步继电器的状态。

进一步地，所述旁路模块在发送所述断开命令和所述闭合命令的同时，还通知所述各逆变从机模块对所述同步源总线进行同步；

所述逆变主机模块和所述各逆变从机模块在同步完成后，将自身同步状态通知所述旁路模块。

本发明还提供了一种模块化不间断电源系统同步电路，所述电路包括：旁路模块、逆变模块和同步源总线，其中所述逆变模块包括逆变主机模块和逆变从机模块，所述旁路模块包括第一同步继电器，该第一同步继电器连接系统旁路和所述同步源总线；所述逆变主机模块包括第二同步继电器，该第二同步继电器连接所述逆变主机模块的逆变输出和所述同步源总线；各逆变从机模块的同步继电器分别连接各逆变从机模块的逆变输出和所述同步源总线，

所述旁路模块用于，在不间断电源（UPS）系统的旁路电压正常时，将旁路电压送到同步源总线上，实现所述UPS系统的旁路和逆变模块的逆变输出之间的同步；在所述UPS系统的旁路电压异常时，控制所述逆变主机模块将所述逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上，实现逆变主机模块的逆变输出与逆变从机模块的逆变输出之间的同步。

进一步地，所述旁路模块还包括采样控制电路，

所述采样控制电路用于，采样旁路电压，并判断旁路电压是否正常，如果旁路电压正常，则下发断开命令给所述逆变主机模块，并在确认所述逆变模块的同步继电器断开后，闭合所述第一同步继电器，将旁路电压送到所述同步源总线上；如果旁路电压异常，则所述采样控制电路断开所述第一同步继电器后，下发闭合命令给逆变主机模块；

所述逆变主机模块用于，收到所述断开命令后断开所述第二同步继电器；收到所述闭合命令后闭合所述第二同步继电器，将所述逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上。

进一步地，所述电路还包括CAN通讯总线，所述CAN通讯总线用于连接所述旁路模块与所述逆变主机模块及所述各逆变从机模块，

所述旁路模块用于，通过CAN通讯总线向所述逆变主机模块下发所述断开命令和所述闭合命令；

所述逆变主机模块用于，在断开或闭合所述第二同步继电器后，通过所述CAN通讯总线向所述旁路模块返回断开或闭合的状态信息，所述旁路模块根据所述状态信息确认所述逆变主机模块的同步继电器的状态。

进一步地，所述旁路模块还用于，在发送所述断开命令和所述闭合命令的同时，还通过所述CAN通讯总线通知所述各逆变从机模块对所述同步源总线进行同步；

所述逆变主机模块和所述各逆变从机模块还用于，在同步完成后，将自身同步状态通过所述CAN通讯总线通知所述旁路模块。

采用本发明方案，在旁路模块中不需要设置逆变晶闸管，只需要一个同步源总线即可实现两种同步需求，电路简单；UPS系统中的从机只需要跟踪同步源总线上的逆变电压信号，无需进行逻辑判断。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的模块化UPS系统的同步电路的同步源总线原理图；

图2为本发明实施例的旁路模块的内部框图；

图3为本发明实施例的逆变模块的内部框图；

图4为本发明实施例的旁路模块同步源选择的流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于，在UPS系统中设置一个同步源总线，通过UPS系统中的旁路模块对该同步源总线进行管理，对该UPS系统的同步源选择、旁路与逆变之间的同步及切换进行统一调度、管理，实现两种同步。其中，该同步源总线上的电压可以是旁路电压或其它外接同步源，也可以是逆变模块的逆变输出电压。旁路模块可通过CAN通讯总线与逆变模块进行通讯，管理同步源总线。

基于上述核心思想，本发明提出一种模块化UPS系统同步方法，体采用如下技术方案：

在UPS系统的旁路电压正常时，将旁路电压送到同步源总线上，实现所述UPS系统的旁路和逆变模块的逆变输出之间的同步；

在所述UPS系统的旁路电压异常时，将逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上，实现逆变主机模块的逆变输出与逆变从机模块的逆变输出之间的同步。

其中，所述旁路模块包括第一同步继电器，该第一同步继电器连接系统旁路和所述同步源总线；所述逆变主机模块包括第二同步继电器，该第二同步继电器连接所述逆变主机模块的逆变输出和所述同步源总线；各逆变从机模块的同步继电器分别连接各逆变从机模块的逆变输出和所述同步源总线。

进一步地，所述方法具体包括：

所述旁路模块采样旁路电压，并判断旁路电压是否正常，如果旁路电压正常，则所述旁路模块下发断开命令给所述逆变主机模块，所述逆变主机模块收到所述断开命令后断开所述第二同步继电器；旁路模块确认所述逆变模块的同步继电器断开后，闭合所述第一同步继电器，将旁路电压送到所述同步源总线上；

如果旁路电压异常，则所述旁路模块断开所述第一同步继电器后，下发闭合命令给逆变主机模块，所述逆变主机模块收到所述闭合命令后闭合所述第二同步继电器，将所述逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上。

进一步地，所述旁路模块通过一组晶闸管实现从旁路向逆变或者从逆变向旁路的切换，其中，所述晶闸管用于连接旁路和UPS输出；

或者，所述旁路模块通过两组晶闸管实现从旁路向逆变或者从逆变向旁路的切换，其中，所述晶闸管的一端连接UPS输出，另一端连接旁路或者所述逆变主机模块和逆变从机模块的逆变输出。

进一步地，所述旁路模块通过CAN通讯总线向所述逆变主机模块下发所述断开命令和所述闭合命令，其中，所述CAN通讯总线连接所述旁路模块与所有逆变模块；

所述逆变主机模块在断开或闭合所述第二同步继电器后，通过所述CAN通讯总线向所述旁路模块返回断开或闭合的状态信息，所述旁路模块根据所述状态信息确认所述逆变主机模块的同步继电器的状态。

进一步地，所述旁路模块在发送所述断开命令和所述闭合命令的同时，还通知所述各逆变从机模块对所述同步源总线进行同步；

所述逆变主机模块和所述各逆变从机模块在同步完成后，将自身同步状态通知所述旁路模块。

此外，本发明还提出一种同步电路，主要包括以下部分：同步源总线， CAN（Controller Area Network，控制器局域网）通讯总线，位于旁路模块的同步继电器，以及位于逆变模块的同步出继电器。其中，位于旁路模块的同步继电器连接系统旁路和同步源总线，位于逆变模块的同步继电器连接逆变模块的逆变输出和同步源总线。CAN通讯总线连接旁路模块和所有逆变模块，用于旁路下发命令给逆变模块，实现旁路模块对逆变模块输出继电器的间接控制，以及逆变模块与其他逆变模块之间的通讯。

在本发明提供的同步方案中，由旁路模块对同步源总线进行管理，所进行的管理主要包括下述内容：

1，旁路模块对旁路电压进行采样处理，对其幅值、相位、频率等进行判断。

2，如果旁路电压正常，则旁路模块闭合同步继电器，将旁路切换到同步源总线上，并下发断开命令通知逆变模块；如果旁路异常，则旁路模块断开同步继电器，将旁路从同步源总线上断开，并下发闭合命令通知逆变主机模块。

其中，旁路模块和逆变模块的同步继电器默认状态都是断开，旁路模块对旁路电压采样后选择闭合旁路模块或逆变主机模块的同步继电器；旁路模块和逆变主机模块的同步继电器互补，即只能且必须闭合一个，逆变从机模块的同步继电器无论何种情况均必须断开。优选的，旁路模块在下发断开命令的同时，还可以通知逆变从机模块断开自身的同步继电器，以确保逆变从机模块处于断开状态；

3，如果旁路正常，逆变主机模块接收到旁路模块的断开命令后，断开自身的同步继电器，逆变主机模块和逆变从机模块都对同步源总线进行同步；如果旁路异常，逆变主机模块在接收到旁路模块的闭合命令后，闭合自身的同步继电器，将逆变主机模块的逆变电压送到同步源总线，逆变从机模块对同步源总线进行同步。同步完成后，逆变主机模块和逆变从机模块将自身同步状态通知旁路模块。

需要说明的是，旁路模块可以在下发断开命令的同时，通知各逆变从机模块对同步源总线进行同步，但实际上，逆变从机模块对同步源总线的同步在任何情况下均进行，也可以不需要旁路模块的命令。所有逆变模块，包括逆变主机模块和逆变从机模块在完成同步后，都应该将自身的同步状态通过CAN总线通知旁路模块。

4，旁路模块确认所有逆变模块同步后，下发闭合输出继电器命令给逆变模块，同时延时关断旁路晶闸管；逆变模块收到旁路模块的闭合输出继电器命令后闭合输出继电器。

为了便于阐述本发明，以下将结合附图及具体实施例对本发明技术方案的实施作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本实施实例的同步源总线电路由旁路模块、多个逆变模块、同步源总线和CAN通讯总线等四部分组成。旁路模块包含旁路三相电压采样电路、三相同步继电器K0及其控制电路及其它旁路模块组成部分。逆变模块包含同步源三相电压采样电路、三相同步继电器KN（KN代表第N个模块的同步继电器）及其控制电路及其它逆变模块组成部分。同步源总线通过各个三相同步继电器连接旁路模块及多个逆变模块。CAN通讯总线连接旁路模块和各个逆变模块。如图1所示，旁路模块的采样电路直接采样旁路电压（即K0之前）而非同步源总线电压。其中，逆变主机模块为多个逆变模块中的一个。逆变主机模块的产生目前已有多种成熟的方法，可通过硬件设定固定的主机，也可通过软件竞争方式产生非固定主机。

如图2所示，本实施实例中旁路模块采用DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）进行采样、控制。旁路模块通过CAN通讯总线与逆变模块进行通讯。其中旁路模块切换功能实施部分的晶闸管仅需要一组晶闸管即可实现，此组晶闸管用于连接旁路与UPS输出。在一组晶闸管的接线中，逆变模块的逆变输出直接与UPS输出连接。在旁路向逆变切换时，由旁路模块下发命令给所有逆变模块，所有逆变模块接收到命令后同时闭合输出继电器，同时旁路模块断开旁路晶闸管；在逆变向旁路切换时，由旁路模块下发命令给所有逆变模块，所有逆变模块接收到命令后同时断开输出继电器，同时旁路模块闭合旁路晶闸管。

此外，本发明其他实施例中，也可以采用两组晶闸管实现切换功能，在两组晶闸管的接线方式中，逆变模块的逆变输出通过晶闸管与UPS输出连接。

如图3所示，本实施实例中逆变模块中的主电路由PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）电路和逆变器电路组成，其控制采用DSP组成的数字控制方案。逆变模块的同步源采样电路直接采样同步源总线电压。逆变模块通过CAN通讯总线与旁路模块及其它逆变模块进行通讯。在逆变输出继电器前，逆变输出通过同步继电器KN与同步源总线连接。同步继电器的闭合、断开通过CAN通讯总线接收旁路模块命令进行控制。

图4示出了旁路模块对同步源总线进行统一管理的流程示意图，主要包括将旁路电压或逆变主机模块的逆变电压送到同步源总线。如图4所示，旁路模块的处理过程主要包括如下步骤：

步骤1，旁路模块对UPS系统的旁路电压进行采样处理，得到三相旁路电压的有效值、频率、相位等信息；

步骤2，对旁路电压进行判断，判断旁路电压是否正常，并确定各个逆变模块是否跟踪旁路电压；

步骤3，如果旁路电压正常，需要跟踪旁路电压，则闭合旁路模块的同步继电器，将旁路电压送到同步源总线上；

步骤4，如果旁路电压不正常，则通过CAN通讯总线向逆变主机模块下达闭合同步源命令，将逆变主机模块的逆变电压送到同步源总线上；

步骤5，在旁路模块的同步继电器和逆变主机模块的同步继电器其中一个闭合后，通过CAN通讯总线下达命令给逆变从机模块，逆变从机模块跟踪同步源总线；

步骤6，逆变主机模块和逆变从机模块将自身同步状态，包括幅值和相位等，通过CAN通讯总线发送给旁路模块，旁路模块收到逆变模块状态后，获知各逆变模块的状态信息，以便进行切换判断等后续处理。

如上所述，逆变模块中的逆变主机模块根据旁路模块的命令闭合或者断开同步继电器。逆变主机模块断开同步继电器时，旁路模块闭合同步继电器，逆变主机模块跟踪同步源总线；逆变主机模块闭合同步源总线时，旁路模块断开同步继电器，逆变主机模块根据模块内部软件或硬件产生的电压参考波工作，并将自身逆变输出电压通过同步继电器送到同步总线上。逆变从机模块的同步继电器始终处于断开状态，逆变从机模块始终跟踪同步源总线。

逆变主机模块或从机模块对同步源总线的跟踪包括相位及幅值等多方面，其目标是使逆变模块的输出与同步源总线完全同步。逆变模块和同步源总线的锁幅锁相目前已经有多种成熟方法，保证逆变输出与同步源总线相位、幅值相同。

以上仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

Claims (7)

1.一种模块化不间断电源系统同步方法，其特征在于，所述方法包括：

在不间断电源（UPS）系统的旁路电压正常时，将旁路电压送到同步源总线上，实现所述UPS系统的旁路和逆变模块的逆变输出之间的同步；

在所述UPS系统的旁路电压异常时，将逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上，实现逆变主机模块的逆变输出与逆变从机模块的逆变输出之间的同步；

所述旁路模块包括第一同步继电器，该第一同步继电器连接系统旁路和所述同步源总线；所述逆变主机模块包括第二同步继电器，该第二同步继电器连接所述逆变主机模块的逆变输出和所述同步源总线；各逆变从机模块的同步继电器分别连接各逆变从机模块的逆变输出和所述同步源总线；

所述旁路模块采样旁路电压，并判断旁路电压是否正常，如果旁路电压正常，则所述旁路模块下发断开命令给所述逆变主机模块，所述逆变主机模块收到所述断开命令后断开所述第二同步继电器；旁路模块确认所述逆变模块的同步继电器断开后，闭合所述第一同步继电器，将旁路电压送到所述同步源总线上；

如果旁路电压异常，则所述旁路模块断开所述第一同步继电器后，下发闭合命令给逆变主机模块，所述逆变主机模块收到所述闭合命令后闭合所述第二同步继电器，将所述逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述旁路模块通过一组晶闸管实现从旁路向逆变或者从逆变向旁路的切换，其中，所述晶闸管用于连接旁路和UPS输出；

或者，所述旁路模块通过两组晶闸管实现从旁路向逆变或者从逆变向旁路的切换，其中，所述晶闸管的一端连接UPS输出；另一端连接旁路，或者连接所述逆变主机模块和逆变从机模块的逆变输出。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述旁路模块通过CAN通讯总线向所述逆变主机模块下发所述断开命令和所述闭合命令，其中，所述CAN通讯总线连接所述旁路模块与所有逆变模块；

所述逆变主机模块在断开或闭合所述第二同步继电器后，通过所述CAN通讯总线向所述旁路模块返回断开或闭合的状态信息，所述旁路模块根据所述状态信息确认所述逆变主机模块的同步继电器的状态。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，

所述旁路模块在发送所述断开命令和所述闭合命令的同时，还通知所述各逆变从机模块对所述同步源总线进行同步；

所述逆变主机模块和所述各逆变从机模块在同步完成后，将自身同步状态通知所述旁路模块。

5.一种模块化不间断电源系统同步电路，其特征在于，所述电路包括：旁路模块、逆变模块和同步源总线，其中所述逆变模块包括逆变主机模块和逆变从机模块，所述旁路模块包括第一同步继电器，该第一同步继电器连接系统旁路和所述同步源总线；所述逆变主机模块包括第二同步继电器，该第二同步继电器连接所述逆变主机模块的逆变输出和所述同步源总线；各逆变从机模块的同步继电器分别连接各逆变从机模块的逆变输出和所述同步源总线，

所述旁路模块用于，在不间断电源（UPS）系统的旁路电压正常时，将旁路电压送到同步源总线上，实现所述UPS系统的旁路和逆变模块的逆变输出之间的同步；在所述UPS系统的旁路电压异常时，控制所述逆变主机模块将所述逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上，实现逆变主机模块的逆变输出与逆变从机模块的逆变输出之间的同步；

其中，所述旁路模块还包括采样控制电路，

所述采样控制电路用于，采样旁路电压，并判断旁路电压是否正常，如果旁路电压正常，则下发断开命令给所述逆变主机模块，并在确认所述逆变模块的同步继电器断开后，闭合所述第一同步继电器，将旁路电压送到所述同步源总线上；如果旁路电压异常，则所述采样控制电路断开所述第一同步继电器后，下发闭合命令给逆变主机模块；

所述逆变主机模块用于，收到所述断开命令后断开所述第二同步继电器；收到所述闭合命令后闭合所述第二同步继电器，将所述逆变主机模块的逆变电压送到所述同步源总线上。

6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述电路还包括CAN通讯总线，所述CAN通讯总线用于连接所述旁路模块与所述逆变主机模块及所述各逆变从机模块，

所述旁路模块用于，通过CAN通讯总线向所述逆变主机模块下发所述断开命令和所述闭合命令；

所述逆变主机模块用于，在断开或闭合所述第二同步继电器后，通过所述CAN通讯总线向所述旁路模块返回断开或闭合的状态信息，所述旁路模块根据所述状态信息确认所述逆变主机模块的同步继电器的状态。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，

所述旁路模块还用于，在发送所述断开命令和所述闭合命令的同时，还通过所述CAN通讯总线通知所述各逆变从机模块对所述同步源总线进行同步；

所述逆变主机模块和所述各逆变从机模块还用于，在同步完成后，将自身同步状态通过所述CAN通讯总线通知所述旁路模块。

Images