CN111049255B - 一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统 - Google Patents

一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统，其中，所述系统包括：多个不间断电源、功率缓冲器和中央控制器；其中，所述多个不间断电源并联组成微型电网，在所述多个不间断电源并联组成微型电网中并联所述功率缓冲器；所述中央控制器的输出端分别与所述多个不间断电源和功率缓冲器相连接。在本发明实施例中，在其中一个不间断电源出现故障时，能保证系统不断电，并且减小了系统冗余余量，降低系统体积和成本。

Description

一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统
技术领域
本发明涉及不间断电源供电技术领域，尤其涉及一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统。
背景技术
中小功率不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)常以并联组网方式对重要仪器和设备进行供电，以确保在市电断电，或者某单台UPS故障情况下，仪器设备始终保持正常运行。
然而，面对一些特殊设备，例如激光仪器设备、高速电机设备，系统常需要短时大功率的能量吞吐。这种负荷能量不大，但是由于时间短，会突然向UPS并联系统输入或输出大功率流，可能短时超出UPS蓄电池的充放电能力。
目前，常用的解决方案是采用更大容量的UPS组网，以提供系统冗余功率，例如以一套100kVA并联UPS系统对常规需要只有50kVA的设备供电，这样，当瞬时超负荷时，也不至于超出系统容量。然而，这种方案导致，大部分情况下系统有50kVA的冗余容量，系统体积大、成本高。另一方面，常规系统常采用两组电流传感器的UPS控制，即输出电流和滤波电感电流，这种方案成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统，在其中一个不间断电源出现故障时，能保证系统不断电，并且减小了系统冗余余量，降低系统体积和成本。
为了解决上述问题，本发明提出了一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统，所述系统包括：多个不间断电源、功率缓冲器和中央控制器；其中，
所述多个不间断电源并联组成微型电网，在所述多个不间断电源并联组成微型电网中并联所述功率缓冲器；所述中央控制器的输出端分别与所述多个不间断电源和功率缓冲器相连接。
可选的，所述不间断电源的数量至少为2个。
可选的，所述不间断电源包括整流器、蓄电池、逆变器、滤波电感、滤波电容、电流传感器以及电源单元控制器；其中，
所述蓄电池的一端与所述整流器相连接，另一端与所述逆变器相连接；所述滤波电感的输入端与所述逆变器相连接，输出端与所述滤波电容相连接；所述电流传感器设置在所述滤波电感与所述滤波电容之间；所述电源单元控制器分别与所述逆变器、所述滤波电容、所述电流传感器以及所述中央控制器相连接。
可选的，所述中央控制器用于根据所述根据负载需求对并联在功率分配系统中的不间断电源进行分配输出功率指令；其中，所述输出功率指令以电流的形式发送给所述不间断电源的电源单元控制器；其中，
所述中央控制器在分配输出功率指令时，还包括判断并联在功率分配系统中的不间断电源是否满足负载需求，若满足，控制功率缓冲器不输入或者输出功率；反之，将不间断电源不能承受的超负荷负载需求以超负荷电流指令的形式分配给所述功率缓冲器。
可选的，所述电源单元控制器用于根据中央控制器分配的输出功率指令和不间断电源中的反馈输出电压及电流传感器电流对输出进行闭环控制；其中，由功率分配指令中的电流、电流传感器电流以及工频电压构成的分配外环，通过虚拟阻抗计算补偿电压，以及内环指令电压，既有：
由内环指令电压、电流传感器电流、反馈输出电压构成有源阻尼内环，通过比例积分控制器H计算逆变器输出电压，既有：
其中，i* 1表示功率分配指令中的电流；v* o1表示内环指令电压；v50Hz表示工频电压；Δv表示通过虚拟阻抗计算补偿电压；Zv表示虚拟阻抗；iL1表示电流传感器电流；vo1表示反馈输出电压；v* inv表示逆变器输出电压；H表示比例积分控制器函数，K表示常数系数。
可选的，所述不间断电源的所述整流器与市电相连接。
可选的，所述功率缓冲器包括超级电容、第一逆变器、第一滤波电感、第一滤波电容、第一电流传感器以及单元控制器C，其中，
所述第一逆变器分别与所述超级电容、所述单元控制器C和第一滤波电感相连接；所述第一滤波电感与所述第一滤波电容相连接；所述第一电流传感器设置在所述第一滤波电感与所述第一滤波电容之间；所单元控制器C分别与所述第一逆变器、所述第一滤波电容、所述第一电流传感器以及所述中央控制器相连接。
可选的，所述系统还包括负载电流传感器，所述负载电流传感器设置在所述系统的输出端，与所述中央控制器相连接。
在本发明实施例中，通过并联设置多个不间断电源，在其中一个不间断电源出现故障时，能保证系统不断电；通过设置功率缓冲器，并在功率缓冲器中设置超级电容来负担临时的超负荷功率；以及通过中央控制器实时对并联的多个不间断电源分配输出功率；有效的减小了系统冗余余量，降低系统体积和成本；易于实施，特别易于对现有小功率不间断电源并联网络进行改造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的缓冲式不间断电源并联功率分配系统的结构组成示意图；
图2是本发明实施例中的电源单元控制器实施功率分配电流指令的控制框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，图1是本发明实施例中的缓冲式不间断电源并联功率分配系统的结构组成示意图。
如图1所示，一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统，所述系统包括：多个不间断电源1、功率缓冲器2和中央控制器3；其中，
所述多个不间断电源1并联组成微型电网，在所述多个不间断电源1并联组成微型电网中并联所述功率缓冲器2；所述中央控制器3的输出端分别与所述多个不间断电源1和功率缓冲器2相连接。
具体的，所述不间断电源1的数量至少为2个。在这里设置不少于两个的不间断电源2，并且这些不间断电源1之间为并联的方式连接形成微型电网；这样，可以实现在这些不间断电源1中的其中一个不间断电源1发生故障的时候，不影响整个缓冲式不间断电源并联功率分配系统的供电。
在本发明具体实施过程中，所述不间断电源1包括整流器11、蓄电池12、逆变器13、滤波电感14、滤波电容15、电流传感器16以及电源单元控制器17；其中，所述蓄电池12的一端与所述整流器11相连接，另一端与所述逆变器13相连接；所述滤波电感14的输入端与所述逆变器13相连接，输出端与所述滤波电容15相连接；所述电流传感器16设置在所述滤波电感14与所述滤波电容15之间；所述电源单元控制器17分别与所述逆变器13、所述滤波电容15、所述电流传感器16以及所述中央控制器3相连接。
在本发明具体实施过程中，所述中央控制器3用于根据所述根据负载需求对并联在功率分配系统中的不间断电源进行分配输出功率指令；其中，所述输出功率指令以电流的形式发送给所述不间断电源1的电源单元控制器17；其中，所述中央控制器3在分配输出功率指令时，还包括判断并联在功率分配系统中的不间断电源1是否满足负载需求，若满足，控制功率缓冲器2不输入或者输出功率；反之，将不间断电源1不能承受的超负荷负载需求以超负荷电流指令的形式分配给所述功率缓冲器2。
在本发明具体实施过程中，所述电源单元控制器17用于根据中央控制器3分配的输出功率指令和不间断电源1中的反馈输出电压及电流传感器电流对输出进行闭环控制；其中，由功率分配指令中的电流、电流传感器电流以及工频电压构成的分配外环，通过虚拟阻抗计算补偿电压，以及内环指令电压，既有：
由内环指令电压、电流传感器电流、反馈输出电压构成有源阻尼内环，通过比例积分控制器H计算逆变器输出电压，既有：
其中，i* 1表示功率分配指令中的电流；v* o1表示内环指令电压；v50Hz表示工频电压；Δv表示通过虚拟阻抗计算补偿电压；Zv表示虚拟阻抗；iL1表示电流传感器电流；vo1表示反馈输出电压；v* inv表示逆变器输出电压；H表示比例积分控制器函数，K表示常数系数。
在本发明具体实施过程中，所述不间断电源1的所述整流器11与市电相连接。
具体的，电源单元控制器17与滤波电容15和电流传感器16相连接，用于接收滤波电容15处的反馈输出电压和电流传感器16处的反馈电感电流；电源单元控制器17与中央控制器3相连接，用于接收中央控制器输出的同步信号和功率分配指令电流；然后电源单元控制器17根据反馈输出电压、反馈电感电流、同步信号和功率分配指令电流控制逆变器13。
具体的，所述不间断电源1的所述整流器11与市电相连接；可以实现对不间断电源1的蓄电池12进行充电，保证蓄电池12有充足的电源供电。
请参阅图2，图2是本发明实施例中的电源单元控制器实施功率分配电流指令的控制框图.
如图2所示，以其中一个不间断电源1中的电源单元控制器17为例，电源单元控制器17根据中央控制器3的功率分配的输出功率指令对其所在的不间断电源1进行功率控制；具体是根据输出功率指令和不间断电源1中的反馈输出电压及电流传感器电流对输出进行闭环控制；其中，由功率分配指令中的电流、电流传感器电流以及工频电压构成的分配外环，通过虚拟阻抗计算补偿电压，以及内环指令电压，既有：
由内环指令电压、电流传感器电流、反馈输出电压构成有源阻尼内环，通过比例积分控制器H计算逆变器输出电压，既有：
其中，i* 1表示功率分配指令中的电流；v* o1表示内环指令电压；v50Hz表示工频电压；Δv表示通过虚拟阻抗计算补偿电压；Zv表示虚拟阻抗；iL1表示电流传感器电流；vo1表示反馈输出电压；v* inv表示逆变器输出电压；H表示比例积分控制器函数，K表示常数系数。
通过虚拟阻抗计算补偿电压，以及内环指令电压即可完成对逆变器13的控制。
在本发明具体实施过程中，所述功率缓冲器2包括超级电容21、第一逆变器22、第一滤波电感23、第一滤波电容24、第一电流传感器25以及单元控制器C，其中，所述第一逆变器22分别与所述超级电容21、所述单元控制器C和第一滤波电感23相连接；所述第一滤波电感23与所述第一滤波电容24相连接；所述第一电流传感器25设置在所述第一滤波电感23与所述第一滤波电容24之间；所单元控制器C分别与所述第一逆变器22、所述第一滤波电容24、所述第一电流传感器25以及所述中央控制器3相连接。
具体的，该功率缓冲器2的核心为超级电容21，还包括第一逆变器22、第一滤波电感23、第一滤波电容24、第一电流传感器25以及单元控制器C；通过超级电容21来作为缓冲，吸收或者释放上述短时大功率能量；从而可以有效的保护缓冲式不间断电源并联功率分配系统。
在本发明具体实施过程中，所述系统还包括负载电流传感器4，所述负载电流传感器4设置在所述系统的输出端，与所述中央控制器3相连接。
具体的，负载电流传感器4用于采集系统的输出负载电流。
具体的，该系统中所需要采用的电流传感器个数(包括负载电流传感器4、第一电流传感器25、电流传感器16)总和为M个，M为输出相数，具体为N+1个，其中N系统中并联的单元个数(不间断电源1和功率缓冲器2个数的总和)。
具体的，中央控制器3根据负载电流传感器4采集到的负载电流进行功率均分，即根据不间断电源1的个数进行均分，若不间断电源1为两个时，系统内单台不间断电源1均分到负载电流传感器4采集到的负载电流的一半。
具体的，若是中央控制器判断均分负载电流超过了不间断电源1的电流上限，则将该电流上限作为电流指令发送给其他的不间断电源1，而将多余的部分电流，发送给功率缓冲器2，由其临时承担。
在本发明实施例中，通过并联设置多个不间断电源，在其中一个不间断电源出现故障时，能保证系统不断电；通过设置功率缓冲器，并在功率缓冲器中设置超级电容来负担临时的超负荷功率；以及通过中央控制器实时对并联的多个不间断电源分配输出功率；有效的减小了系统冗余余量，降低系统体积和成本；易于实施，特别易于对现有小功率不间断电源并联网络进行改造。
以上对本发明实施例所提供的一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种缓冲式不间断电源并联功率分配系统，其特征在于，所述系统包括：多个不间断电源、功率缓冲器和中央控制器；其中，
所述多个不间断电源并联组成微型电网，在所述多个不间断电源并联组成微型电网中并联所述功率缓冲器；所述中央控制器的输出端分别与所述多个不间断电源和功率缓冲器相连接；
所述不间断电源包括整流器、蓄电池、逆变器、滤波电感、滤波电容、电流传感器以及电源单元控制器；其中，
所述蓄电池的一端与所述整流器相连接，另一端与所述逆变器相连接；所述滤波电感的输入端与所述逆变器相连接，输出端与所述滤波电容相连接；所述电流传感器设置在所述滤波电感与所述滤波电容之间；所述电源单元控制器分别与所述逆变器、所述滤波电容、所述电流传感器以及所述中央控制器相连接；
所述电源单元控制器用于根据中央控制器分配的输出功率指令和不间断电源中的反馈输出电压及电流传感器电流对输出进行闭环控制；其中，由功率分配指令中的电流、电流传感器电流以及工频电压构成的分配外环，通过虚拟阻抗计算补偿电压，以及内环指令电压，即有：
由内环指令电压、电流传感器电流、反馈输出电压构成有源阻尼内环，通过比例积分控制器H计算逆变器输出电压，即有：
其中，i* 1表示功率分配指令中的电流；
v* o1表示内环指令电压；v50Hz表示工频电压；Δv表示通过虚拟阻抗计算补偿电压；Zv表示虚拟阻抗；iL1表示电流传感器电流；vo1表示反馈输出电压；*
v inv1表示逆变器输出电压；H表示比例积分控制器函数，K表示常数系数。
2.根据权利要求1所述的缓冲式不间断电源并联功率分配系统，其特征在于，所述不间断电源的数量至少为2个。
3.根据权利要求1所述的缓冲式不间断电源并联功率分配系统，其特征在于，所述中央控制器用于根据负载需求对并联在功率分配系统中的不间断电源进行分配输出功率指令；其中，所述输出功率指令以电流的形式发送给所述不间断电源的电源单元控制器；其中，
所述中央控制器在分配输出功率指令时，还包括判断并联在功率分配系统中的不间断电源是否满足负载需求，若满足，控制功率缓冲器不输入或者输出功率；反之，将不间断电源不能承受的超负荷负载需求以超负荷电流指令的形式分配给所述功率缓冲器。
4.根据权利要求1所述的缓冲式不间断电源并联功率分配系统，其特征在于，所述不间断电源的所述整流器与市电相连接。
5.根据权利要求1所述的缓冲式不间断电源并联功率分配系统，其特征在于，所述功率缓冲器包括超级电容、第一逆变器、第一滤波电感、第一滤波电容、第一电流传感器以及单元控制器C，其中，
所述第一逆变器分别与所述超级电容、所述单元控制器C和第一滤波电感相连接；所述第一滤波电感与所述第一滤波电容相连接；所述第一电流传感器设置在所述第一滤波电感与所述第一滤波电容之间；所单元控制器C分别与所述第一逆变器、所述第一滤波电容、所述第一电流传感器以及所述中央控制器相连接。
6.根据权利要求1所述的缓冲式不间断电源并联功率分配系统，其特征在于，所述系统还包括负载电流传感器，所述负载电流传感器设置在所述系统的输出端，与所述中央控制器相连接。
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