CN112994212B - 一种电气设备的功率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电气设备的功率调节方法，其包括如下步骤：根据各电气模块的额定功率分别确定其权重系数；各电气模块采样其输出电流，并将输出电流乘以权重系数后作为权重电流值发送给其他所有电气模块；各电气模块计算根据自身和所收到的权重电流值计算目标电流值，并根据该目标电流值和自身的权重电流值，对其输出电流进行反馈调节。采用上述方法后，各电气模块按照其额定功率的配比进行输出，在各种工况下均能以与自身容量相应的合理输出水平运行，资源利用率高，有利于机组的长期稳定运行；同时，其还具有调节延时低、响应速度快、调节效果好的优势，有利于电气设备的扩容。

Description

一种电气设备的功率调节方法

技术领域

本发明涉及电气技术领域，更具体来讲，涉及一种电气设备的功率调节方法。

背景技术

目前的电气设备，如UPS机柜、充电桩、高压直流柜等，往往将电气性质相同的电气模块并联，以形成整体输出功率较大且便于集中控制的模块化电气设备或多机并联型的电气设备。

在实际生产和制造时，由于装机容量的需求多样化，出于成本考虑，存在采用不同功率等级的电气模块并联使用的情况。由于现有并联机制下，电气设备内的各电气模块间的功率分配和调节机制均为绝对均衡机制，存在小功率模块与大功率模块的出力相同的现象，往往使得小功率模块运行于超负荷工况而大功率模块则不能达到额定工况，这不仅不利于小功率模块的长期稳定运行，同时也浪费了大功率模块的资源，未能最大化电气设备的效率。

不仅如此，即便采用相同功率等级的电气模块并联，在运行初期，也可能出现各模块出力不同的情况，因而其也同样存在功率均衡问题。

此外，由于需要对各电气模块进行输出功率(电流)的控制，在控制过程中，主控制器和各电气模块的控制器之间还需要进行多次双向通信交互，通信数据量较大，对于电气设备的扩容非常不利。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种电气设备的功率调节方法，其可实现电气设备内并联的各电气模块均衡出力，且由于其通信数据量小，通信延迟低，因而有利于电气设备的扩容。

为实现上述目的，本发明提供了一种电气设备的功率调节方法，所述电气设备包括多个相互并联的电气模块；

所述方法首先根据各电气模块的额定功率分别确定其权重系数；其中，各模块的权重系数与其额定功率的乘积相同；

随后在每一调节周期均执行如下步骤，以使各模块的输出功率之比等同于其额定功率之比：

各电气模块采样其输出电流，并将该输出电流乘以权重系数后作为权重电流值发送给其他所有电气模块；

各电气模块根据自身的权重电流值、所收到其他模块的权重电流值及其数目计算目标电流值；其中，所述目标电流值为各权重电流值的平均数；

各电气模块根据目标电流值和自身的权重电流值，对其输出电流进行反馈调节。

在某一实施例中：所述多个电气模块中至少包括两个额定功率不同的电气模块。

在某一实施例中：各电气模块的权重系数为其额定功率的倒数。

在某一实施例中：各电气模块通过PI控制算法对其输出电流进行调节。

在某一实施例中：各电气模块通过调节其功率开关管的占空比对其输出电流进行调节。

在某一实施例中：各电气模块通过CAN协议进行通信。

在某一实施例中：各电气模块具有同步的调节周期，且在每一调节周期均同步执行所述采样输出电流，并将该输出电流乘以权重系数后作为权重电流值发送给其他所有电气模块的步骤。

在某一实施例中：所述电气设备还包括对时控制器；所述方法还包括：

对时控制器间隔预定时间向各电气模块发出对时基准信号；

各电气模块收到所述对时基准信号后分别进行对时同步调节，以使各电气模块的调节周期对齐。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明实施例的调节方法，各电气模块经调节后，按照其额定功率的配比进行输出，即各模块的输出功率之比等同于其额定功率之比；对于采用了相同功率等级电气模块的电气设备，其各电气模块按相同的出力水平输出；对于包含不同功率等级电气模块的电气设备，经过调节后，小功率模块的输出占据设备总输出的小部分，大功率模块的输出占据设备总输出的大部分，各模块在各种工况下均能以与自身容量相应的合理输出水平运行，资源利用率高，也有利于电气设备的长期稳定运行；

(2)本发明实施例的调节方法，根据模块额定功率的倒数来确定权重系数，随后将其作为目标值和反馈值中的一部分参与到调节过程中，相当于在每次调节过程中，均引入权重系数对目标值和反馈值向统一化的方向修正；因此，可将电气设备的功率控制过程，视作对若干个具有相同功率等级的模块的控制并达到当量均流的效果，从而将对不同功率等级模块的功率分配问题转化为对相同功率等级模块的功率均衡问题，控制器内部的具体算法可采用现有算法，无需对其加以改进或进行复杂地适配；

(3)本发明实施例的调节方法，为无主从式调节，不存在主控制器，而是由各电气模块内部的控制器完成自身输出功率的调节，除在计算目标电流值时需采集其他电气模块的数据，其他过程均在各电气模块内部的控制器中进行，无需向主控制器上报数据，也无需接收主控制器下发的数据，因此其通信延迟低，响应速度快，控制效果好；

(4)本发明实施例的调节方法，为无主从式调节，单一电气模块仅向其他模块发送其权重电流值，各模块接收其他模块的权重电流值，仅用于计算当次调节的目标值，其他过程均在各电气模块内部的控制器中进行，因而各模块间的通信数据量小，有利于在电气设备内并联较多电气模块，以对其进行扩容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，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他的附图。

图1是本发明实施例1的调节方法所基于的模块化UPS中，某台UPS模块依照该调节方法的控制回路示意图。

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，所描述的实施例是本发明的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本发明实施例，本领域的普通技术人员在不作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区组别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。

以下以多个功率模块并联的模块化UPS为例来介绍本发明的方法。

但应当理解的是，本发明的方法所适用的电气设备应作广义理解，其不应被下述实施例所提及的UPS这一具体电气设备所限制，而是可扩展到其他任何能够进行功率输出的电气设备。

此外，本发明所述的电气设备由多个电气模块并联构成，所述的电气模块也应做广义理解，即不应将其限制性地理解为某一模块化电气柜内的子模块，从而使得本发明所述的电气设备被限制性地理解为必须构成模块化电气柜的形式。因而，即便未构成所述模块化电气柜形式的电气设备，只要是采用了电气性质相同(如功能相同)的子设备并机运行，其内的子设备便可以构成本发明所述的电气模块，该设备也即构成本发明所述的电气设备。

实施例1

目前，由于单台UPS的供电可靠性和单体容量受到较大限制，往往采用多台UPS并机以组成模块化UPS机组。

将多台UPS模块并联在一起作为一个整体，形成UPS并联系统，不仅具有冗余特性，可在单台UPS出现故障时使其退出并联系统以对其维修，还能突破技术限制，形成一套容量较大的供电系统，提高了UPS电源的供电稳定性和可靠性。较为优选的是，采用规格相同的多个UPS模块组成模块化系统，其在多模块的协同控制和通信方面均具有较大的便利，从而也就能在机组内扩充较多模块，有利于机组扩容。

然而，在实际生产制造时，模块化UPS机组的设计容量往往不能由生产厂家所持有的多台相同规格的UPS直接并联叠加而得。例如，机组的设计容量为50kw，而厂家仅持有20kw、30kw、40kw三种规格的UPS。在此情况下，厂家往往出于成本考虑，往往直接采用20kw和30kw的UPS并联构成该50kw的机组。因此，便出现了如前文所述的采用不同功率等级的UPS模块并联使用的情况，进而存在如前文所述的，在该情况下不能很好地控制各模块的功率分配问题，使得资源不能被有效利用，不利于机组的长期稳定运行，也难以在机组内扩充较多UPS模块等缺陷。

基于上述缺陷，本发明实施例1提供了一种模块化UPS的功率调节方法。所述方法基于一种模块化UPS机组，该机组包括多个相互并联的UPS模块，且其中至少具有两个额定功率不同的UPS模块。

具体的，参照图1，其示出了模块化UPS机组中具有n+1台UPS模块，其中第n+1台UPS模块的控制回路示意图。

所述方法首先根据各UPS模块的额定功率分别确定其权重系数；其中，各模块的权重系数为其额定功率的倒数。

在时序上，模块化UPS机组间隔一定期间便进入一调节周期，其在每一调节周期均执行如下步骤：

各UPS模块采样其输出电流，并将输出电流乘以权重系数后作为权重电流值发送给其他所有UPS模块；

各UPS模块根据自身的权重电流值、所收到其他模块的权重电流值及其数目计算目标电流值；其中，所述目标电流值为各权重电流值的平均数；

各UPS模块根据目标电流值和自身的权重电流值，对其输出电流进行反馈调节。

本发明的调节方法所要达到的控制目的是：各UPS模块按照其额定功率的配比进行输出，即各模块的输出功率之比等同于其额定功率之比。这样可以使得小功率模块的输出占据机组总输出的小部分，大功率模块的输出占据机组总输出的大部分，各模块在各种工况下均能以与自身容量相应的合理输出水平运行，资源利用率高，也有利于机组的长期稳定运行。

应当理解的是，在本发明实施例中，为方便描述，采用了各模块额定功率的倒数作为权重系数的实际值。但可替代的，在此基础上对各权重系数进行等比例缩放，使得各模块的额定功率与该权重系数的乘积为同一数值，便可实现本发明的目的，本发明对其实际值不加以限定。

在上述方法中，根据模块额定功率的倒数来确定权重系数，随后将其引入到调节过程中两个关键值的计算，即将其作为目标值和反馈值中的一部分参与到调节过程中。具体过程中，由于权重系数为额定功率的倒数，当将其结合采样电流形成所述的权重电流值和目标电流值时，不仅将各模块的控制目标统一化，相应的也使得各模块在调节时的反馈值对应于该统一化的目标值，使得二者得以匹配。这相当于在每次调节过程中，均引入权重系数对目标值和反馈值向统一化的方向修正。因此，可以将模块化UPS机组的功率控制过程，视作对若干个具有相同功率等级的模块的控制并达到当量均流的效果，从而将对不同功率等级模块的功率分配问题，转化为对相同功率等级模块的功率均衡问题。如此一来，控制器内部的具体算法便可采用现有算法，无需对其加以改进或进行复杂地适配。

此外，上述调节方法还具有一个特点，即无主从式调节，对于模块化UPS机组而言，不存在主控制器，而是由各UPS模块内部的控制器完成自身输出功率的调节。具体来说，对于单一UPS模块，其仅向其他模块发送其权重电流值，因此，各模块接收其他模块的权重电流值，作为其控制器的输入内容的一部分，仅用于计算当次调节的目标值，其他过程均在各UPS模块内部的控制器中进行。因此，各模块间的通信数据量小，也无需如主从式控制系统进行多次的上报和下发过程。其带来的优势是：(1)由于控制过程的主要步骤均在UPS内部的控制器中执行，无需向主控制器上报数据，也无需接收主控制器下发的数据，因此通信延迟低，响应速度快，控制效果好；(2)由于各模块间的通信数据量小，而通信数据量又是限制模块化UPS扩容的重要因素，因而采用该方法进行功率分配和调节的模块化UPS机组仍然可以并联较多模块，扩容可行性高。

以下通过引入一个算例以更清晰地阐明上述调节过程。

模块化UPS机组内具有模块A、模块B和模块C三个UPS模块，其额定功率情况分别为：

模块A：10kw、模块B：20kw、模块C：40kw。

因此，各UPS模块的权重系数分别为：

模块A：0.1、模块B：0.05、模块C：0.025。

假设在上一调节周期，各UPS模块的输出电流值为：

模块A：x、模块B：y、模块C：z；其也为下一调节周期所采样的输出电流值。

因此，在下一调节周期，各UPS模块的权重电流值为：

模块A：0.1x、模块B：0.05y、模块C：0.025z；

经过将上述权重电流值分别分发至其他各UPS模块并计算后，可以得到各UPS模块在该调节周期内所具有的相同的目标电流值：(0.1x+0.05y+0.025z)/3。

本发明实施例的调节方式为反馈调节，其将所述权重电流值作为该调节周期的反馈值，即为：

模块A：0.1x、模块B：0.05y、模块C：0.025z。

各UPS模块将其目标电流值和反馈值输入至控制器内进行相应运算后，获得调节其输出功率的调节信号，执行器根据该信号进行相应的调节。经多次调节后，各UPS模块最终的输出功率比将达到1：2：4。在此之后，当时序进行到下一调节周期时，反馈值(权重电流值)和目标电流值相等，达到了本发明的控制目标，控制器不进行调节动作，调节过程结束。

在具体控制过程中，各UPS模块的控制器接收所述目标电流值和权重电流值后，通过PI控制算法获得所述调节信号，以对其输出电流进行调节。而在执行器层面，各UPS模块则是通过调节其逆变器的功率开关管的占空比来对其输出电流进行调节。此外，各UPS模块通过CAN协议进行通信，以发送和接收所述权重电流值。

优选的，各UPS模块具有同步的调节周期，且在每一调节周期均同步执行所述采样输出电流，并将输出电流乘以权重系数后作为权重电流值发送给其他所有UPS模块的步骤，使得各模块能在基本相同的时间计算得到所述目标电流值，减少了等待延时，提升了控制效率。

在此基础上，为防止长时间运行后，控制器的时钟频率不一致，数据传输机制产生混乱，所述模块化UPS机组还包括对时控制器。对应的，所述方法还包括：对时控制器间隔预定时间向各UPS模块发出对时基准信号；各UPS模块收到所述对时基准信号后分别进行对时同步调节，以使各UPS模块的调节周期对齐。

值得说明的是，在实际生产组装时，通常会将几个UPS模块放置于一个UPS机柜中，从而形成由多个机柜构成的UPS机组，各机柜的外形、结构尺寸均相同，使其便于管理和控制。因而，本发明也可延伸为先对机柜进行上述功率分配的调节，再在机柜内对其内部的各UPS模块的输出功率进行调节。

实施例2

实施例1限定了所述模块化UPS包含了不同功率等级UPS模块，该情况尤其适用于本发明的方法。而本发明的方法也同样适用于采用了相同功率等级UPS模块的模块化UPS机组，因而实施例2与实施例1的区别仅在于机组内各模块的功率等级完全相同。可以理解的，在

实施例2中，除了各UPS模块的权重系数完全相同外，其各步骤的执行过程与实施例1无异，因而本发明不再对其具体调节过程进行赘述，其同样具有本发明实施例1方法的所有优势。

上述说明书和实施例的描述，用于解释本发明保护范围，但并不构成对本发明保护范围的限定。通过本发明或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本发明实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电气设备的功率调节方法，其特征在于：所述电气设备包括多个相互并联的电气模块；

所述方法首先根据各电气模块的额定功率分别确定其权重系数；其中，各模块的权重系数与其额定功率的乘积相同；各电气模块的权重系数为其额定功率的倒数；

随后在每一调节周期均执行如下步骤，以使各模块的输出功率之比等同于其额定功率之比：

各电气模块采样其输出电流，并将该输出电流乘以权重系数后作为权重电流值发送给其他所有电气模块；

各电气模块根据自身的权重电流值、所收到其他模块的权重电流值及其数目计算目标电流值；其中，所述目标电流值为各权重电流值的平均数；

各电气模块根据目标电流值和自身的权重电流值，对其输出电流进行反馈调节。

2.如权利要求1所述的功率调节方法，其特征在于：所述多个电气模块中至少包括两个额定功率不同的电气模块。

3.如权利要求1所述的功率调节方法，其特征在于：各电气模块通过PI控制算法对其输出电流进行调节。

4.如权利要求1所述的功率调节方法，其特征在于：各电气模块通过调节其功率开关管的占空比对其输出电流进行调节。

5.如权利要求1所述的功率调节方法，其特征在于：各电气模块通过CAN协议进行通信。

6.如权利要求1所述的功率调节方法，其特征在于：各电气模块具有同步的调节周期，且在每一调节周期均同步执行采样输出电流，并将该输出电流乘以权重系数后作为权重电流值发送给其他所有电气模块的步骤。

7.如权利要求6所述的功率调节方法，其特征在于：所述电气设备还包括对时控制器；所述方法还包括：

对时控制器间隔预定时间向各电气模块发出对时基准信号；

各电气模块收到所述对时基准信号后分别进行对时同步调节，以使各电气模块的调节周期对齐。

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