CN1627620A

CN1627620A - 一种在不间断电源断中线后控制其整流器零线电压差的方法

Info

Publication number: CN1627620A
Application number: CN 200310121963
Authority: CN
Inventors: 邴阳; 柏子平
Original assignee: Liebert Corp
Current assignee: Dimension Corp
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: CN100388608C

Abstract

本发明涉及一种在不间断电源断中线后控制其整流器零线电压差的方法，其中，如果检测到UPS的整流器零线与输入电网零线之间发生了断线故障，则可通过调节整流器中的三相开关器件，以减小三相开关函数在一个开关周期内的平均值之和的绝对值(|(Sa^*+Sb^*+Sc^*)|)，从而减小整流器零线与电网零线之间的电压差(U_N)。如需使电压差(U_N)在允许的电压差(U_N ^*)范围内，应通过所述调节，使

，其中，Usa、Usb、Usc为输入的电网三相相电压，Ud为整流器的正负母线电压之和。本发明的方法可将电压差(U_N)降到特定值或允许的电压差(U_N ^*)范围内，从而可保证UPS的正常使用并保证设备和人员安全。

Description

一种在不间断电源断中线后控制其整流器零线电压差的方法

技术领域

本发明涉及UPS(不间断电源)，更具体地说，涉及一种在无变压器UPS的整流器零线与电网零线发生断线故障时，对两者之间的电压差进行控制，以保证其电压差在允许范围的方法。

背景技术

随着市场竞争的加剧，UPS产品的价格成本压力越来越大。无变压器UPS由于省去了笨重且昂贵的工频变压器，正逐渐取代传统的带工频变压器的UPS，成为各大UPS厂商的研发重点。

传统的三相工频变压器UPS中，输出变压器的输出为三相四线制，连接负载的输出零线由输出隔离变压器的中点自然生成，所以输入为三相三线制，并不需要将整流器零线与电网零线相连接。而对于无变压器UPS，其母线为电容串联的双母线结构，负载的输出零线连接到串联母线电容的中点。为保证连接负载的输出零线对于电网零线电位稳定相等，输入电网零线也必须接入到串联母线电容的中点，所以三相无变压器UPS输入为三相四线。

当三相无变压器UPS的整流器零线与电网零线之间发生了断线故障时，整流器零线相对于电网零线的电位差不能保持稳定，如果不能及时有效地采取相应的措施，电位差将逐渐积累并越来越大，从而会危害设备甚至人员的安全。

一种常见三相四线PWM(脉宽调制)整流器的拓扑结构如图1所示，其中，Q1～Q6为整流器的开关器件，一般在其内部或外部还并有反相续流二极管；C6、C7为母线电容；L1、L2、L3为升压电感，并与电容C1、C2、C3构成滤波电路；Usa、Usb、Usc为电网相电压。通过控制开关器件的导通或截止，可使输入电感电流ia、ib、ic与输入电网电压Usa、Usb、Usc的波形近似、相位一致，从而可实现功率因数校正。

现有三相四线PWM整流器的控制策略可分为静止坐标控制法和旋转坐标控制法两大类。如图2所示为静止坐标系下三相四线PWM整流器的典型控制框图。其中，

(A)经减法器101得出母线的电压给定(Ud*)与电压反馈(Ud)之差，其中电压反馈Ud等于正母线电压(U+)与负母线电压(U-)之和；

(B)所述电压差经母线电压调节器102处理后得出相应的电流调节量；

(C)该电流调节量再分别通过乘法器103、104、105与标准三相正弦波(即sin(ωt)、sin(ωt+120)、sin(ωt+240))相乘，获得三相相电流给定(ia*、ib*、ic*)；

(D)通过减法器106、107、108，用三相相电流给定(ia*、ib*、ic*)分别减去三相相电流反馈(ia、ib、ic)，得到三个电流差值；

(E)再并分别送入三相相电流调节器109、110、111进行处理；

(F)最后，电流调节器109、110、111的输出分别经PWM发生器112、113、114处理，生成三相PWM开关波形，用于驱动图1中的开关器件Q1-Q6。

如图3所示为旋转坐标系下三相四线PWM整流器的典型控制框图。其中：

(a)三相电网相电压(Usa、Usb、Usc)经求模和锁相环计算器212，得出电压模长(vd)和跟踪角度(angle)；

(b)三相相电流(ia、ib、ic)经坐标变换器211进行静止坐标系到旋转坐标系变换，得出相电流在旋转坐标系下的有功电流(id)、无功电流(iq)和零序电流(i0)；

(c)母线电压给定(Ud*)和电压反馈(Ud)经减法器201得到电压差，再经母线电压调节器202后形成有功电流给定(id*)；

(d)通过减法器203、204、205，用有功电流给定(id*)、无功电流给定(iq*)和零序电流给定(i0*)，分别减去前述坐标变换器211输出的有功电流(id)、无功电流(iq)和零序电流(i0)，分别得到有功电流差、无功电流差和零序电流差，其中iq*与i0*通常为0；

(e)上述有功电流差、无功电流差和零序电流差分别经电流调节器206、207、208处理，生成相应的电压微调量；

(f)电流调节器207、208的输出直接送入坐标变换及PWM发生器210，而电流调节器206的输出则通过加法器209与前述电压模长(vd)相加，再送入坐标变换及PWM发生器210；坐标变换和PWM发生器210根据前述输入量和跟踪角度(angle)，发出三相PWM开关波形，驱动整流器中的六个开关器件Q1至Q6。

无论是静止坐标系还是旋转坐标系，其实质要在控制上保证三相相电流与输入三相电压的频率和相位相同，而且电流环均采用PI调节器，以保证电流环的硬特性，获得较高的功率因数和较小的输入谐波。

当整流器零线与电网零线间发生了断线故障时，由于电流检测电路中微小偏差的存在，误差将在控制器中不断的积累使整流器零线与电网零线之间的电压差不断增大，此时电压差理论上数值如下式所示(假设系统没有损耗)：

ΔU = \frac{U_{d}}{2} - \sqrt{2} U_{Sa}

其中，ΔU为整流器零线电压差，Ud为正负母线之间的电压，Usa为市电电压有效值。通常情况下，市电电压一般为AC220V，母线电压为DC810V，所以此时的ΔU为94V。在考虑到系统的损耗后，ΔU还要高上10～20V，达到110V左右。

对于无变压器UPS，其整流器零线和UPS输出负载零线是相互连接的；对于我国的TN电网系统，输入电网零线和保护地PE(即大地)是相互连接的。所以断中线故障后，如果整流器零线与电网零线电压差达110V，则UPS输出负载零线与保护地PE(即大地)间的电压差也将达到110V，如此高的电压作用到负载用电设备上可能会造成部分负载用电设备工作失效甚至永久损坏。后果更为严重的。如果UPS负载按照国标TN-C或TN-C-S标准配电的话(即UPS输出负载零线同时兼作负载的保护地PE线)，则会使负载的保护地PE(也连接到设备金属外壳上)与电网的PE(即大地)之间存在110V电压差，从而危害人身安全。

现有的技术，在发生断中线故障后通常有两种做法：其一是保证负载供电不间断，UPS系统不采取任何措施；其二是为防止发生设备损坏或人员伤害，UPS系统立即停止工作。但这两种做法都有缺陷，前者可能对用户设备人员产生伤害，后者则无法继续对用户负载供电，失去了UPS作为不间断电源设备的作用。

发明内容

本发明要解决现有技术中当整流器零线与电网零线之间发生断中线故障时，整流器零线与电网零线之间的电压差过高的问题，在发生断中线故障后将整流器零线与电网零线之间的电压差控制为小于一定的电压值(例如10V)，从而保证UPS系统继续对用户负载供电，同时不会造成用户用电设备的损坏和人员的伤害。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种在不间断电源断中线后控制其整流器零线电压差的方法，其中包括以下步骤：

检测不间断电源的整流器零线与输入的电网零线之间是否发生了断线故障；

如果检测到发生了断线故障，则根据允许的电压差(U_N*)求出基准调节量(S)；

调节整流器中的三相开关器件，使三相器件的开关函数在一个开关周期内的平均值之和(Sa*+Sb*+Sc*)等于所述基准调节量(S)，从而使整流器零线与电网零线之间的电压差等于所述预定的电压差(U_N*)；或者，调节整流器中的三相开关器件，使得三相器件的开关函数在一个开关周期内的平均值之和的绝对值小于所述基准调节量(S)的绝对值，从而使整流器零线与电网零线之间的电压差的绝对值小于所述预定的电压差(U_N*)的绝对值。

在本发明中，可根据下式计算所述基准调节量(S)：

S = \frac{2 (u_{sa} + u_{sb} + u_{sc}) - 6 {U_{N}}^{*}}{u_{d}},

其中，Usa、Usb、Usc为电网的三相相电压，U_N*为允许电压差，Ud为整流器的正负母线电压之和。

因为电网的三相相电压之和(Usa+Usb+Usc)通常为0，所以可进一步根据下式计算所述基准调节量(S)：S＝-6U_N ^*/Ud。

可见，当整流器零线与电网零线之间发生断线故障时，通过本发明的方法，可以使无变压器UPS的整流器零线与电网零线之间的电压差(UN)等于允许的电压差(UN*)；或者使整流器零线与电网零线之间的电压差(UN)的绝对值小于允许的电压差(UN*)的绝对值，即保证电压差(UN)在允许的范围内。最终在UPS持续对用户供电的同时，可达到保护设备和人员安全的目的。

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是个常见的三相四线PWM整流器的拓扑结构图；

图2是静止坐标系下三相四线PWM整流器的典型控制框图；

图3是旋转坐标系下三相四线PWM整流器的典型控制框图；

图4是本发明中整流器零线与电网零线之间发生了断开故障后的拓扑结构。

具体实施方式

本发明中，整流器零线与电网零线之间发生了断开故障后的拓扑结构如图4所示。由于整流器零线与串联母线电容(C6、C7)中点U_N相连接，假定电网零线的电位为零电位，U_N的电位即为整流器零线与电网零线之间的电压差。

对图4的电路建立数学模型，在假设正负母线电压均衡的前提下(这由其他的均压电路来实现)，得到如下表达式(一)：

其中，Sa、Sb、Sc为开关函数，

ia、ib、ic为整流器输入三相相电流，即流过电感L1、L2、L3的电流；

Usa、Usb、Usc为电网输入的三相相电压；

L、R分别为电感和回路上的等效电阻；

Ud为正负母线电压之和，即Ud＝(U+)+(U-)。

当零线断开后，可近似认为三相电感上流过的电流之和(ia+ib+ic)为零，从表达式(一)可以推出如下表达式(二)：

U_{N} = \frac{U_{sa} + U_{sb} + U_{sc}}{3} - \frac{S_{a} + S_{b} + S_{c}}{3} \frac{U_{d}}{2}

由于滤波电感L1、L2、L3和电容C1、C2、C3的存在，上式中Sa、Sb、Sc可以用各开关器件的开关函数在一个开关周期内的平均值Sa*、Sb*、Sc*来代替，则有如下表达式(三)：

U_{N} = \frac{U_{sa} + U_{sb} + U_{sc}}{3} - \frac{{S_{a}}^{*} + {S_{b}}^{*} + {S_{c}}^{*}}{3} \frac{U_{d}}{2}

再作相应的公式变换，则有如下表达式(四)：

{S_{a}}^{*} + {S_{b}}^{*} + {S_{c}}^{*} = \frac{2 (u_{sa} + u_{sb} + u_{sc}) - 6 U_{N}}{u_{d}}

一般来说，电网三相相电压是均衡的，即Usa、Usb、Usc之和为0，或者是近似为0，也就是说，如果忽略电网的不均衡性，则有如下表达式(五)：

{S_{a}}^{*} + {S_{b}}^{*} + {S_{c}}^{*} = \frac{- 6 U_{N}}{u_{d}}

由于母线电压Ud的波动一般很微小，可近似认为恒定，也就是说，可认为母线Ud为一个常值，则有如下表达式(六)：

S_a ^*+S_b ^*+S_c ^*＝kU_N

其中，k＝-6/Ud。

设允许的电压差为U_N*，根据上述推论，当检测到不间断电源的整流器零线与输入的电网零线之间发生了断线故障时，可直接或间接采取如下措施。

一、当需要使整流器零线与电网零线之间的电压差U_N等于U_N*时，可调节用于控制整流器中的三相开关器件的开关函数，使三相开关函数在一个开关周期内的平均值之和(Sa*+Sb*+Sc*)满足：

{S_{a}}^{*} + {S_{b}}^{*} + {S_{c}}^{*} = \frac{2 (u_{sa} + u_{sb} + u_{sc}) - 6 {U_{N}}^{*}}{u_{d}}

当需要使整流器零线与电网零线之间的电压差U_N的绝对值小于U_N*的绝对值时，可调节用于控制整流器中的三相开关器件的开关函数，使三相开关函数在一个开关周期内的平均值之和(Sa*+Sb*+Sc*)的绝对值满足：

| {S_{a}}^{*} + {S_{b}}^{*} + {S_{c}}^{*} | < | \frac{2 (u_{sa} + u_{sb} + u_{sc}) - 6 {U_{N}}^{*}}{u_{d}} |

二、如果忽略电网各相电压的不均衡性，当需要使整流器零线与电网零线之间的电压差U_N等于U_N*时，(Sa*+Sb*+Sc*)应满足：

{S_{a}}^{*} + {S_{b}}^{*} + {S_{c}}^{*} = \frac{- 6 {U_{N}}^{*}}{u_{d}}

同样，当需要使整流器零线与电网零线之间的电压差U_N的绝对值小于U_N*的绝对值时，(Sa*+Sb*+Sc*)应满足：

| {S_{a}}^{*} + {S_{b}}^{*} + {S_{c}}^{*} | < | \frac{- 6 {U_{N}}^{*}}{u_{d}} |

三、在忽略电网各相电压的不均衡性之基础上，如果再将母线电压Ud视为一个常数，当需要使整流器零线与电网零线之间的电压差U_N等于U_N*时，(Sa*+Sb*+Sc*)应满足：

|S_a ^*+S_b ^*+S_c ^*|＝kU_N

其中，k＝-6/Ud。

|S_a ^*+S_b ^*+S_c ^*|＜|kU_N|

四、在忽略电网各相电压的不均衡性，并将母线电压Ud视为一个常数的基础上，正常情况下，允许的电压差U_N*＝0。也就是说，当需要使整流器零线与电网零线之间的电压差U_N等于0时，(Sa*+Sb*+Sc*)应满足：

Sa*+Sb*+Sc*＝0

五、从上述第一至第四点可知，当检测到不间断电源的整流器零线与输入的电网零线之间发生了断线故障时，减小三相开关函数在一个开关周期内的平均值之和的绝对值|Sa*+Sb*+Sc*|，即可达到减少整流器零线与电网零线之间的电压差U_N的绝对值之目的。

当此UPS产品中三相四线整流器采用旋转坐标控制法时，如图图3所示，在旋转坐标中，调节Sa*+Sb*+Sc*比较简便，在数学上可以证明图3中的V43与Sa*+Sb*+Sc*成简单的正比关系，即，

{S_{a}}^{*} + {S_{b}}^{*} + {S_{c}}^{*} = \frac{3}{\sqrt{2}} V 43

所以，当发生断中线故障后，为使整流器零线与电网零线之间的电压差U_N等于0，V43应满足：

V43＝0

具体来说，当此UPS检测到输入零线与电网零线之间发生了断开故障后，向用户发出“输入零线断开故障”报警，并同时控制整流器零线与电网零线间的电压差为0，即将V43永久死锁强行置为0值。待用户将中线恢复，并在UPS面板上按“故障清除键”后，V43解除死锁，恢复正常工作。试验表明，当UPS没有采用此专利时，输入零线与电网零线之间发生断开故障后，整流器零线与电网零线的电压差为110V左右。采用本发明的方案后，UPS依然可以为用户提供稳定的交流电源，同时整流器零线与电网零线之间的电压差为10V左右。

Claims

1、一种在不间断电源断中线后控制其整流器零线电压差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据下式计算所述基准调节量(S)：

S = \frac{2 (u_{sa} + u_{sb} + u_{sc}) - 6 U_{N} *}{u_{d}}

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据下式计算所述基准调节量(S)：

S＝-6U_N*/Ud，

其中，U_N*为允许电压差，Ud为整流器的正负母线电压之和。