CN1664605A

CN1664605A - 检测不间断电源的整流器零线与电网零线之间的断线故障的方法

Info

Publication number: CN1664605A
Application number: CN 200410028509
Authority: CN
Inventors: 邴阳; 杨志洵
Original assignee: Liebert Corp
Current assignee: Dimension Corp
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: CN100359792C

Abstract

本发明涉及一种检测UPS的整流器零线与电网零线之间的断线故障的方法，为解决现有技术所存在的成本高、需要一个额外的电流互感器等问题，本明中采用当整流器零线与电网零线之间发生断线故障时两者之间的电压差会逐渐增大的控制模式，对于输入UPS的电网三相相电压，先检测至少一相相电压与不间断电源的整流器零线电压(U_N)之间的电压差；然后对所述每一个电压差进行滤波并求出相应的电压差滤波值；然后判断所述电压差滤波值之和的绝对值是否大于一个预定常数(H)，如果是则认为不间断电源的整流器零线与电网零线之间已发生了断线故障。与现有技术相比，本发明的方法具有成本低、准确度高、易于实现等优点。

Description

检测不间断电源的整流器零线与电网零线之间的断线故障的方法

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开故障时，及时检测出此故障的方法。

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，其变压器的输出为三相四线制，其整流器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，整流器零线连接到串联母线电容的中点。为保证整流器零线对于电网零线电位稳定，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。

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。

当三相无变压器UPS的整流器零线与电网零线由于故障而断开时，将有如下危害：

(1)会影响三相四线整流器的运行，使其部分功能失效，或性能指标降低；

(2)由于高频机中整流器输入和旁路输入的中线为公用，当主路因输入电网故障而切换到旁路工作时，旁路零线电位会受负载影响偏离，使负载掉电或损坏负载；

(3)整流器运行时，其整流器零线相对于电网零线的电位差不能保持稳定，电位差可能逐渐积累并越来越大，从而危害用户的设备甚至人员的安全。

为了检测整流器零线与电网零线是否断开，传统的检测方法是在整流器零线上串联一个电流互感器来检测整流器零线上所流过的电流值，如果有电流流过，则表示零线正常；如果无电流流过，则认为发生了零线断开故障。这种串接电流互感器方法的缺点是成本高，需要一个额外的电流互感器和相应的检测判断电路。另外，采用串接电流互感器的方法时，电流判断门限很难确定，在轻载时容易误报故障。

发明内容

本发明要解决现有技术中采用电流互感器来检测断线故障时所存在的成本高、需要一个额外的电流互感器和相应的检测判断电路、且电流判断门限很难确定的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种检测不间断电源的整流器零线与电网零线之间的断线故障的方法，其中包括以下步骤：

(1)检测至少一相输入电源相线与不间断电源的整流器零线之间的电压差；

(2)对所述每一个电压差进行滤波，求出相应的电压差滤波值，其中滤波时间常数大于或等于一个工频周期；

(3)判断所述电压差滤波值之和的绝对值是否大于一个预定常数(H)，如果是则认为不间断电源的整流器零线与电网零线之间已发生了断线故障。

在本发明所述的方法的所述第(3)步中，可根据不间断电源的电气特性确定所述预定常数(H)。例如根据在第(1)步中检测的相数、整流器的直流母线电压(Ud)、以及所述不间断电源所针对的负载对整流器零线与电网零线之间压差的容忍程度，来确定所述预定常数(H)。

可见，本发明中通过检测出电网的任一相电压与整流器零线之间的电压差，即可判断出不间断电源的整流器零线与电网零线之间是否发生了断线故障，为了保证检测结果的准确性，还采用特别的控制模式对整流器进行控制，保证当整流器零线与电网零线之间发生断线故障时，两者之间的电压差会逐渐增大。从而可更快地检测出断线故障。与现有技术相比，具有成本低、准确度高、易于实现等优点。

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是本发明中检测整流器零线与电网零线之间是否发生断开故障的整流器拓扑结构示意图。

具体实施方式

本发明中，检测整流器零线与电网零线之间是否发生断开故障的整流器拓扑结构如图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的零线电压差。UPS输入相电压检测电路实际检测的是电网各相电压Usa、Usb、Usc与U_N的电压差VC1、VC2、VC3。

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：

\{\begin{matrix} U_{sa} = i_{a} R + L \frac{{di}_{a}}{dt} + S_{a} \frac{U_{d}}{2} + U_{N} \\ U_{sb} = i_{b} R + L \frac{{di}_{b}}{dt} + S_{b} \frac{U_{d}}{2} U_{N} \\ U_{sc} = i_{c} R + L \frac{{di}_{c}}{dt} + S_{c} \frac{U_{d}}{2} + U_{N} \end{matrix}

其中，S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。

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，从上式中各等式相加可以推出：

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

由于LC滤波电路(由电感L1、L2、L3和电容C1、C2、C3构成)，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，即：

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

由于电网三相相电压一般来说是均衡的，即Usa、Usb、Usc之和为0，而正负母线电压之和U_d近似为常值。所以U_N与三相开关函数在一个开关周期的平均值之和(Sa*+Sb*+Sc*)，即发波的零序分量，成正比。

基于上述分析，对于图2所示的控制系统，可将相电流调节器109、110、111全部或部分设计为PI调节器，从而使得当整流器零线与电网零线之间发生断线故障时，两者之间的电压差会逐渐增大。也就是说，采用静止坐标系三相四线脉宽调制模式时，具体的脉宽调制模式如下：

(A)求出母线电压给定(Ud^*)与电压反馈(Ud)之间的差值；

(B)用母线电压调节器102对所述电压差值进行处理，得出相应的电流调节量；

(C)所述电流调节量再分别与标准三相正弦波相乘，获得三相相电流给定(ia^*、ib^*、ic^*)；

(D)用所述三相相电流给定(ia^*、ib^*、ic^*)分别减去整流器的三相输入电流反馈(ia、ib、ic)，得到三个电流差值；

(E)将所述三个电流差值并分别送入三个电流调节器109、110、111进行处理，为了保证当整流器零线与电网零线之间发生断线故障时，两者之间的电压差会缓慢逐渐增大，这里的三个电流调节器中应至少有一个为比例积分(PI)调节器，具体可是一个、两个或三个全部为PI调节器；

(F)将所述三个电流调节器的输出分别经PWM发生器处理，生成三相PWM开关波形，用于驱动该整流器中的各个开关器件(Q1～Q6)。

对于图3所示控制系统，则需将零序电流调节器205设计为PI调节器。也就是说，采用旋转坐标系三相四线脉宽调制模式时，具体的脉宽调制模式如下：

(a)根据与整流器连接的电网三相相电压(Usa、Usb、Usc)进行锁相环计算，求出相应的跟踪角度(angle)；

(b)对输入整流器的三相相电流(ia、ib、ic)进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，得出该三相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)用母线电压给定(Ud^*)减去电压反馈(Ud)，生成电压差ΔU，再经母线电压调节器202处理得到有功电流给定(id^*)；

(d)用所述有功电流给定(id^*)减去所述有功电流(id)以生成有功电流差(Δid)，用无功电流给定(iq^*)减去所述无功电流(iq)以生成无功电流差(Δiq)，并用所述零序电流给定(i0^*)减去所述零序电流(i0)以生成零序电流差(Δi0)，其中iq^*与i0^*通常设计为0；

(e)分别通过电流调节器206、207、208对所述有功电流差(Δid)、无功电流差(Δiq)和零序电流差(Δi0)进行调节，以生成相应的第一、第二、第三电压微调量(V41、V42、V43)，为了保证当整流器零线与电网零线之间发生断线故障时，两者之间的电压差会缓慢逐渐增大，对零序电流差进行处理的电流调节器208应为比例积分调节器；

(f)根据所述第一、第二、第三电压微调量(V41、V42、V43)，以及所述跟踪角度(angle)，生成由旋转坐标系变换到静止坐标系的三相脉宽调制开关波形，用于驱动所述整流器中的六个开关器件Q1至Q6。

具体实施时，还可第(a)步中，根据与所述整流器连接的电网三相相电压(Usa、Usb、Usc)进行求模计算，求出相应的电压模长(vd)，再将第一电压微调量(V41)与电压模长(vd)相加，生成第四微电压调量(V44)；此时，将根据第二、第三、第四电压微调量(V42、V43、V44)，以及所述跟踪角度(angle)，生成由旋转坐标系变换到静止坐标系的三相脉宽调制开关波形，用于驱动整流器中的六个开关器件Q1至Q6。

通过上述脉宽调制模式，在电流检测硬件电路微小零点漂移的作用下，三相开关函数一个开关周期的平均值之和的绝对值|Sa*+Sb*+Sc*|(即发波的零序分量的绝对值)将缓慢逐渐增大，从而引起整流器零线与电网零线之间的电压差的绝对值|U_N|也缓慢逐渐增大。

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的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。也就是说，当整流器零线与电网零线之间发生断线故障时，两者之间的电压差绝对值|U_N|会缓慢逐渐增大。本发明的检测方法正是基于这一基础来实现的。

如图4所示，其中用传感器41、42、43来检测电网各相电压Usa、Usb、Usc与U_N之间的电压差VC1、VC2、VC3，即：

VC1＝Usa-U_N

VC2＝Usb-U_N

VC3＝Usc-U_N

将三者相加，有：

VC1+VC2+VC3＝(U_sa+U_sb+U_sc)-3U_N

如果同时检测了全部三相相电压与整流器零线电压(U_N)之间的电压差，由于Usa、Usb、Usc之和近似为0，所以电压差之和(VC1+VC2+VC3)与U_N成正比；所以只要判断检测所得的各个电压差之和的绝对值是否大于第三预定常数H3，如果|VC1+VC2+VC3|＞H3，即可判断为已发生了断线故障。具体实施时，根据负载允许的电压偏移情况(典型值50V～60V)、直流母线电压值Ud(因为Ud与U_N成正比，典型值直流800V)，常数H3的大小可在0-90V之间。

如果检测了其中两相相电压与整流器零线电压(U_N)之间的电压差，例如VC1和VC2，则有：

VC1+VC2＝Usa+Usb-2U_N

此时可分别对这两个电压差在一段预定时间(例如大于一个市电周期)内的滤波值之和进行判断。虽然市电Usa和Usb为幅值很大的交流电压，但其在几个市电周期内的滤波值为0，另外U_N的数值变化很慢，在市电周期下可以近似认为是一个常数；所以VC1、VC2在一段预定时间(例如大于一个市电周期)内的滤波值之和与U_N成近似正比。所以判断检测所得的各个电压差在一段预定时间内滤波值之和的绝对值是否大于第二预定常数H2，如果：

|filter(VC1)+filter(VC2)|＞H2，即可判断为已发生了断线故障(其中filter()代表对括号内的数值在一段预定的时间内进行滤波运算)。具体实施时，根据负载允许的电压偏移情况(典型值50V～60V)、直流母线电压值Ud(因为Ud与U_N成正比，典型值直流800V)，常数H2的大小可在0-60V之间。

如果只检测了其中任一相相电压与整流器零线电压(U_N)之间的电压差，例如VC1＝Usa-U_N，此时可用此电压差(VC1)在一段预定时间(例如大于一个市电周期)内的滤波值进行判断。虽然市电Usa为幅值很大的交流电压，但其在多个市电周期内的平均值为0，另外U_N的数值变化很慢，在多个市电周期下可以近似认为是一个常数；所以VC1在一段预定时间(例如多个周期)内的滤波值与U_N成正比。所以只要判断检测所得的电压差VC1在一段预定时间的滤波值的绝对值是否大于第一预定常数H1，如果：

|filter(VC1)|＞H1，即可判断为已发生了断线故障。具体实施时，根据负载允许的电压偏移情况(典型值50V～60V)和直流母线电压值Ud(因为Ud与U_N成正比，典型值直流800V)，常数H1的大小可在0-30V之间。

可见，本发明中，具体可以只检测VC1、VC2、VC3中的任一个、任两个、或全部三个。都可在无变压器UPS的整流器零线与电网零线发生断开故障时，及时检测出此故障。

Claims

1、一种检测不间断电源的整流器零线与电网零线之间的断线故障的方法，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，在所述第(3)步中，根据不间断电源的电气特性确定所述预定常数(H)。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据在第(1)步中检测的相数、整流器的直流母线电压、以及所述不间断电源所针对的负载对整流器零线与电网零线之间压差的容忍程度来确定所述预定常数(H)。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

在所述第(1)步中，只检测出其中一相输入电源相线与不间断电源的整流器零线之间的电压差；

在所述第(2)步中，求出对应的一个电压差滤波值；

在所述第(3)步中，判断该电压差滤波值的绝对值是否大于第一预定常数(H1)，如果是则认为已发生了断线故障。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果，整流器直流母线电压为800V，则所述第一预定常数(H1)为0-30V。

6、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

在所述第(1)步中，只检测出其中两相输入电源相线与不间断电源的整流器零线之间的电压差；

在所述第(2)步中，求出对应的两个电压差滤波值；

在所述第(3)步中，判断所述两个电压差滤波值之和的绝对值是否大于第二预定常数(H2)，如果是则认为已发生了断线故障。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，如果整流器直流母线电压为800V，则所述第二预定常数(H2)为0-60V。

8、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

在所述第(1)步中，同时检测出三相输入电源相线与不间断电源的整流器零线之间的电压差；

在所述第(2)步中，求出对应的三个电压差滤波值；

在所述第(3)步中，判断所述三个电压差滤波值之和的绝对值是否大于第三预定常数(H3)，如果是则认为已发生了断线故障。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，如果整流器直流母线电压为800V，则所述第三预定常数(H3)为0-90V。

10、根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述不间断电源的整流器中，采用当整流器零线与电网零线之间发生断线故障时，两者之间的电压差会逐渐增大的控制模式来对整流器进行控制。