CN2591840Y

CN2591840Y - 总线控制的并联不间断电源

Info

Publication number: CN2591840Y
Application number: CN 02284888
Authority: CN
Inventors: 周志文; 康勇; 陈息坤; 段善旭; 李民英
Original assignee: ZHICHENG-GUANJUN ELECTRONIC INDUSTRY Co LTD GUANGDONG
Current assignee: ZHICHENG-GUANJUN ELECTRONIC INDUSTRY Co LTD GUANGDONG
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2003-12-10
Anticipated expiration: 2012-10-31

Abstract

总线控制的并联不间断电源(UPS)，涉及电源供应设备技术领域。其技术方案为：UPS并联控制模块置于UPS内；UPS并联控制系统置于UPS内与UPS的控制板相连接，并通过数据总线相互连接。本实用新型实现了N+1冗余并联运行；使各台UPS共同对负载供电，且实现所有并联运行的UPS平均分担负载，满足并联运行的技术要求。本实用新型具有很高的实时数据处理能力，可以保证UPS并联控制模块的控制实时性，可靠性等技术参数得以大幅度提高。

Description

总线控制的并联不间断电源

技术领域：

本实用新型涉及电源供应设备技术领域，特指一种利用数据总线传递信号进行并联控制的不间断电源(UPS)。

背景技术：

由于实际的供电电网中存在各种谐波干扰、闪断、浪涌等影响，供电质量较差，而且也不稳定；另外，由于雷击、供电线路的故障、意外事故等因素的存在，也会造成供电的中断；对于普通的家庭而言，这些影响并不会引起严重的后果，但是，对于一些特殊的行业和部门，比如银行系统、证券公司、电信部门、铁路及民航的信号系统、计算机网络系统、大型数据处理及交换中心、国防等行业和部门，难以设想一旦供电系统中断或供电系统因供电质量不良引起干扰，将会产生什么样的后果，造成大多的损失；随着时代的进步和社会的发展，国民经济各部门、各领域的用电单位对供电系统的供电质量要求越来越高，然而绝大部分的要求是市电电网供电系统所难以满足的，不间断电源(UPS-Uninterruptible Power Supply)顺应社会的需求随之产生；但是，作为单一的一台电力电子设备，其工作的可靠性不可能是绝对的，总有其出现故障的时候，其工作寿命期的故障率不可能达到零；一旦UPS损坏，仍然会造成负载供电的中断；为了进一步提高对负载供电的可靠性，同时亦可以扩大供电容量，国内外都在努力研究UPS的并联运行控制技术，到目前为止，并联控制技术经历了从集中控制、主从控制等阶段向分散逻辑、无互联线控制的高级阶段的发展，早期的集中控制方式采用集中的并联柜，此种方式其瞬间过载适应能力强，且可分期扩容；但是，其控制技术较为复杂，一旦集中控制系统电路出现故障，整个UPS电源系统的供电将会中断，其整个UPS电源并联控制系统的平均无故障间隔时间(MTBF)与并机UPS电源的MTBF一样，没有提高UPS电源系统的工作可靠性；主从控制方式采用的是以某一台并机UPS电源为主机，其余的为从机，进行并联控制工作，避免了集中控制器出现故障后，整个系统的崩溃，系统的工作可靠性相对于集中控制方式有所提高，该种控制方式的控制和连接简单；从机在空载下运行，节约用电；但是，从机上升到主机存在切换时间，其从机的负载突变到100％，使得从机将受到大电流冲击，易损坏，主机与从机亦存在长期工作与闲置的问题，致使两台设备老化程度不一；此外，还有一种并机模块并联方式，其除了具有集中控制方式的优点之外，还因没有独立部件，调试简单，可靠性高，但是，随着并机台数的增加，其控制技术复杂，设备的投入较大。

发明内容：

本实用新型的目的在于提供一种兼有上述三种并联方式的优点，且其缺点得以克服的总线控制的并联不间断电源(UPS)；其具有负载均分、无主从机区别、平均无故障间隔时间长、可靠性高等优点。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：UPS并联控制模块置于UPS内；其数字信号处理器DSP分别通过市电检测电路、直流母线电流检测电路、直流母线电压检测电路、输出电流及输出电压检测电路、并机系统通讯接口电路与市电输入、UPS的整流器输出、逆变器输出及其它UPS并联控制模块相连接。

并联控制系统中环流的检测方法为假设在两台UPS之间的环流为I_H，各台UPS的输出电流为I_L1及I_L2，并构造一个与环流方向一致的电流I_HB，通过矢量叠加后两台UPS电源的输出电流即为：I₁”＝I_L1+I_H+I_HB，I₂”＝I_L2+I_H-I_HB；环流补偿电路为检测UPS电源的A相输出交流电流的A相电流检测电路与A相的环流补偿电流进行相量叠加，B相、C相原理相同。

UPS并联控制系统的波形控制接口电路将数字信号处理器DSP发出来的对后级UPS的逆变输出进行控制的信号进行电平匹配；

相位控制接口电路将DSP发出的同步信号经电平转换及阻抗匹配后送到后级UPS控制电路中作为UPS锁相的给定信号；

逻辑切换接口电路将DSP发出的控制静态开关按一定的逻辑关系进行切换的信号经电平变换后去驱动静态开关动作，完成相应的逻辑切换控制；

直流母线电流检测电路检测UPS整流器输出直流母线上流过的电流的大小，该直流母线电流经直流霍尔传感器变换，再经电平匹配电路后送到DSP的AD接口；

直流母线电压检测电路将UPS整流器输出的直流母线电压变换后送到DSP的AD接口；

输出电流及输出电压检测电路将UPS的输出电压及输出电流经过交流电压互感器及交流电流互感器隔离后，再经过电平转换，送到DSP的AD接口，作为DSP的控制程序对UPS的输出电压和输出电流进行实时控制的反馈量；

市电检测电路将交流市电经变换后送到DSP中，作为控制UPS电源与市电同步的给定值；

并机系统通讯接口电路将各并联的UPS的工作状态(输出电压幅值、输出电压的频率、输出电压的相位、切换逻辑要求等)送到通讯总线上，并从通讯总线接收其它UPS发出的工作状态信号，作为并联系统进行均流控制、逻辑切换的重要依据；

所有的检测量经AD接口送到DSP后，在DSP内完成对各模拟参数的模拟/数字转换及数字滤波；各模拟量经AD转换后再经优化数字滤波之后拟制噪声的干扰，即从强噪声背景下将有用的信号分离出来，保证检测信号的真实性及有效性；

DSP的主程序根据UPS并联控制系统的通讯接口电路接收到的其他并联运行的UPS发出的切换逻辑要求，并根据当前本机的运行状况进行相应的逻辑分析和判断，控制所有的并联运行的UPS的静态开关，同时切换到旁路运行状态、或同时切换到逆变器运行状态，完成并机系统的逻辑切换控制；

DSP的控制程序根据UPS并联控制系统的通讯接口电路接收到的其他并联运行的UPS发出的输出电压幅值、输出电压的频率、输出电压相位的数据，并根据本机AD接口电路接收到的本机的输出电压幅值、输出电压的频率、输出电压相位的数据，经过采样及处理后，调用输出电压幅值控制算法程序、输出电压的频率控制算法程序、输出电压的相位控制算法程序，对UPS输出电压的相位、频率、幅值等参量进行实时控制，使各台并联运行的UPS发出相同的输出电压幅值、相同的输出电压的频率、相同的输出电压相位。

本实用新型由于在进行并机的逻辑切换的过程中，没有主机或从机之分，因此任意一台处于并联运行切处于负载状态的UPS2可以从并联运行的UPS中退出，或者任意一台处于空载状态的(或者新启动的)UPS可以并入已经有N台正在并联运行的UPS并联运行系统中，实现N+1台UPS的并联运行；也就是实现N+1冗余并联运行；使各台UPS共同对负载供电，且实现所有并联运行的UPS平均分担负载，满足并联运行的技术要求。

本实用新型采用对输出电压及输出电流同时进行调节的双环均流控制方法，提高了并联的UPS的动态响应速度和动态稳定性；UPS并机控制模块采用高速数字信号处理器DSP作为主控单元，再辅以必要的外围硬件电路实现，使得其具有很高的实时数据处理能力，由于DSP的每条指令周期只有20ns，可以对各种数据进行实时处理，从而保证了UPS并联控制模块的控制实时性；此外还具有下列优点：1、可靠性大幅度提高，适用于严重电磁干扰的环境中；2、可以组成更大容量的高质量交流电源；3、可以组成冗余系统以提高系统可靠性；4、可以灵活地对其的容量进行配置，便于扩容；5、具有很好的

可维护性，单台UPS可以短时推出运行，保证带电维护；6、各台单机能够自动实现均流；7、各台UPS的输出谐波分量可以相互补偿，提高了输出电压的质量。

附图说明：

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

附图1为本实用新型结构示意图；

附图2为本实用新型UPS并联控制模块1方框图；

附图3为数字处理器DSP电路图；

附图4为波形控制接口电路图；

附图5为相位控制接口电路图；

附图6为逻辑切换控制电路图；

附图7为并机状态指示电路图；

附图8为输出电流/输出电压检测电路图；

附图9为直流母线电流检测电路图；

附图10为直流母线电压检测电路图；

附图11为并机系统通讯接口电路图；

附图12为输出逻辑切换检测电路图；

附图13为市电检测电路图；

附图14为本实用新型主程序流程图；

附图15为本实用新型控制程序流程图；

附图16为本实用新型两台UPS逆变器22并联时的简化原理图；

附图17为本实用新型两台UPS并联时的逆变器22输出电流矢量图；

附图18为本实用新型两台UPS并联时的逆变器22输出电流波形图；

附图19为本实用新型两台UPS并联时输出电压调节的硬件实施框图。

具体实施方式：

见附图1～15，本实用新型UPS并联控制模块1置于UPS2内，其数字信号处理器DSP分别通过市电检测电路、直流母线电流检测电路、直流母线电压检测电路、输出电流及输出电压检测电路、并机系统通讯接口电路与市电输入、UPS的整流器21输出、逆变器22输出及其它UPS并联控制模块1相连接；UPS并联控制模块1包括作为核心的数字信号处理器DSP以及外围功能单元电路的波形控制接口电路、相位控制接口电路、逻辑切换控制电路、并机状态批示电路、直流母线电流检测电路、直流母线电压检测电路、输出电流及输出电压检测电路、市电检测电路、并机系统通讯接口电路、输出逻辑切换检测电路。

UPS并联控制模块1的波形控制接口电路的功能是将数字信号处理器DSP发出来的对后级UPS2的逆变输出进行控制的信号进行电平匹配，使其符合一定的精度和幅值要求，其输入端接数字处理器DSP的107脚。

相位控制接口电路的功能是将DSP发出的同步信号经电平转换及阻抗匹配后送到后级UPS2控制电路中作为UPS2锁相的给定信号，其输入端接数字处理器DSP的94脚。

逻辑切换控制电路的功能是将DSP发出的控制静态开关23按一定的逻辑关系进行切换的信号经电平变换后去驱动静态开关23动作，完成相应的逻辑切换控制，其输入端接数字处理器DSP的48脚。

直流母线电流检测电路的功能是检测UPS整流器输出直流母线上流过的电流的大小，该直流母线电流经直流霍尔传感器变换，再经电平匹配电路后送到DSP的AD接口，其输出端接数字处理器DSP的89脚。

直流母线电压检测电路的功能是将UPS2整流器21输出的直流母线电压变换后送到DSP的AD接口，其输出端接数字处理器DSP的76脚。

输出电流及输出电压检测电路的功能是将UPS2的输出电压及输出电流经过交流电压互感器及交流电流互感器隔离后，再经过电平转换，送到UPS的AD接口，作为DSP的控制程序对UPS的输出电压和输出电流进行实时控制的反馈量，其输出脚接数字处理器DSP的74脚。

市电检测电路的功能是将交流市电经变换后送到DSP中，作为控制UPS2电源与市电同步的给定值，其输出脚接数字处理器DSP的88脚。

并机系统通讯接口电路的功能是将各并联的UPS2的工作状态(输出电压幅值、输出电压的频率、输出电压的相位、切换逻辑要求等)送到通讯总线上，并从通讯总线接收其它UPS2发出的工作状态信号，作为并联系统进行均流控制、逻辑切换的重要依据，其输出脚分别接数字处理器的68、69、70、64、54、55、43脚。

所有的检测量经AD接口送到DSP后，在DSP内完成对各模拟参数的模拟/数字转换及数字滤波；各模拟量经AD转换后再经优化数字滤波之后拟制噪声的干扰，即从强噪声背景下将有用的信号分离出来，保证检测信号的真实性及有效性。

DSP的主程序根据UPS并联控制模块1的通讯接口电路接收到的其他并联运行的UPS2发出的切换逻辑要求，并根据当前本机的运行状况进行相应的逻辑分析和判断，控制所有的并联运行的UPS的静态开关23，同时切换到旁路运行状态、或同时切换到逆变运行状态，完成并机系统的逻辑切换控制；其流程如说明书附图14所示，程序启动后对各I/O接口、通讯接口、A/D转换接口、复用接口、页地址初始化，接着检测本机逆变器(INV)是否供电，如没有则继续检测；如有供电，则检测其它UPS的INV是否供电，如返回否信号则转接旁路启动，此后，如返回是信号则检测各INV、SYN是否准备就绪，如否则发出旁路请求，如是则开旁路、逆变静态开关，然后发送本机INV供电信号，检测INV是否处于OFF状态，如否则继续检测，如是则关INV-SVR，清除INV供电信号，接着发出旁路请求，如所有UPS都发出旁路请求则切换到旁路，如否，则继续等待，当所有UPS都切换到旁路状态后返回到程序开始状态。

DSP的控制程序根据UPS并联控制模块1的通讯接口电路接收到的其他并联运行的UPS2发出的输出电压幅值、输出电压的频率、输出电压相位的数据，并根据本机AD接口电路接收到的本机的输出电压幅值、输出电压的频率、输出电压相位的数据，经过采样及处理后，调用输出电压幅值控制算法程序、输出电压的频率控制算法程序、输出电压的相位控制算法程序，对UPS2输出电压的相位、频率、幅值等参量进行实时控制，使各台并联运行的UPS发出相同的输出电压幅值、相同的输出电压的频率、相同的输出电压相位，该程序流程如说明书附图4所示，程序启动后初始化转内存单元，然后开放直流采样通道，进行采用并对采样信号进行处理、存储，接着开放输出电流采样通道，进行采用并对采样信号进行处理、存储，再开放直流电压采样通道，进行采用并对采样信号进行处理、存储，最后，开放通讯通道，与其它计算并机系统交换数据，并进行数据分析处理，接着依次启动调逆变器输出电压控制算法程序、调同步控制算法程序、调相位控制算法程序，执行完成后返回。

在两台UPS2的并机过程中，需要保证两UPS2的输出电压不仅要一致，而且幅值也要一致，否则，在两台UPS2之间回存在有功与无功环流；对于有功环流主要是由相位或频率差异引起，而无功环流则主要由电压的幅值差异引起；如要调节无功环流，则需调节电压的幅值；无功的大小通常是通过对逆变器22的输出电流平均值检测来确定；但是，如仅仅检测其大小，而不对其防线加以区分，则很难实现无功的均分，对无功环流不能达到抑制的作用；如附图16所示，为两台UPS2的逆变器22并联时的简化原理图，当两台UPS2的输出电压幅值不相等，如V1＞V2(假设它们的相位一致)，则电路中会有无功环流

从一UPS2流向另一UPS2，而且，

滞后V₁90度，由此图可知：两UPS2的输出电流检测值分别为：

其矢量关系如附图17所示，从图可知，由于的存在，使得

的相位不一致，但二者的幅值完全一致，如果此时仅仅检测电流的大小，是无法达到无功均分的；为了解决此问题，实现无功均分，可以采用如下的方法：如附图18所示，先假设v1＞v2，将逆变器的输出检测电压v向后移位90度，再乘上一比例系数，得到一人为制造的电流I_HB，再将其分别叠加在两台UPS的输出检测电流i1和i2上(I₁”＝I_L1+I_H+I_HB，I₂”＝I_L2+I_H-I_HB)，从而得到新的检测电流，依照此新的电流进行对v1、v2的调节，实现该调节方法的硬件可以参照附图19所示意的框图实现。

DSP的型号为：320F240

Claims

1、总线控制的并联不间断电源，其特征在于：不间断电源的并联控制模块置于不间断电源内，其数字信号处理器DSP分别通过市电检测电路、直流母线电流检测电路、直流母线电压检测电路、输出电流及输出电压检测电路，并机系统通讯接口电路与市电输入、UPS的整流器输出、逆变器输出及其它不间断电源的并联控制模块相连接。

2.椐据权利要求1所述的总线控制的并联不间断电源，其特征在于：所述并联控制模块，包括作为核心的数字信号处理器DSP以及外围功能单元电路的波形控制接口电路、相位控制接口电路、逻辑切换控制电路、并机状态指示电路、直流母线电流检测电路、直流母线电压检测电路、输出电流及输出电压检测电路、市电检测电路、并机系统通讯接口电路、输出逻辑切换检测电路。

3.根据权利要求1所述的总线控制的并联不间断电源，其特征在于：并联控制系统中环流的检测方法为假设在两台不间断电源之间的环流为I_H，各台不间断电源的输出电流为I_L1及I_L2，并构成一个与环流方向一致的电流I_HB，通过矢量叠加后两台不间断电源的输出电流即为：I₁”＝I_L1+I_H+I_HB，I₂”＝I_L2+I_H-I_HB。

4、根据权利要求2所述的总线控制的并联不间断电源，其特征在于：环流补偿电路为检测不间断电源的A相输出交流电流的A相电流检测电路与A相的环流补偿电流进行相量叠加，B相、C相原理相同。