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Description
1296167
【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種無線並聯控制方法及系統,尤指一 種利用交流輸出並聯的不斷電電源模組或變頻器其本身內 阻特性配合平移電流法模擬輸出電感,以解決串聯電感所 衍生體積、重量問題的無線並聯控制方法。 【先前技術】 隨著經濟和科學的發展,人們對電力電源可靠性的要 求越來越高。尤其是在當今的經濟資訊比較發達的時代, 電子電腦等各種數位設備,一旦斷電都可能造成大量的資 料流失,導致嚴重的經濟損失。 有鑒於此,不斷電電源設備即應運而生。然而,隨著 負載設備演進,規格差異越來越大,當負載需要擴增時, 原本的不斷電電源能力可能不足,或隨著可靠度的要求越 來越高,將不斷電電源系統設計成模組化,具有並聯且冗 餘的需求也是必然的趨勢。 目前可以實現的模組化不斷電電源系統的控制方式不 外乎有線模式與無線模式,其中採取有線並聯控制者係如 美國第5,257,180號「具環流限制的交流輸出變頻器之並聯 操作控制系統」發明專利案。又採用無線並聯控制者,如 美國第5,745,356號「並聯交流電源系統之獨立負載分配」 、第6,1 18,680號「在一個交流電源供應器中並聯之變頻器 ,其負載分配之方法及設備」、第6,356,471號「並聯電力 1296167 內阻,且在不太大的情況下可以得到不斷電電源模組的 輸出功率運算式:
K-K Ρ〇ι^—τ;—smA (1) A Si (2) 由以上運算式可以得到,有功功率與刁和K的相位夾 角4近似成正比,即有功功率反應了相位差的大小,無功功 率與Ε近似成正比,即無功功率反應了輸出電壓差的高低 並可同時定義出兩條關於(有功一頻率),和2-^ (無功一電壓)的下降曲線(如第二圖所示)。 ω = ω0-k(0 *P (3) V = V0-kv^Q (4) %可隨情況設爲50Hz或60Hz ; r。可隨情況設爲120Vac 或 230Vac 等。 根據式(1)〜(4),即可利用功率/斜率方法實現無線並 聯。每一個不斷電電源模組輸出電壓的相位和幅値’和並 聯後合成的輸出電壓的相位和幅値的關係,請參閱第三圖 所示: 刁表示不斷電電源模組i的變頻器的等效輸出電壓’巧 不斷電電源模組並聯合成的輸出電壓。如果E保持恆定’ 當G頻率增大,相角差A亦增大,則根據式(1)可知,不斷 電電源模組i輸出的有功功率增大。又根據式(”和7"·^的 1296167 關係,有功功率的增加又導致匕·頻率的降低,相角差心又 將隨之減小。如果E頻率減小’亦將有相同的結果。最終 導致刁和E有著相同的頻率和固定的相位差,因而確保並 聯不斷電電源模組之間的相位和頻率關係。 類似前述的分析方法,如果R保持恆定,當K輸出電 壓增大時,根據式(2)不斷電電源模組,i輸出的無功將增大 :又根據式(4)2-^的關係’可以得到輸出電壓的幅値又將 經調節而變小。此一相互制約的負回饋關係確保了刁和ζ 之間幅値上的相對恆定。 由以上的分析可以知道,利用功率/斜率下降法可以 實現無線並聯控制,但前提在於不斷電電源模組必須在輸 出端串聯一個很大的電感,而電感主要由繞組構成,其串 聯在不斷電電源模組的輸出端上,無疑將使得不斷電電源 模組的體積變大、重量增加,且動態性能變差。而且帶載 後,因爲電感存在內阻,使輸出調整精度變差。至此,無 線並聯控制功能與模組體積、重量及調整精度之特性形成 互斥,如何兼顧,顯然有待進一步謀求可行的解決方案。 【發明內容】 因此,本發明主要目的在提供一種可解決串聯電感所 衍生體積、重量問題的無線並聯控制方法。其可直接針對 有功和無功加以直接而有效的控制,同時,因爲不需採用 微分或積分鎖相,所以不受高頻諧波的影響,也不需實際 加上一個電感。藉此,可以省去笨重而昂貴的輸出電感, 1296167 卻依然符合功率斜率下降法(Droop Method)的特性。 爲達成前述目的採取的主要技術手段係先對不斷電電 源模組採樣取得輸出電流,然後將輸出電流平移一定的相 角,接著利用平移相角後的電流與輸出電壓求得虛擬的有 功和無功功率差値,再根據Ρ-β的關係調節輸出頻率,根據 2-Γ的關係調節輸出電壓,以達無線並聯之目的。 本發明次一目的在提供一種無線並聯控制系統。 前述無線並聯控制系統係由至少一不斷電電源模組並 聯組成,每一不斷電電源模組的交流輸出部分係透過一電 源分配器(POD, Power Output Distribution)以相互並聯, 藉以對負載供電;其中:每一不斷電電源模組分別包括有 一變頻器; 一 PWM驅動電路,用以驅動前述變頻器; 一電感電流檢測器,係位於前述變頻器所包含電感電 流流經的路徑上; 一輸出電壓檢測器,係位於前述變頻器的輸出端上; 一負載電流檢測器,係位於前述變頻器的輸出端上; 一控制單元,係連接前述PWM驅動電路、電感電流檢 測器、輸出電壓檢測器及負載電流檢測器組成;其中: 該控制單元係用以執行平移電流法,使不斷電電源模 組進行無線並聯。 該控制單元係先對不斷電電源模組採樣取得輸出電流 ,然後將其平移一定的角度,又利用平移相角後的電流與 1296167 輸出電壓求得虛擬的有功和無功功率差値,再根據的關 係調節輸出頻率,根據的關係調節輸出電壓。 該控制單元係由一數位信號處理器(DSP)以軟體構成。 本發明次一目的在提供一種與有線並聯模式切換運作 的無線並聯控制方法與系統。 爲達成前述目的係令前述並聯系統中各不斷電電源模 組在有線並聯模式下,係以一組線路相互連接,該組線路 包括有一分流線路、一同步時序信號線及一通信線; 在有線並聯控制模式下,各不斷電電源模組係透過前 述信號線組取得其他不斷電電源模組之訊息,以運算後進 行有線並聯控制;如切換至無線並聯控制模式時,則前述 信號線組均不工作。 前述分流線路係用以連接各不斷電電源模組之負載電 流檢測器。 【實施方式】 如第四圖所示,揭露有一不斷電電源模組並聯系統的 系統接線示意圖,其由不特定數目的不斷電電源模組(1 0) (101)〜(10N)並聯組成,每一不斷電電源 模組(1 0 ) ( 1 0 1 )〜(1 0 N )的交流輸出部分, 若是並聯功率較大,令其輸出透過一電源分配器(2 0 ) (POD,Power Output Distribution)並聯在一起後爲負載供 電。若是並聯的不斷電電源模組功率較小,可經由配線相 互聯接,共同對負載提供能量。必須聲明的是:本發明除 1296167 應用在前述不斷電電源模組並聯系統外,亦適用於以變頻 器交流輸出並聯的電源系統。 又,前述第四圖所示的不斷電電源模組(1 0 )( 1 0 1 )〜(1 Ο N )係單相輸入、單相輸出,但同樣適用 三相輸入單相輸出系統,不同處只在於輸入增加兩相(S 相、T相),變頻器部分沒有改變,鎖相以及旁路均以R 相爲準。 又如第五圖所示,係前述各不斷電電源模組(1 0 ) (1 0 1 )〜(1 Ο N )的功能方塊圖(圖中僅以其中一 不斷電電源模組(1 0 )爲例說明),主要構造包括有一 變頻器(1 1 )、驅動變頻器(1 1 )的PWM驅動電路( 1 2 )、位於變頻器(1 1 )內的電感電流檢測器(1 3 )、以及位於變頻器(1 1 )輸出端上的輸出電壓檢測器 (1 4 )、負載電流檢測器(1 5 )等與一控制單元(3 0);其中: 又控制單元(3 0 )可由一數位信號處理器(DSP)以軟 體達成之。 在前述系統實施例中,各不斷電電源模組(1 〇 )除 功率線(Ο/P)外,其彼此間並無其他的信號連結,在此架構 下,各不斷電電源模組(1 0 )間可透過無線模式執行並 聯控制。然而,該無線並聯控制模式依然可運用於有線的 電源並聯系統,其系統係除上述基本架構外,令各不斷電 電源模組(1 0 ) ( 1 〇 1 )〜(1 〇 N )間進一步透過 下列各組信號線完成所有信號的交流(請參閱第六圖所示 1296167 ),以供進行有線並聯之控制模式,其包括: 一分流線(2 1 ) ( Load Share Current ),負責各並 聯模組輸出負載電流資訊的交換,其上的電壓値即表示並 聯各不斷電電源模組(10) (10 1)〜(10N)輸 出電流的平均値。 * 一同步時序信號線(2 2 ) ( Synchronizing Clock ·
Signal),其負責令所有並聯的不斷電電源模組(10)( 1 0 1 )〜(1 0 N )相位同步。 | 一通信線(2 3 ) (Communication Line),供各並聯 的不斷電電源模組(10) (10 1)〜(10N)交換 資訊,是實現即時監控系統運行狀態功能所必需的部分。 在前述基本架構下,各不斷電電源模組(1 0 )( 1 01)〜(10N)係透過分流線(21)、同步時序信 號線(2 2 )與通信線(2 3 )相互連接,交換訊息,而 在有線並聯控制模式下工作; 又請參閱參閱第七圖所示,係不斷電電源模組(1 〇 _ )(1 0 1 )〜(1 0 N )在有線並聯模式下的功能方塊 圖,除仍具備變頻器(1 1 )、PWM驅動電路(1 2 )、 電感電流檢測器(1 3 )、輸出電壓檢測器(1 4 )、負 載電流檢測器(1 5 )、控制單元(3 0 )等主要組成元 件外,該負載電流檢測器(1 5 )是透過一分流線路(1 6 )及前述分流線(2 1 )與其他不斷電電源模組(1 〇 1 )〜(1 0 N )連接,並根據分流線路(1 6 )取得的 電流信號進行運算,以作爲並聯控制之依據。 11 1296167 又,平移相角所得到的電流與輸出電壓計算有功和無 功功率數値,並不是實際的有功和無功,因此,本實施例 中係以VP,VQ ( Virtual P、Q)表示利用平移電流法計算的 功率。 如第八圖所示,爲不斷電電源模組輸出端不串接電感 時的並聯模型,不斷電電源模組i的等效理想電壓源E與 總輸出電壓€夾角爲4,而不斷電電源模組之內阻則以石表 示0 爲方便進一步說明,特列出下文需用到的字母符號及 其意義: ϊΓ = |^|ζ〇—並聯電壓,並以其相角爲基準〇度; S -總輸出功率; h =/£ 對應於S的總負載電流,其與f夾角 爲0 , 刁-第i個不斷電電源模組的等效輸出電壓; 4 -第i個不斷電電源模組的輸出電流; 4-第i個不斷電電源模組ζ與孑的夾角; % -第i個不斷電電源模組所包含環流向量的相位角; € -第i個不斷電電源模組本身的內阻ζ的相位角 义(〇-第i個不斷電電源模組暫態輸出功率 假設η個不斷電電源模組並聯運行,總負載爲$,總 負載電流爲A ’可知心+/12 +··· + /& =/ζ,若系統均流,則有 1296167 ΪΓ « i。系統中第i個不斷電電源模組的輸出電流爲 η L = L (C()S(9, + ysin^·) ’在環流不太大的情祝下,G可進一步近 似地分解爲均流的負載電流與流經該模組的環流之和: hi =|/L/|(c〇s^+ysin^) = h η (cos^. +78111^.)+ AILi^(c〇sai + ysin^.) (5) 因此,第i個不斷電電源模組暫態輸出功率値爲 S 人tXt、+ jQ 人ή .卜|(C〇S0十办㈣) κ
Vl —-(cos^. + 7 sin ^.)+ Δ/ζ/1(008^. + ysina,.) (6) h ——[cos Λ + ysin^]+ VQ Δ/£/ [cosa,. + 7 sin a,.] n 丨 其中,由環流所造成的有功、無功如下
AIT cos a, Δβ
K ΑΙ
Li sin a: ⑺ (8) 同時,環流Δζ可以看成是第i個不斷電電源模組等效 輸出電壓與總輸出電壓之差且因內阻所造成之電流,其表 示式如下= AILi = AILi (cosa. + ysinaj —刁―Ε」^〇〇4+χ·]—Κ| (9) Z〇i |z〇.|(cos^+7sin^.) 此時若令輸出電流在運算時延時一個Θ角度,則環流亦 會一倂滯後一個々角,故可令第(9)式進一步近似如下: 1296167 Δ/
Li 7〇i-V〇 [cosk - W+ysink -々)] 。啦的书卜吨 + 的]+一卜♦ \ν〇^\η{ξ^β)] J oi ΖΛ (10) 由上式,可以利用々角補償A角,使得04)約爲I,則 可以使得由平移相角後虛擬的環流所計算出的有功/無功 差値△”/ △%·亦可符合如同(1)(2)式的線性關係如下: Δ^. = V0dTLi cosfe -β) ...... > V〇 • ί V0i sin^,. (11) = V0 Μ
Li v〇 V〇i c〇s^. - V0 (12) 由以上描述可以得到,利用已知不斷電電源模組本身 內阻的相角A,確定平移補償的户角,使得β + 約爲三,得 2 到(11)(12)式,以模擬輸出串聯電感的特性,而援用下降法 得到與輸出頻率、輸出電壓幅値近似線性的關係式。 由(11)(12)式可以得到修正後的下降法如下: ωΧή = ω0 *νΡΧή = ω0 * VQ ILi cos(^. -β) /7 n cos(^. -β) + △/
Li
COS (13) h n cos(〇i - β) 'K*V0 AILi cosfe ^β) -k^AVP, 15 1296167 <表示帶載狀態下穩態的輸出頻率。 ν.(ή=ν0-^*νρί(ή = ω0-^*Κ ^ sinfe-^) V〇-kv sin(0i Κ n sin^ - β) w V;-kv^AVQi
II κ n •sm砍-々) K sin^. - β) (14) <表示帶載狀態下穩態的輸出電壓。 如上所述,在(13)式中,當Δβ大於零時,表示不斷電 電源模組提供了較預期多的功率,故調整頻率,使之下降 ,趨近於 反之,當ΑΚ小於零時,表示不斷電電源模組 提供了較預期少的功率,故調整頻率,使之上升,趨近於 <。(14)式中輸出幅値與無功的調整亦近似於(13)式。 在具體技術手段方面,如前揭所述,第五圖揭示該無 線並聯控制下,各不斷電電源模組(1 0 ) ( 1 0 1 )〜 (1 Ο Ν )的功能方塊圖(圖中僅以其中一不斷電電源模 組(1 0 )爲例說明),主要構造包括有一變頻器(1 1 )、驅動變頻器(1 1 )的PWM驅動電路(1 2 )、位於 變頻器(1 1 )輸出端上的電感電流檢測器(1 3 )、輸 出電壓檢測器(1 4 )、負載電流檢測器(1 5 )等與一 控制單元(3 0 );其中: 該控制單元(3 0 )仍透過一數位信號處理器(DSP)以 軟體達成之,其用以執行前述的平移電流法以實現無線並 聯,其具體的控制流程請配合參閱第九圖所示,其首先對 1296167 體界定之。 【圖式簡單說明】 (一) 圖式部分: 第一圖:係一串接輸出電感之並聯系統等效方塊圖。 ^ 第二圖:係功率斜率下降關係之示意圖。 ’ 第三圖:係功率斜率下降法之向量圖。 第四圖:係本發明在無線控制下之並聯系統接線示意圖。 φ 第五圖:係本發明無線控制並聯系統中不斷電電源模組之控制 方塊圖。 第六圖:係本發明在有線控制下之並聯系統接線示意圖。 第七圖:係本發明有線控制並聯系統中不斷電電源模組之控制 方塊圖。 第八圖:係一無串接輸出電感之並聯系統等效方塊圖。 第九圖:係平移電流法之控制方塊圖。 • (二) 元件代表符號: (10) (10 1)〜(10N)不斷電電源模組 (1 1 )變頻器 (1 2 ) PWM驅動電路 (1 3 )電感電流檢測器(1 4 )輸出電壓檢測器 (1 5 )負載電流檢測器(1 6 )分流線路 (2 0 )電源分配器 (2 1 )分流線 (2 2)同步時序信號線 (2 3 )通信線 (3 0)控制單元 18
Claims (1)
- 替換頁 丨’年96·1!23日 拾,:申請缘利範爵1 · 一種無線並聯控制方法,係運用於以至少一不斷 電電源模組或至少一變頻器的交流輸出並聯連接到匯流排 (BUS)而對負載提供能量的並聯電源系統;其方法爲: 採用功率斜率下降法(Droop Method),以利用模擬 的P- ω與Q — V斜率下降曲線來實現自動鎖相與均流; 利用不斷電電源模組或變頻器內阻特性配合平移電流 法模擬於輸出端串接電感之效果,以滿足功率斜率下降法 中要求的串聯輸出電感。 2 ·如申請專利範圍第1項所述的方法,該平移電流 法至少包括下列步驟: 取樣並聯的輸出電壓和本機的負載電流; 將取樣得到的本機負載電流落後一個相位,得到平移 相位後的電流; 利用平移相位後的電流與電壓以計算虛擬的功率,並 將有功、虛功部分分離; 按Ρ-ω與Q-V斜率下降曲線調整輸出頻率和電壓。 3 ·如申請專利範圍第2項所述的方法,該平移電流 法係由軟體實現。 4 ·如申請專利範圍第2項所述的方法,該平移電流 法係由硬體電路實現。 5 ·如申請專利範圍第1項所述的方法,該方法適用 於並聯交流電源系統與市電並聯的狀況,而且在與市電並 19 1296167 -96. m 2 3 ; 聯時,負義大部芬係由市電負擔 6 ·如申請專利範圍第1項所述的方法,該方法係運 用於多個不斷電電源模組以變頻器交流輸出並聯的應用當 中。 7 · —種交流輸出並聯電源系統,其包含至少一不斷 電電源模組或至少一變頻器的交流輸出並聯連接到匯流排 (BUS),而對負載提供能量,每一不斷電電源模組分別包括 有一變頻器、一用以驅動前述變頻器PWM驅動電路、位於 前述變頻器內的一電感電流檢測器、變頻器輸出端上的一 輸出電壓檢測器、一負載電流檢測器及連接前述PWM驅動 電路、電感電流檢測器、輸出電壓檢測器及負載電流檢測 器等之控制單元;其中: 該控制單元係採用功率斜率下降法(Droop Method) ,以利用模擬的P—ω與Q—V斜率下降曲線來實現自動鎖 相與均流;又利用不斷電電源模組內阻特性配合平移電流 法模擬在輸出端上串接電感之效果,以滿足功率斜率下降 法中要求的串聯輸出電感。 8 ·如申請專利範圍第7項所述的系統,該控制單元 採用平移電流法的至少包括下列步驟: 取樣並聯的輸出電壓和本機的負載電流; 將取樣得到的本機負載電流落後一個相位,得到平移 相位後的電流; 利用平移相位後的電流與電壓以計算虛擬的功率,並 將有功、虛功部分分離; 20 按Q一 V斜率下降曲線調整輸出頻率和電壓。 9 ·如申請專利範圍第8項所述的系統,該控制單元 係由一數位信號處理器(DSP)構成。 1 〇 ·如申請專利範圍第8項所述的系統,該控制單 元係以軟體實現。 1 1 ·如申請專利範圍第7項所述的系統,各不斷電 電源模組在有線並聯模式下,係以下列線路相互連接: 一同步時序信號線,包含同步時序信號,使得系統中 所有的變頻器的頻率和相位同步; 一分流線,係供各並聯模組交換輸出負載電流資訊; 一通信線,係供各並聯模組交換資訊。 1 2 ·如申請專利範圍第1 1項所述的系統,前述分 流線路係用以連接各不斷電電源模組之負載電流檢測器。 1 3 · —種無線並聯控制系統之不斷電電源模組,其 包括有一變頻器、一用以驅動前述變頻器pwm驅動電路、 位於前述變頻器內的一電感電流檢測器、變頻器輸出端上 的一輸出電壓檢測器、一負載電流檢測器及連接前述PWM 驅動電路、電感電流檢測器、輸出電壓檢測器及負載電流 檢測器等之控制單元;其中: 該控制單元係採用功率斜率下降法(Droop Method) ,以利用模擬的P—ω與Q—V斜率下降曲線來實現自動鎖 相與均流;又利用不斷電電源模組內阻特性配合平移電流 法模擬在輸出端上串接電感之效果,以滿足功率斜率下降 法中要求的串聯輸出電感。 換頁 J 申.請專利範圍第1 3項所述的不斷電電源模 組,該控制單元採用的平移電流法係先採樣取得輸出電流 ,然後對其平移一定的角度,接著利用平移相角後的電流 與輸出電壓求得虛擬的有功和無功功率差値,再根據Pi的 關係調節輸出頻率,根據的關係調節輸出電壓。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項所述的不斷電電源模 組,該控制單元係由一數位信號處理器(DSP)構成。 1 6 ·如申請專利範圍第1 4項所述的不斷電電源模 組,該控制單元係以軟體實現。 1 7 ·如申請專利範圍第1 3項所述的不斷電電源模 組’該不斷電電源模組具有一組線路,該組線路包括有一 同步時序信號線、一分流線及一通信線。r-10、10N第五圖 %年&月4日修^正替換頁1296 ¥ 肆^Fitts'.'.:厂’:…‘. ............州仙价祕点孤抑似公:你/喵、、、· ·A" A w厶:s Λ父㈣V mw入、八,…、、、'W、>Ή^、〇 v ^ 本發明係關於一種無線並聯控制方法及系統,係令至 少一不斷電電源模組或至少一變頻器的交流輸出並聯連接 到匯流排(BUS)而對負載提供能量,其主要係採用功率斜率 下降法(Droop Method),利用模擬的P- ω與Q-V斜率 下降曲線以實現交流輸出並聯電源系統的自動鎖相與均流 ;又利用不斷電電源模組或變頻器內阻特性配合平移電流 法模擬於輸出端串接電感之效果’以滿足功率斜率下降法 中要求的串聯輸出電感’用以解決傳統無線並聯時須在不 斷電電源模組或變頻器輸出端串接一較大電感所衍生體積 龐大、重量增加及動態性能變差等問題。 爾英遍ίι酶:><β:ι(二)、本代表圖之元件代表符號簡單說明:
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
TW92107240A TW200419882A (en) | 2003-03-31 | 2003-03-31 | Wireless parallel control method and system |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
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TW200419882A TW200419882A (en) | 2004-10-01 |
TWI296167B true TWI296167B (zh) | 2008-04-21 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106329575A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-01-11 | 北京鼎汉技术股份有限公司 | 一种数字化控制逆变器无线并联时精确锁相的方法及系统 |
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2003
- 2003-03-31 TW TW92107240A patent/TW200419882A/zh not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN106329575A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-01-11 | 北京鼎汉技术股份有限公司 | 一种数字化控制逆变器无线并联时精确锁相的方法及系统 |
CN106329575B (zh) * | 2016-09-20 | 2019-02-05 | 北京鼎汉技术股份有限公司 | 一种数字化控制逆变器无线并联时精确锁相的方法及系统 |
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TW200419882A (en) | 2004-10-01 |
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