TWI296167B - - Google Patents

Description

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【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)

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。

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   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

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   (二）、本代表圖之元件代表符號簡單說明：