CN101814752B - Ups的控制***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UPS的控制***，对UPS进行双闭环控制，双闭环包括作为内环的电流环和作为外环的电压环，在电流环中，对逆变电流给定值与逆变电流的反馈值取差值，经电流环比例系数的比例调节，获得关于逆变电压的控制量；控制***包括电流环比例系数调整模块，其包括检测单元和系数给定单元，检测单元用于检测UPS是否满足母线过压控制条件，系数给定单元用于在母线过压控制条件满足时，将电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较小的值，在母线过压控制条件不满足时，将电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较大的值。还公开了一种UPS的控制方法。本发明能以较低的成本解决母线过压问题，可靠地增强UPS***带感性负载的能力。

Description

UPS的控制***和方法

技术领域

本发明涉及不间断电源(Uninterruptable Power Supply，UPS)，特别是涉及一种UPS的控制***和方法。

背景技术

目前很多UPS由于本身拓扑结构的限制，带感性负载的能力都不强，比如不能带功率因数较大的感性负载，例如电机等。如图1所示，一般的单进单出的双变换UPS包括整流部分和逆变部分，整流部分采用BOOST变换器，逆变部分采用三电平拓扑。突加感性负载L3时，瞬间将产生很大的电流直流分量，当逆变电压为正，逆变电感L2上流过的逆变电流为负的时候，如图1中虚线箭头的方向所示，逆变电流会通过上主管Q3的体二极管不断地往正母线电容C1充电。因为流过逆变电感L2的电流直流分量较大，由于二极管D3的反向阻流作用，电流无法流过二极管D3，所以灌入正母线电容C1的能量比感性负载L3消耗的能量要大，最后正母线电压会越来越高，在几个工频周期后导致正母线电容C1过压。类似地，当逆变电流反向时，负母线电容C2也会出现过压的情形。

如上所述，如果UPS的整流部分采用BOOST变换器或者相类似的拓扑结构，该UPS带功率因数比较大的感性负载(接近理想电感)的时候就会出现母线过压问题。为解决母线过压问题，已知的一种方案是采用耐压较高的电容作为正母线电容，但这种依靠硬件改动的方案需要额外增加很多成本。

发明内容

本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种UPS的控制***和方法，以较低的成本解决母线过压的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种UPS的控制***，所述UPS包括顺次连接在交流电源和负载之间的整流部分和逆变部分；

所述控制***包括PID控制器，其用于对所述UPS进行双闭环控制，所述双闭环包括作为内环的电流环和作为外环的电压环，在所述电压环中，对逆变电压给定值与逆变电压的反馈值取差值，经过比例积分调节，获得逆变电流给定值，在所述电流环中，对所述逆变电流给定值与逆变电流的反馈值取差值，经电流环比例系数的比例调节，获得关于所述逆变电压的控制量，其中所述逆变电压为所述逆变部分的输出电压，所述逆变电流为所述逆变部分的输出电流；

所述控制***还包括电流环比例系数调整模块，其包括检测单元和系数给定单元，所述检测单元用于检测所述UPS是否满足母线过压控制条件，所述系数给定单元用于在所述母线过压控制条件满足时，将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较小的值，在所述母线过压控制条件不满足时，将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较大的值。

优选地，所述检测单元包括电流计算单元和第一判断单元，所述电流计算单元用于计算所述负载上的负载电流中的无功电流，所述第一判断单元用于将所述无功电流与设定的阀值进行比较，当所述无功电流大于所述阀值时判断所述母线过压控制条件满足，否则判断所述母线过压控制条件不满足。

优选地，所述无功电流是通过所述电流计算单元计算出一个工频周期内多个采样点的负载电流的无功分量，取平均值而获得。

优选地，所述检测单元包括第二判断单元，其用于将母线电压与设定的电压基准值进行比较，并将所述逆变电流与设定的电流基准值进行比较，当所述母线电压大于所述电压基准值且所述逆变电流大于所述电流基准值时，判断所述母线过压控制条件满足，否则判断所述母线过压控制条件不满足。

优选地，所述关于逆变电压的控制量为发生SPWM的控制量，所述逆变电压通过所述SPWM生成。

一种UPS的控制方法，所述控制方法包括对所述UPS进行双闭环控制，所述双闭环包括作为内环的电流环和作为外环的电压环，在所述电压环中，对逆变电压给定值与逆变电压的反馈值取差值，经过比例积分调节，获得逆变电流给定值，在所述电流环中，对所述逆变电流给定值与逆变电流的反馈值取差值，经电流环比例系数的比例调节，获得关于逆变电压的控制量；其中，所述电流环比例系数通过以下步骤调整：

A.检测所述UPS是否满足母线过压控制条件；

B.在所述母线过压控制条件满足时，将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较小的值；

C.在所述母线过压控制条件不满足时，将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较大的值。

优选地，步骤A包括以下步骤：

A11.计算负载电流中的无功电流；

A12.将所述无功电流与设定的阀值进行比较，当所述无功电流大于所述阀值时判断所述母线过压控制条件满足，否则判断所述母线过压控制条件不满足。

优选地，步骤A11中，所述无功电流是通过分别计算出一个工频周期内多个采样点的负载电流的无功分量，取平均值而获得。

优选地，所述无功分量的计算采用傅里叶变换，通过将对应工频周期的逆变电流与逆变电压的夹角余弦值乘以负载电流瞬时值而获得。

优选地，步骤A包括以下步骤：

A21.检测母线电压和逆变电流；和

A22.将母线电压与设定的电压基准值进行比较，并将所述逆变电流与设定的电流基准值进行比较，当所述母线电压大于所述电压基准值且所述逆变电流大于所述电流基准值时，判断所述母线过压控制条件满足，否则判断所述母线过压控制条件不满足。

本发明有益的技术效果是：

根据本发明的控制***采用PID双闭环控制，在作为内环的电流环中，对逆变电流给定值与逆变电流的反馈值取差值，经电流环比例系数的比例调节，获得关于逆变电压的控制量。在上述闭环控制***中，通过采用小的电流环比例系数，能够有效抑制母线电压升高，这主要是因为小的电流环比例系数使逆变电压获得相对较大的超调量，增大了母线能量的损耗，从而避免出现母线过压。但是，对于带非感性负载时的***指标，典型的，如阻性负载和整流性负载在THD(total harmonic distortion，总谐波失真)方面的***指标，则需要采用比较大的电流环比例系数才能够满足要求。因此，本发明中，先检测UPS是否满足母线过压控制条件，在满足母线过压控制条件时采用预设的两个电流环比例系数中较小的电流环比例系数，否则采用较大的电流环比例系数，从而能够做到对***指标的兼顾。例如，根据***负载的性质来判断是否满足母线过压控制条件，只在判断为感性负载时采用较小的电流环比例系数，从而避免感性负载容易造成母线过压的问题，增加***带感性负载的能力。与传统的方案相比，本发明能从根本上避免出现母线过压的问题且能兼顾到UPS带非感性负载时的其它指标，而不需要另外采用成本较高的高耐压性的电容作为母线电容，因此降低了***的成本。

附图说明

图1为单进单出双变换UPS的电路结构图；

图2为本发明一种实施例的控制原理图；

图3为本发明控制***中的电流环比例系数调整模块的结构框图；

图4为一种实施例的电流环比例系数调整模块的结构框图；

图5为另一种实施例的电流环比例系数调整模块的结构框图；

图6为本发明控制方法中调整电流环比例系数的基本流程图；

图7为一种实施例判断UPS是否满足母线过压控制条件的流程图；

图8为对应于图7的实施例调整电流环比例系数的具体流程图；

图9为另一种实施例判断UPS是否满足母线过压控制条件的流程图。

具体实施方式

以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。

在一种实施例中，如图1所示，UPS包括顺次连接在交流电源和负载之间的整流部分和逆变部分，本发明的控制***用于对该UPS进行PID(比例积分微分)双闭环控制。图2给出了该UPS的控制原理图。此双闭环包括外环和内环，外环为电压环，采用比例积分调节，内环为电流环，采用比例调节。在电压环中，对逆变电压给定值Vref与逆变电压的反馈值Vinv取差值，经过比例积分环节Upi调节，获得逆变电流给定值；在电流环中，对逆变电流给定值与逆变电流的反馈值Il取差值，得到电流环误差，电流环误差在至少经过电流环比例系数Ip的比例调节后，获得关于逆变电压的控制量，优选为发生SPWM(正弦脉宽调制)波以得到相应的逆变电压的控制量。本发明中，逆变电压指逆变部分的输出电压，逆变电流指逆变部分的输出电流(即负载的前端电流)。

在上述双闭环中，电流环比例系数Ip在控制中起超调小、跟随性能好的作用。电流环传递函数具体地可以表示为

(包括一个比例环节和一个延时环节)，控制对象是逆变电感L2。

控制***除了包括用于进行上述PID双闭环控制的PID数字控制器，还包括电流环比例系数调整模块。请参考图3，电流环比例系数调整模块又包括检测单元和系数给定单元，其中，检测单元用于检测UPS是否满足母线过压控制条件，而系数给定单元用于根据检测单元的检测结果给定电流环比例系数Ip。本发明预先设定了一个数值较小的电流环比例系数和一个数值相对较大的电流环比例系数，当母线过压控制条件满足时，系数给定单元将电流环比例系数Ip取为预设的较小的值从而实现母线过压控制，在母线过压控制条件不满足时，系数给定单元将电流环比例系数Ip取为预设的较大的值，以满足在较大的电流环比例系数下才具有的较好性能的***指标。此类的***指标包含动态和稳态两方面的指标，其中稳态指标包括THD方面的***指标。

本发明中，较大的值可定义为电流环比例系数在UPS带非感性负载时也保证相关***指标处于正常范围的值，较小的值是与较大的值相比较而言的，其取值依UPS带感性负载时母线过压控制的具体需求而定。

实验证实，如果PID数字控制器采用较小的电流环比例系数Ip，对抑制母线电压升高很有效果，这主要是因为，采用较小的电流环比例系数Ip时，逆变电压获得相对较大的超调，增大了母线能量的损耗。但是，UPS***既可能带感性负载，也可能带非感性负载，例如，***在带阻性负载和整流性负载时，就应考虑THD方面的***指标，而该指标需要采用较大的电流环比例系数才能满足要求。采用以上技术方案，本发明既能保证抑制母线电压升高，又能兼顾包括THD方面的指标要求。

检测UPS是否满足母线过压控制条件可以根据负载的性质来进行判定。如果识别负载的性质为感性负载，可判定满足母线过压控制条件，此时采用较小的电流环比例系数；如果识别负载的性质为容性、阻性负载，可判定不满足母线过压控制条件，此时则采用较大的电流环比例系数，从而能够实现在兼顾***其它指标的前提下增加***带感性负载的能力。

由于感性负载的功率因数和电流的无功电流大小与非感性负载不一样，因此可以根据负载电流的无功电流的大小来识别是否感性负载。如图4所示，优选地，检测单元包括电流计算单元和第一判断单元，其中，电流计算单元用于计算负载电流IL中的无功电流，第一判断单元用于将无功电流与设定的阀值M进行比较，当无功电流大于阀值M时判断母线过压控制条件满足，否则判断母线过压控制条件不满足。根据第一判断单元的判断结果，系数给定单元将提供相应大小的电流环比例系数。

在计算无功电流时，负载电流IL的波形可以在一个具有多个采样点的工频周期内进行离散傅立叶分解，分解出其中的无功分量Iqcoswt，将其展开写成离散傅立叶级数为：

$a_n=\frac{2}{N}\underset{0}{\overset{N}{\∫}}\mathrm{Iq}\cos \frac{2\mathrm{PI}}{N}j$

以变量Iq表示负载电流的无功电流，根据相应分量的大小和正负可以适当区分感性负载、容性负载和阻性负载。对于感性负载，Iq为正(正表示电压超前电流)，对于阻性负载，Iq为一个很小的正数，对于容性负载，Iq为负(负表示电流超前电压)，故根据Iq就能够区分感性负载、容性负载和阻性负载。从而，可设定一个阀值，当Iq大于该阀值的时候认为是感性负载。该阈值是根据无功电流的大小，大体上可将所带的负载区分为感性负载和非感性负载的分界点值，其具体取值可以依实际应用的情况而变。

因此，在较优的实施例中，电流计算单元分别算出一个工频周期内多个采样点的的负载电流的无功分量，取平均值作为无功电流。无功分量的计算优选可以采用傅里叶变换，通过将负载电流瞬时值和逆变电流与逆变电压的夹角余弦值相乘而获得。

检测UPS是否满足母线过压控制条件也可以根据母线电压和逆变电流的大小来判定。

如图5所示，在另一种实施例中，检测单元包括第二判断单元，第二判断单元用于将母线电压V与设定的电压基准值Vr进行比较，以及将逆变电流I与设定的电流基准值Ir进行比较，当母线电压大于电压基准值且逆变电流大于电流基准值时，判断母线过压控制条件满足，否则判断母线过压控制条件不满足。例如，当第二判断单元判断正母线或者负母线电压大于一定值(比如10％电压值，也就是存在母线过压风险的时候)，如果同时判断逆变电流大于一定值，即判断母线过压控制条件满足。此时快速调节到设定的较小电流环比例系数Ip以降低母线电压。而当母线电压降低的时候，再逐渐恢复为原来的电流环比例系数Ip。

相比于前一种实施例，本实施例不容易区分出感性负载，所以会存在一定的风险。

在上述各实施例中，负载电流、母线电压和逆变电流可通过设置相关的测量电路来进行检测，这些测量电路可以采用各种常规的设计。

如图6所示，根据本发明的实施例，UPS的控制方法中包括调整电流环比例系数的步骤，说明如下：

步骤A.检测UPS是否满足母线过压控制条件；

步骤B.在母线过压控制条件满足时，将电流环比例系数取为设定的较小的值；和

步骤C.在母线过压控制条件不满足时，将电流环比例系数取为设定的较大的值。

可以依据负载的性质判断是否满足母线过压控制条件。如图7所示，在一种实施例中，所述步骤A包括以下步骤：

步骤A11.根据负载电流值计算负载电流中的无功电流；和

步骤A12.将无功电流与设定的阀值进行比较，当无功电流大于阀值时判断母线过压控制条件满足，否则判断母线过压控制条件不满足。

如图8所示，在更优选的实施例中，调整电流环比例系数的过程具体如下：

步骤201，对流经负载的负载电流值IL，采用快速傅里叶变换，计算出当前工频周期一个采样点的负载电流瞬时值Iout_0和逆变电流与逆变电压的夹角余弦值CosQ0，将Iout_0与CosQ0相乘，与之前的采样点的计算结果累加，赋给变量IqSumM_0；

步骤202，在当前工频周期内的前一个采样点计算完之后，判断当前工频周期所有采样点是否计算结束，如果未结束，返回步骤201，如果已结束，进入步骤203；

步骤203，将IqSumM_0除以输出电压周期的采样点数，得到无功电流Iq；

步骤204，将无功电流Iq与设定的阀值进行比较，如果判断Iq大于阀值，进入步骤205，如果判断Iq小于阀值，进入步骤206；

步骤205，取电流环比例系数Ip为设定的较小的值；

步骤206，取电流环比例系数Ip为设定的较大的值。

对于上述步骤204～206，利用阀值条件区别出感性负载和其他负载，从而针对不同的负载用不同的电流环比例系数。阀值可采用经过定标转化后的数字量，例如为500(标幺额定电流对应4096)，取500可以有效的区别出阻性负载。***运行后，如果加载的是感性负载，就会进入步骤205，而阻性负载和整流性负载电流在稳态带载的时候只能进入步骤206(忽略动态和非常小的感性负载)。

是否满足母线过压控制条件也可以根据母线电压和逆变电流的大小来判定。如图9所示，在另一种实施例中，所述步骤A包括以下步骤：

步骤A21.检测母线电压和逆变电流；和

步骤A22.将母线电压和逆变电流分别与设定的电压、电流基准值进行比较，当母线电压大于电压基准值且逆变电流大于电流基准值时，判断母线过压控制条件满足，否则判断母线过压控制条件不满足。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种UPS的控制***，所述UPS包括顺次连接在交流电源和负载之间的整流部分和逆变部分；

所述控制***包括PID控制器，其用于对所述UPS进行双闭环控制，所述双闭环包括作为内环的电流环和作为外环的电压环，在所述电压环中，对逆变电压给定值与逆变电压的反馈值取差值，经过比例积分调节，获得逆变电流给定值，在所述电流环中，对所述逆变电流给定值与逆变电流的反馈值取差值，经电流环比例系数的比例调节，获得关于所述逆变电压的控制量，其中所述逆变电压为所述逆变部分的输出电压，所述逆变电流为所述逆变部分的输出电流；其特征在于，

所述控制***还包括电流环比例系数调整模块，其包括检测单元和系数给定单元，所述检测单元用于检测所述UPS是否满足母线过压控制条件，所述系数给定单元用于在所述母线过压控制条件满足时，将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较小的值，在所述母线过压控制条件不满足时，将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较大的值。

2.如权利要求1所述的UPS的控制***，其特征在于，所述检测单元包括电流计算单元和第一判断单元，其中，所述电流计算单元用于计算所述负载上的负载电流中的无功电流；所述第一判断单元用于将所述无功电流与设定的阀值进行比较，当所述无功电流大于所述阀值时判断所述母线过压控制条件满足，否则判断所述母线过压控制条件不满足。

3.如权利要求2所述的UPS的控制***，其特征在于，所述无功电流是通过所述电流计算单元计算出一个工频周期内多个采样点的负载电流的无功分量，取平均值而获得。

4.如权利要求1所述的UPS的控制***，其特征在于，所述检测单元包括第二判断单元，所述第二判断单元用于将母线电压与设定的电压基准值进行比较，并将所述逆变电流与设定的电流基准值进行比较，当所述母线电压大于所述电压基准值且所述逆变电流大于所述电流基准值时，判断所述母线过压控制条件满足，否则判断所述母线过压控制条件不满足。

5.如权利要求1至4中任一项所述的UPS的控制***，其特征在于，所述关于逆变电压的控制量为发生SPWM的控制量，所述逆变电压通过所述SPWM生成。

6.一种UPS的控制方法，所述控制方法包括对所述UPS进行双闭环控制，所述双闭环包括作为内环的电流环和作为外环的电压环，在所述电压环中，对逆变电压给定值与逆变电压的反馈值取差值，经过比例积分调节，获得逆变电流给定值，在所述电流环中，对所述逆变电流给定值与逆变电流的反馈值取差值，经电流环比例系数的比例调节，获得关于逆变电压的控制量；其特征在于，所述电流环比例系数通过以下步骤调整：

A.检测所述UPS是否满足母线过压控制条件；

B.在所述母线过压控制条件满足时，将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较小的值；

C.在所述母线过压控制条件不满足时，将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较大的值。

7.如权利要求6所述UPS的控制方法，其特征在于：步骤A包括以下步骤：

A11.计算负载电流中的无功电流；

A12.将所述无功电流与设定的阀值进行比较，当所述无功电流大于所述阀值时判断所述母线过压控制条件满足，否则判断所述母线过压控制条件不满足。

8.如权利要求7所述的UPS的控制方法，其特征在于，步骤A11中，所述无功电流是通过分别计算出一个工频周期内多个采样点的负载电流的无功分量，取平均值而获得。

9.如权利要求8所述的UPS的控制方法，其特征在于，所述无功分量的计算采用傅里叶变换，通过将对应工频周期的逆变电流与逆变电压的夹角余弦值乘以负载电流瞬时值而获得。

10.如权利要求6所述的UPS的控制方法，其特征在于，步骤A包括以下步骤：

A21.检测母线电压和逆变电流；和

A22.将母线电压与设定的电压基准值进行比较，并将所述逆变电流与设定的电流基准值进行比较，当所述母线电压大于所述电压基准值且所述逆变电流大于所述电流基准值时，判断所述母线过压控制条件满足，否则判断所述母线过压控制条件不满足。

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