CN105226811B - 一种不间断电源的同步锁相实现***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种不间断电源的同步锁相实现***及方法，所述***包括同步源检测单元、同步源选择单元以及同步锁相单元，其中：所述同步源检测单元，用于实时侦测各个同步源的状态；所述同步选择单元，用于根据当前不间断电源的运行状态从同步源中选出最优的一个作为同步跟踪源；所述同步锁相单元，用于调节不间断电源的逆变单元的输出电压的相位，使该输出电压的相位与同步跟踪源的电压相位一致。本发明通过软件控制自动选择最优的同步跟踪源，可实现逆变电压高精度的同步锁相。

Description

一种不间断电源的同步锁相实现***和方法

技术领域

本发明涉及不间断电源领域，更具体地说，涉及一种不间断电源的同步锁相实现***和方法。

背景技术

随着社会的不断进步，尤其是在当今资讯蓬勃发展的信息时代，电子计算机等各种数字设备应用场合也越来越广。然而，一旦这些数字设备断电，将造成大量的资料流失，导致无法估量的经济损失。不间断电源(以下简称UPS)，可确保负载在各种恶劣的市电条件下仍能得到不间断且稳定正常的交流电源输入，故以UPS作为保护性的电源设备，可大大提高负载供电的可靠性。目前，UPS也已慢慢成为许多重要场合不可缺少的电源装置。

图1是现有UPS***的示意简图，其包含整流单元11、位于整流单元11后的逆变单元12以及旁路单元13。其中，整流单元11的输入为市电，整流单元11的输出作为逆变单元12的输入，逆变单元12的输出为UPS的输出电源，旁路单元13作为该UPS的另一路输出电源备份。当UPS中的逆变单元发生故障时，UPS的输出切换到旁路电源14供电。

为了更好、更快的进行这种切换，一般要求逆变单元12的输出与旁路电源14的相位完全同相，此相位调节过程即为UPS同步锁相。同步锁相是UPS***的一个重要控制环节，其性能指标对UPS稳定运行起着关键作用。在单机UPS***中，同步锁相的影响主要在于主旁切换，如果同步锁相环节没有处理好的话，切换瞬间可能产生很大的冲击电流导致UPS损坏甚至炸机。而对并联UPS***来说，同步锁相尤为关键，同步锁相性能时刻影响着并机***的运行稳定性，特别是当UPS的旁路频率发生变化，并联UPS***中各机的同步锁相环节都处于动态调节过程中时，如果同步锁相环节处理不好，很容易导致并联***中的各UPS之间产生较大的环流，此环流对并联UPS***危害较大，甚至有可能使的整个并联UPS***崩溃宕机。

同步锁相的目标是使得UPS的逆变电压与跟踪的目标电压完全同相，因为很小的相位误差将可能引起很大的冲击电流或环流，从而引发严重的后果。在传统的UPS控制***中，同步锁相单元靠硬件电路实现的，包括同步选择逻辑判断单元、同步***和同步跟踪锁相单元。同步选择逻辑判断单元根据电平逻辑切换同步***的同步源信号输入；同步***将同步源输出同步源信号输出至UPS的同步跟踪锁相单元中。

上述UPS的同步源输入一般为市电经过整形电路的输出信号，每个UPS的同步控制单元的同步输入/输出端口全部相互连接。这种通过硬件电路实现同步锁相的方式不但增加UPS***成本，而且增加了故障风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述通过硬件电路同步方式成本高、故障风险大的问题，提供一种新的不间断电源的同步锁相实现***及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种不间断电源的同步锁相实现***，包括同步源检测单元、同步源选择单元以及同步锁相单元，其中：所述同步源检测单元，用于实时侦测各个同步源的状态，所述同步源的状态包括电压幅值、相角的瞬时步长值及相角变化值；所述同步选择单元，用于根据当前UPS运行状态从符合同步条件的同步源中选出最优的一个作为同步跟踪源；所述同步锁相单元，用于调节不间断电源的逆变单元的输出电压的相位，使该输出电压的相位与同步跟踪源的电压相位一致；

所述同步源包括旁路电压源、输出电压源、LBS同步源、外部同步源、额定本振源；所述同步选择单元在多个同步源均符合同步条件时，根据预设的优先级选择同步跟踪源。

在本发明所述的一种不间断电源的同步锁相实现***中，所述同步锁相单元包括调频控制子单元和调相控制子单元，其中：所述调频控制子单元将逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差作为输入，并采用比例控制算法调节逆变单元输出电压的频率与目标同步跟踪源的频率一致；所述调相控制子单元将逆变单元输出电压与同步跟踪源的当前相位差和上拍相位差作为输入，采用增量式比例积分控制的虚拟锁相算法调节逆变单元输出电压的相位与目标同步跟踪源的相位一致。

在本发明所述的一种不间断电源的同步锁相实现***中，所述同步锁相单元还包括锁相协调子单元，用于在逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差超出第一阈值范围时将所述调相控制子单元的调相控制结果清零。

在本发明所述的一种不间断电源的同步锁相实现***中，所述同步源检测单元包括多个同步源的瞬时步长计算子单元，每一瞬时步长计算子单元用于计算对应同步源在每一控制周期内的电压幅值、相角值和相角变化值。

本发明还提供一种不间断电源的同步锁相实现方法，包括以下步骤：

(a)实时侦测各个同步源的状态，所述同步源的状态包括电压幅值、相角的瞬时步长值及相角变化值；

(b)根据当前不间断电源的运行状态从符合同步条件的同步源中选出最优的一个作为同步跟踪源；

(c)调节不间断电源的逆变单元的输出电压的相位，使该输出电压的相位与同步跟踪源的电压相位一致；

所述同步源包括旁路电压源、输出电压源、LBS同步源、外部同步源以及***本振源；所述步骤(b)中，在多个同步源均符合同步条件时，按照预设的优先级选择同步跟踪源。

在本发明所述的一种不间断电源的同步锁相实现方法中，所述步骤(c)包括：

根据逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差，采用比例控制算法调节逆变单元输出电压的频率与目标同步跟踪源的频率一致；

根据逆变单元输出电压与同步跟踪源的当前相位差和上拍相位差作为输入，采用增量式比例积分控制的虚拟锁相算法调节逆变单元输出电压的相位与目标同步跟踪源的相位一致。

在本发明所述的一种不间断电源的同步锁相实现方法中，所述步骤(c)还包括：

在逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差超出第一阈值范围时将调相控制结果清零，所述调相控制包括：根据逆变单元输出电压与同步跟踪源的当前相位差和上拍相位差作为输入，采用增量式比例积分控制的虚拟锁相算法调节逆变单元输出电压的相位与目标同步跟踪源的相位一致。

在本发明所述的一种不间断电源的同步锁相实现方法中，所述步骤(a)包括：

通过多个分别连接到不同同步源的瞬时步长计算子单元分别计算多个同步源的电压幅值、相角值及相角变化值，并在所述电压幅值、相角值。

在本发明所述的一种不间断电源的同步锁相实现方法中，所述同步源包括旁路电压源、输出电压源、LBS同步源、外部同步源以及***本振源；所述步骤(b)中，在多个同步源均符合同步条件时，按照预设的优先级选择同步跟踪源。

本发明的一种不间断电源的同步锁相实现***及方法，通过软件控制自动选择最优的同步跟踪源，可实现高精度的同步锁相。本发明还采用调频与调相分开控制的方式实现同步锁相，不仅可以提高UPS同步锁相精度，加快了同步锁相速度，还有效的避免了***单点故障的风险，提高了***的可靠性。

附图说明

图1是现有不间断电源的示意图。

图2是本发明一种不间断电源的同步锁相实现***第一实施例的示意图。

图3是本发明一种不间断电源的同步锁相实现***第二实施例的示意图。

图4是本发明一种不间断电源的同步锁相实现方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，是本发明一种不间断电源的同步锁相实现***第一实施例的示意图，该不间断电源的同步锁相实现***用于不间断电源的逆变电压锁相。本实施例中的不间断电源的同步锁相实现***，包括同步源检测单元21、同步源选择单元22以及同步锁相单元23，上述同步源检测单元21、同步源选择单元22以及同步锁相单元23可位于不间断电源的旁路单元，并可结合集成到不间断电源的软件实现。

同步源检测单元21用于实时侦测各个同步源24状态，该同步源的状态包括电压幅值、相角的瞬时步长值及相角变化值。上述同步源24具体可以为额定本振源、旁路电压源、输出电压源、LBS同步源、外部同步源中的至少两个。其中额定本振源为由不间断电源内的芯片输出的模拟信号；旁路电压源可为市电经过整形电路的输出信号；输出电压源为并机***中***的输出电压；外部同步源为其他输入的基准信号。通过同步源检测单元21对各个同步源24的检测，实时计算出各个同步源24的状态，以供同步锁相单元23随时使用。

同步选择单元22用于根据当前不间断电源的运行状态从同步源24中选出最优的一个作为同步跟踪源。具体地，该同步选择单元22需要根据不间断电源当前的不同运行条件和工况，预先设定策略选择同步跟踪源，以选择最合适的同步跟踪源。

同步锁相单元23用于调节不间断电源的逆变单元的输出电压的相位，使该输出电压的相位与同步跟踪源的电压相位一致。

如图3所示，在本发明的一种不间断电源的同步锁相实现***的另一实施例中，同步锁相单元23包括调频控制子单元231和调相控制子单元232，其中：调频控制子单元231将逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差作为输入，并采用比例控制算法调节逆变单元输出电压的频率与目标同步跟踪源的频率一致；调相控制子单元232将逆变单元输出电压与同步跟踪源的当前相位差和上拍相位差作为输入，采用增量式比例积分控制的虚拟锁相算法调节逆变单元输出电压的相位与目标同步跟踪源的相位一致。

并且，为避免调频控制子单元231和调相控制子单元232的调频和调相作用互相抵消而降低不间断电源的锁相速度，上述同步锁相单元23还可包括锁相协调子单元233。锁相协调子单元233用于在逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差超出第一阈值范围(该第一阈值可以为一个数值区间，并可根据经验值提前设置)时将调相控制子单元232的调相控制结果清零。

同步源检测单元21可通过多个分别连接到不同同步源24的瞬时步长计算子单元211对多个同步源24进行检测。每一瞬时步长计算子单元211用于计算对应同步源24在每一控制周期内的电压幅值、相角值及相角变化值。

以同步源24为旁路电压源为例，假定不间断电源的控制频率6K、逆变单元跟踪速率为0.2Hz/s、旁路电压是频率为50Hz市电，则瞬时步长计算子单元211计算出来的同步源瞬时步长为360*50/6000＝3度。且瞬时步长是以控制频率的速度实时刷新的，一旦市电有轻微跳动，瞬时步长都能迅速计算及时响应。

若同步源选择单元22选择上述旁路电压为同步跟踪源，则在不间断电压开机初始时，同步锁相单元23只有调频操作，大约在49.8/0.2＝249秒后，逆变单元输出电压频率基本锁定转入调频/调相结合控制过程，再经过1秒钟左右，逆变单元输出电压就可以完全跟踪上旁路电压了。

同步源可包括旁路电压源、输出电压源、LBS同步源、外部同步源、额定本振源等。上述同步选择单元22根据预设的优先级选择同步跟踪源，且额定本振源的优先级最低(即只有在除额定本振源外的其它同步源都不满足条件时，才选用额定本振源作为同步跟踪源)。例如当不间断电源旁路正常时，需优先把旁路电压作为不间断电源运行的同步跟踪源；UPS并机***中，当从机的旁路电压异常时，则需要跟踪***输出电压；当UPS***存在外部同步源时，直接跟踪外部同步源；否则UPS***跟踪额定本振电压。

上述一种不间断电源的同步锁相实现***，不需要外加硬件控制电路，通过软件控制自动选择最优的同步跟踪源，实时计算同步跟踪源步长，采用调频与调相分开控制度的方式来实现同步锁相。这种同步锁相方法不仅可以提高UPS同步锁相精度，还加快了同步锁相速度，还有效的避免了***单点故障的风险，提高了***的可靠性。

如图4所示，在本发明一种不间断电源的同步锁相实现方法的实施例中，包括以下步骤：

步骤S41：实时侦测各同步源状态。具体地，可通过多个分别连接到不同同步源的瞬时步长计算子单元分别采样不同同步源信号，并分别计算各个同步源的电压幅值、相角值及相角变化值，即同步瞬时步长。

步骤S42：根据当前不间断电源的运行状态从同步源中选出最优的一个作为同步跟踪源。上述同步源为旁路电压源、输出电压源、LBS同步源、外部同步源以及***本振源等。该步骤中，按照预设的优先级选择同步跟踪源，且额定本振源的优先级最低(即只有在除额定本振源外的其它同步源都不满足条件时，才选用额定本振源作为同步跟踪源)。

步骤S43：调节不间断电源的逆变单元的输出电压的相位，使该输出电压的相位与同步跟踪源的电压相位一致。在该步骤中，可具体包括以下步骤：

根据逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差，采用比例控制算法调节逆变单元输出电压的频率与目标同步跟踪源的频率一致；

根据逆变单元输出电压与同步跟踪源的当前相位差和上拍相位差作为输入，采用增量式比例积分控制的虚拟锁相算法调节逆变单元输出电压的相位与目标同步跟踪源的相位一致；

在逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差超出第一阈值范围时将所述调相控制子单元的调相控制结果清零。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种不间断电源的同步锁相实现***，其特征在于：包括同步源检测单元、同步源选择单元以及同步锁相单元，其中：所述同步源检测单元，用于实时侦测各个同步源的状态，所述同步源的状态包括电压幅值、相角的瞬时步长值及相角变化值；所述同步选择单元，用于根据当前不间断电源的运行状态从同步源中选出最优的一个作为同步跟踪源；所述同步锁相单元，用于调节不间断电源的逆变单元的输出电压的相位，使该输出电压的相位与同步跟踪源的电压相位一致；

所述同步源包括旁路电压源、输出电压源、LBS同步源、外部同步源、额定本振源；所述同步选择单元在多个同步源均符合同步条件时，根据预设的优先级选择同步跟踪源。

2.根据权利要求1所述的一种不间断电源的同步锁相实现***，其特征在于：所述同步锁相单元包括调频控制子单元和调相控制子单元，其中：所述调频控制子单元将逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差作为输入，并采用比例控制算法调节逆变单元输出电压的频率与目标同步跟踪源的频率一致；所述调相控制子单元将逆变单元输出电压与同步跟踪源的当前相位差和上拍相位差作为输入，采用增量式比例积分控制的虚拟锁相算法调节逆变单元输出电压的相位与目标同步跟踪源的相位一致。

3.根据权利要求2所述的一种不间断电源的同步锁相实现***，其特征在于：所述同步锁相单元还包括锁相协调子单元，用于在逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差超出第一阈值范围时将所述调相控制子单元的调相控制结果清零。

4.根据权利要求1所述的一种不间断电源的同步锁相实现***，其特征在于：所述同步源检测单元包括多个分别连接到不同同步源的瞬时步长计算子单元，每一瞬时步长计算子单元用于计算对应同步源在每一控制周期内的电压幅值、相角值及相角变化值。

5.一种不间断电源的同步锁相实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)实时侦测各个同步源的状态，所述同步源的状态包括电压幅值、相角的瞬时步长值及相角变化值；

(b)根据当前不间断电源运行状态从同步源中选出最优的一个作为同步跟踪源；

(c)调节不间断电源的逆变单元的输出电压的相位，使该输出电压的相位与同步跟踪源的电压相位一致；

所述同步源包括旁路电压源、输出电压源、LBS同步源、外部同步源以及***本振源；所述步骤(b)中，在多个同步源均符合同步条件时，按照预设的优先级选择同步跟踪源。

6.根据权利要求5所述的一种不间断电源的同步锁相实现方法，其特征在于：所述步骤(c)包括：

根据逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差，采用比例控制算法调节逆变单元输出电压的频率与目标同步跟踪源的频率一致；

根据逆变单元输出电压与同步跟踪源的当前相位差和上拍相位差作为输入，采用增量式比例积分控制的虚拟锁相算法调节逆变单元输出电压的相位与目标同步跟踪源的相位一致。

7.根据权利要求6所述的一种不间断电源的同步锁相实现方法，其特征在于：所述步骤(c)还包括：

在逆变单元输出电压与同步跟踪源的频率差超出第一阈值范围时将调相控制结果清零，所述调相控制包括：根据逆变单元输出电压与同步跟踪源的当前相位差和上拍相位差作为输入，采用增量式比例积分控制的虚拟锁相算法调节逆变单元输出电压的相位与目标同步跟踪源的相位一致。

8.根据权利要求5所述的一种不间断电源的同步锁相实现方法，其特征在于：所述步骤(a)包括：

通过多个分别连接到不同同步源的瞬时步长计算子单元分别计算多个同步源的电压幅值、相角值及相角变化值。