CN106410952B - 一种多模式ups的无缝切换控制方法 - Google Patents

一种多模式ups的无缝切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模式UPS的无缝切换控制方法，主要包括交流电输入－逆变器工作模式、旁路工作模式、储能电池－逆变器工作模式和储能电池－整流器工作模式这四种工作模式之间的切换控制，UPS正常情况运行于交流电输入－逆变器工作模式；当逆变器损坏，UPS切换到旁路模式；当交流电输入故障，UPS切换到储能电池－逆变器工作模式；当逆变器和交流电输入都故障，UPS切换到储能电池－整流器工作模式。本发明使得UPS在不同故障发生时，能够切换到不同的运行模式，保证供电不中断，特别是能够使得UPS在PWM逆变器过温、器件损坏等故障和交流电输入故障同时出现的情况下，能够继续稳定运行为负载可靠供电。

Description

一种多模式UPS的无缝切换控制方法
技术领域
本发明涉及UPS的运行模式切换控制领域，特别是一种多模式UPS的无缝切换控制方法。
背景技术
UPS(Uninterruptable Power Supply)，即不间断电源，广泛应用于可靠供电的场合，如控制设备及其紧急保护***、应急照明、***网络***、医疗***、消防安全报警***等场合。为了减小交流输入电流畸变和提高整流器的功率因数，在线式UPS的整流器常采用IGBT三相半桥电路结构，将PWM技术引入到该整流器中，且整流器装上输出电压测量***，可以实现能量的双向流动，能量可双向流动的可逆PWM整流器不仅体现出AC/DC的整流特性，而且还可以呈现出DC/AC的无源逆变特性。UPS的主要优点，在于它的不间断供电能力，当交流电输入故障时，UPS的储能电池可以通过DC/DC变换器、PWM逆变器向负载供电；当PWM逆变器故障时，交流电输入可通过静态旁路开关向负载供电。但是当交流电输入故障和PWM逆变器故障同时发生的情况下，目前的UPS无法继续向负载供电。
通常在线式UPS无论是在交流电输入正常情况下还是非正常情况下，PWM逆变器都时时刻刻在运行，因此在UPS***中PWM逆变器容易出现故障。在恶劣高温环境下或者由于UPS维护不到位导致散热***的散热性能下降，PWM逆变器容易出现过温保护，而导致PWM逆变器停止运行。而PWM逆变器在UPS中又扮演者举足轻重的角色，因此防止UPS因PWM逆变器故障或过温而出现供电中断的现象是提高UPS可靠供电的重要研究方向。目前为了提高负载的供电可靠性，通常采用UPS并联冗余的结构，当一台UPS故障了，冗余的UPS迅速接入。但是该种方法大大提高了***的成本，且不能提高单台UPS的供电可靠性。因此需要一种新的控制方法，在控制成本的基础上提高单台UPS的供电可靠性，使得UPS在PWM逆变器和交流电输入同时故障时能继续向负载供电。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种多模式UPS的无缝切换控制方法，能有效克服PWM逆变器过温或故障的压力，延长UPS的供电时间，使得在交流电输入故障和PWM逆变器故障同时发生时，UPS不会立刻停止供电。
本发明所采用的技术方案是：一种多模式UPS的无缝切换控制方法，适用于多模式UPS***；所述多模式UPS***包括交流电输入、交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器、静态旁路开关、充电器、储能电池、DC/DC变换器、负载；所述交流电输入、交流电输入开关、PWM整理器、PWM逆变器、负载依次连接；所述静态旁路开关两端分别接在PWM整流器输入端和PWM逆变器输出端；所述充电器、储能电池、DC/DC变换器依次连接，充电器的输入端接在交流电输入开关的输出端，DC/DC变换器的输出端接在PWM整流器的输出端；所述PWM整流器和所述PWM逆变器都采用完全相同的IGBT三相半桥电路结构。本控制方法特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：检测UPS的PWM逆变器温度T，当PWM逆变器温度T大于高温阈值Tmax，置Sinv为1，否则置零，Tmax的取值范围为75℃～90℃，检测UPS的PWM逆变器的故障信息并置故障标志位Sinv，有故障置1，无故障置0，采样交流电输入线电压有效值Uin，当交流电输入线电压有效值Uin小于低压阈值Umin或大于高压阈值Umax时，置Sin为1，否则置零，Umin的取值范围为Kmin*Unom，Unom为交流电输入电压额定有效值，Kmin取值范围为0.5～0.7，Umax的取值范围为Kmax*Unom，Kmax取值范围为1.2～1.4；
步骤S2：根据标志位Sinv和Sin的状态来切换UPS的运行模式，若Sinv＝0，且Sin＝0则进入步骤S3，若Sinv＝1，且Sin＝0则跳过S3，进入步骤S4，若Sinv＝0，且Sin＝1则跳过S3、S4，进入步骤S5，若Sinv＝1，且Sin＝1则跳过S3、S4、S5，进入步骤S6；
步骤S3：此时UPS的交流电输入和PWM逆变器都正常，UPS继续运行于或者切换到交流电输入－逆变器工作模式，该模式下，交流电输入开关闭合，交流电输入经交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器向负载供电，静态旁路开关断开，DC/DC变换器不工作；
步骤S4：此时UPS的PWM逆变器故障、交流电输入正常，UPS继续运行于或者切换到旁路工作模式，该模式下，逆变器因故障退出运行，交流电输入开关闭合，静态旁路开关闭合，交流电输入经交流电输入开关、静态旁路开关向负载供电，DC/DC变换器不工作；
步骤S5：此时UPS的PWM逆变器正常、交流电输入故障，UPS继续运行于或者切换到储能电池－逆变器工作模式，该模式下，交流电输入开关断开，静态旁路开关断开，储能电池经DC/DC变换器、PWM逆变器向负载供电，在该模式下PWM整流器进行预处理：PWM整流器的程序切换为逆变程序，其逆变输出电压与负载的电压相位、频率和幅值保持一致，而当PWM逆变器出现故障时，PWM整流器可以瞬时投入代替PWM逆变器随时准备进入到逆变工作状态；
步骤S6：此时UPS的PWM逆变器故障、交流电输入故障，UPS继续运行于或者切换到储能电池－整流器工作模式，该模式下，交流电输入开关断开，静态旁路开关闭合，储能电池经DC/DC变换器、PWM整流器向负载供电。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提供了一种多模式UPS的无缝切换控制方法，当故障发生时，UPS可以快速无缝切换到不同的状态，特别是当PWM逆变器和交流电输入同时发生故障时，UPS可以切换储能电池－整流器工作模式，保证可靠向负载供电，在有效控制成本的基础上，提高了单台UPS的供电可靠性。
附图说明
图1为本发明一实施例UPS***结构及运行模式图；
图2为本发明一实施例UPS不同运行模式切换图；
图3为本发明一实施例UPS多种模式无缝切换的工作流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明一实施例UPS***结构及运行模式图，UPS***结构包括交流电输入、交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器、静态旁路开关、充电器、储能电池、DC/DC变换器、负载；所述交流电输入、交流电输入开关、PWM整理器、PWM逆变器、负载依次连接；所述静态旁路开关两端分别接在PWM整流器输入端和PWM逆变器输出端；所述充电器、储能电池、DC/DC变换器依次连接，充电器的输入端接在交流电输入开关的输出端，DC/DC变换器的输出端接在PWM整流器的输出端；所述PWM整流器和所述PWM逆变器都采用完全相同的IGBT三相半桥电路结构。UPS***包括四种运行模式，1、交流电输入－逆变器工作模式：交流电输入经交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器向负载供电；2、旁路工作模式：交流电输入经交流电输入开关、静态旁路开关向负载供电；3、储能电池－逆变器工作模式：储能电池经DC/DC变换器、PWM逆变器向负载供电；4、储能电池－整流器工作模式：储能电池经DC/DC变换器、PWM整流器、静态旁路开关向负载供电。
如图2所示，为本发明一实施例UPS不同运行模式切换图，图中，①代表：PWM逆变器故障；②代表：PWM逆变器恢复正常；③代表：交流电输入故障；④代表：交流电输入恢复正常；⑤代表：交流电输入、PWM逆变器先后故障；⑥代表：PWM逆变器恢复正常，交流电输入仍故障；⑦代表：PWM逆变器、交流电输入先后发生故障；⑧代表：交流电输入恢复正常，PWM逆变器仍故障。当PWM逆变器故障时，UPS由交流电输入－逆变器工作模式切换到旁路工作模式；当PWM逆变器恢复正常时，UPS由旁路工作模式切换到交流电输入－逆变器工作模式；当交流电输入故障时，UPS由交流电输入－逆变器工作模式切换到储能电池－逆变器工作模式；当交流电输入恢复正常后时，UPS由储能电池－逆变器工作模式切换到交流电输入－逆变器工作模式；当交流电输入、PWM逆变器先后发生故障时，UPS由储能电池－逆变器工作模式切换到储能电池－整流器工作模式；当PWM逆变器恢复正常，交流电输入仍故障时，UPS由储能电池－整流器工作模式切换到储能电池－逆变器工作模式；当PWM逆变器、交流电输入先后发生故障时，UPS由旁路工作模式切换到储能电池－整流器工作模式；当交流电输入恢复正常，PWM逆变器仍故障时，UPS由储能电池－整流器工作模式切换到旁路工作模式。
如图3所示，为本发明一实施例UPS多种模式无缝切换的工作流程示意图，本发明的一种多模式UPS的无缝切换控制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：检测UPS的PWM逆变器温度T，当PWM逆变器温度T大于高温阈值Tmax，置Sinv为1，否则置零，Tmax的取值范围为75℃～90℃，检测UPS的PWM逆变器的故障信息并置故障标志位Sinv，有故障置1，无故障置0，采样交流电输入线电压有效值Uin，当交流电输入线电压有效值Uin小于低压阈值Umin或大于高压阈值Umax时，置Sin为1，否则置零，Umin的取值范围为Kmin*Unom，Unom为交流电输入电压额定有效值，Kmin取值范围为0.5～0.7，Umax的取值范围为Kmax*Unom，Kmax取值范围为1.2～1.4；
步骤S2：根据标志位Sinv和Sin的状态来切换UPS的运行模式，若Sinv＝0，且Sin＝0则进入步骤S3，若Sinv＝1，且Sin＝0则跳过S3，进入步骤S4，若Sinv＝0，且Sin＝1则跳过S3、S4，进入步骤S5，若Sinv＝1，且Sin＝1则跳过S3、S4、S5，进入步骤S6；
步骤S3：此时UPS的交流电输入和PWM逆变器都正常，UPS继续运行于或者切换到交流电输入－逆变器工作模式，该模式下，交流电输入开关闭合，交流电输入经交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器向负载供电，静态旁路开关断开，DC/DC变换器不工作；
步骤S4：此时UPS的PWM逆变器故障、交流电输入正常，UPS继续运行于或者切换到旁路工作模式，该模式下，逆变器因故障退出运行，交流电输入开关闭合，静态旁路开关闭合，交流电输入经交流电输入开关、静态旁路开关向负载供电，DC/DC变换器不工作；
步骤S5：此时UPS的PWM逆变器正常、交流电输入故障，UPS继续运行于或者切换到储能电池－逆变器工作模式，该模式下，交流电输入开关断开，静态旁路开关断开，储能电池经DC/DC变换器、PWM逆变器向负载供电，在该模式下PWM整流器进行预处理：PWM整流器的程序切换为逆变程序，其逆变输出电压与负载的电压相位、频率和幅值保持一致，而当PWM逆变器出现故障时，PWM整流器可以瞬时投入代替PWM逆变器随时准备进入到逆变工作状态；
步骤S6：此时UPS的PWM逆变器故障、交流电输入故障，UPS继续运行于或者切换到储能电池－整流器工作模式，该模式下，交流电输入开关断开，静态旁路开关闭合，储能电池经DC/DC变换器、PWM整流器向负载供电。

Claims (3)

1.一种多模式UPS的无缝切换控制方法，适用于多模式UPS***；所述多模式UPS***包括交流电输入电源、交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器、静态旁路开关、充电器、储能电池、DC/DC变换器、负载；所述交流电输入、交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器、负载依次连接；所述静态旁路开关两端分别接在PWM整流器输入端和PWM逆变器输出端；所述充电器、储能电池、DC/DC变换器依次连接，充电器的输入端接在交流电输入开关的输出端，DC/DC变换器的输出端接在PWM整流器的输出端；所述PWM整流器和所述PWM逆变器都采用完全相同的IGBT三相半桥电路结构；其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)检测PWM逆变器温度T和故障信息并置故障标志位Sinv，采样交流电输入线电压有效值Uin并置故障标志位Sin，规定若出现故障则故障标志位置1，否则置0；
2)根据标志位Sinv和Sin的状态来切换UPS的运行模式，若Sinv＝0，且Sin＝0，则：UPS的交流电输入和PWM逆变器都正常，UPS继续运行于或者切换到交流电输入－逆变器工作模式，该模式下，交流电输入开关闭合，交流电输入经交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器向负载供电，静态旁路开关断开，DC/DC变换器不工作；
若Sinv＝1，且Sin＝0，则：UPS的PWM逆变器故障、交流电输入正常，UPS继续运行于或者切换到旁路工作模式，该模式下，逆变器因故障退出运行，交流电输入开关闭合，静态旁路开关闭合，交流电输入经交流电输入开关、静态旁路开关向负载供电，DC/DC变换器不工作；
若Sinv＝0，且Sin＝1，则：UPS的PWM逆变器正常、交流电输入故障，UPS继续运行于或者切换到储能电池－逆变器工作模式，该模式下，交流电输入开关断开，静态旁路开关断开，储能电池经DC/DC变换器、PWM逆变器向负载供电，在该模式下PWM整流器进行预处理，随时准备进入到逆变工作状态；步骤2)中，PWM整流器进行预处理主要包括：PWM整流器的程序切换为逆变程序，PWM整流器的逆变输出电压与负载的电压相位、频率和幅值保持一致，当PWM逆变器出现故障时，PWM整流器瞬时投入代替PWM逆变器；
若Sinv＝1，且Sin＝1，则：UPS的PWM逆变器故障、交流电输入故障，UPS继续运行于或者切换到储能电池－整流器工作模式，该模式下，交流电输入开关断开，静态旁路开关闭合，储能电池经DC/DC变换器、PWM整流器向负载供电。
2.根据权利要求1所述的多模式UPS的无缝切换控制方法，其特征在于，步骤1)中，当PWM逆变器温度T大于高温阈值Tmax，置Sinv为1，Tmax的取值为90℃。
3.根据权利要求1所述的多模式UPS的无缝切换控制方法，其特征在于，步骤1)中，当交流电输入线电压有效值Uin小于低压阈值Umin或大于高压阈值Umax时，置Sin为1，Umin的取值范围为Kmin*Unom，Unom为交流电输入电压额定有效值，Kmin取值范围为0.5～0.7，Umax的取值范围为Kmax*Unom，Kmax取值范围为1.2～1.4。
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