專利名稱：逆變器系統(tǒng)及其鎖相方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及逆變器系統(tǒng)，具體地說(shuō)，涉及逆變器系統(tǒng)中的鎖相控制單元以及其鎖相方法，可應(yīng)用于并聯(lián)逆變器系統(tǒng)，使逆變器輸出電壓和給定目標(biāo)電壓同相，從而使并聯(lián)逆變器系統(tǒng)更穩(wěn)定。
背景技術(shù)：
隨著IT(信息技術(shù))技術(shù)的發(fā)展，IT設(shè)備對(duì)電源的可靠性要求也越來(lái)越高，為了適應(yīng)IT設(shè)備對(duì)電源的高要求，大容量UPS(不間斷電源)一般采用可并聯(lián)冗余方式，以增加系統(tǒng)的可靠性。
圖1為一個(gè)UPS系統(tǒng)的示意簡(jiǎn)圖，其中包含整流單元和位于整流單元后的逆變單元(由電容C1、C2，開關(guān)管K1、K2，電感L和電容C組成)。其整流單元的輸入為市電，該UPS的另一個(gè)輸入為旁路電源，旁路電源一般為UPS的備份電源，即當(dāng)UPS中的整流單元或者逆變單元發(fā)生故障時(shí)，UPS的輸出切換為旁路供電，轉(zhuǎn)換開關(guān)K3和轉(zhuǎn)換開關(guān)K4即實(shí)現(xiàn)此功能。為了更好的進(jìn)行這種切換，一般要求逆變器的輸出與旁路電源同相，此過(guò)程即為鎖相過(guò)程。
在并聯(lián)逆變器系統(tǒng)中，鎖相環(huán)節(jié)是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)之一，它涉及并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。特別是當(dāng)UPS的旁路的頻率發(fā)生變化，并聯(lián)系統(tǒng)中的所有UPS的鎖相環(huán)節(jié)都處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)的工作條件很惡劣。如果鎖相環(huán)節(jié)處理不好，很容易導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)中的各UPS之間產(chǎn)生較大的環(huán)流，此環(huán)流對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)危害較大，甚至有可能使帶整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)崩潰。
傳統(tǒng)的鎖相方法如圖2所示，它包括旁路相位計(jì)算器15和逆變輸出電壓相位計(jì)算器19，通過(guò)它們分別計(jì)算旁路電壓的相位θbp和逆變輸出電壓的相位θinv；減法器16用于計(jì)算旁路電壓和逆變輸出電壓之間的相位差Δθ；鎖相控制器17可以為PID(比例積分微分)或者其它控制器，它利用相位差來(lái)控制逆變器的相位，輸出一個(gè)相位調(diào)節(jié)量θ，用于控制逆變電壓相位。
這種鎖相方法實(shí)施比較簡(jiǎn)單，但是它的控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的行為比較復(fù)雜。當(dāng)旁路頻率發(fā)生很大的變化后，一般同時(shí)有頻率差和相位差，當(dāng)有頻率差時(shí)，其相位差總是一個(gè)變化值，一般會(huì)在-180度到180度之間變化，所以鎖相控制器17的輸入是一個(gè)波動(dòng)值，鎖相控制在此時(shí)沒(méi)有什么意義。
特別在并聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)旁路電壓頻率發(fā)生較大的變化時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)中的從機(jī)一般將相位跟蹤目標(biāo)改為并聯(lián)系統(tǒng)的逆變輸出，以增加可靠性，但是此時(shí)主機(jī)仍然跟蹤旁路電壓，因?yàn)殒i相控制器17的輸入是大幅波動(dòng)的，導(dǎo)致控制器的輸出也是波動(dòng)的，從而導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)中的主機(jī)逆變電壓頻率不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定的控制必然導(dǎo)致從機(jī)很難跟蹤上輸出，直接導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)之間產(chǎn)生很大的環(huán)流。所以，利用傳統(tǒng)鎖相方法的并聯(lián)系統(tǒng)跟蹤旁路的速率必須很慢，并且跟蹤動(dòng)態(tài)過(guò)程不太可靠。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)的鎖相方法中當(dāng)旁路頻率發(fā)生較大變化時(shí)會(huì)使并聯(lián)系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定的問(wèn)題，特別是要解決并聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤相位的過(guò)渡過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大環(huán)流的問(wèn)題，以增強(qiáng)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。
本發(fā)明的技術(shù)方案在于，提供一種逆變器系統(tǒng)，在其鎖相控制單元中，由第一減法器計(jì)算出旁路電壓的相位(θbp)減去逆變輸出電壓的相位(θinv)所得的相位差(Δθ)，再由第一鎖相控制器對(duì)所述相位差(Δθ)進(jìn)行調(diào)節(jié)以生成第一調(diào)節(jié)量(θ’)；此外，還由第二減法器計(jì)算出旁路電壓的頻率(fbp)減去逆變輸出電壓的頻率(finv)所得的頻率差(Δf)，并由頻率跟蹤控制器根據(jù)所述頻率差(Δf)和設(shè)定的跟蹤速率(Δθset)，生成第二調(diào)節(jié)量(θstep)；然后由第二鎖相控制器根據(jù)所述第一調(diào)節(jié)量(θ’)生成第三調(diào)節(jié)量(θ23)；最后，由第二加法器將第二調(diào)節(jié)量(θstep)與第三調(diào)節(jié)量(θ23)相加，得到該逆變器系統(tǒng)的相位控制量(θ)，通過(guò)該相位控制量即可實(shí)現(xiàn)鎖相之目的。
在本發(fā)明的所述第二鎖相控制器中，采用根據(jù)所述頻率差(Δf)來(lái)控制所述乘法系數(shù)(K1)的合成控制器，由乘法器計(jì)算出所述第一調(diào)節(jié)量(θ’)與乘法系數(shù)(K1)之間的乘積，所述乘法器的輸出為所述第三調(diào)節(jié)量(θ23)。例如當(dāng)所述頻率差(Δf)的絕對(duì)值小于預(yù)定頻率值時(shí)，所述乘法系數(shù)(K1)為1；當(dāng)所述頻率差(Δf)的絕對(duì)值大于預(yù)定頻率值時(shí)，所述乘法系數(shù)(K1)為0。
在本發(fā)明的頻率跟蹤控制器中，可采用比例控制，比例積分控制或者比例積分微分控制。
該逆變器系統(tǒng)的鎖相方法，其特征在于包括以下步驟用旁路電壓的相位(θbp)減去逆變輸出電壓的相位(θinv)，得到兩者之間的相位差(Δθ)；對(duì)所述相位差(Δθ)進(jìn)行調(diào)節(jié)，生成第一調(diào)節(jié)量(θ’)；用旁路電壓的頻率(fbp)減去逆變輸出電壓的頻率(finv)，得到兩者之間的頻率差(Δf)；根據(jù)所述頻率差(Δf)和設(shè)定的跟蹤速率(Δθset)，生成第二調(diào)節(jié)量(θstep)；根據(jù)所述第一調(diào)節(jié)量(θ’)，生成第三調(diào)節(jié)量(θ23)；將第二調(diào)節(jié)量(θstep)與第三調(diào)節(jié)量(θ23)相加，得到該逆變器系統(tǒng)的相位控制量(θ)，并用該相位控制量(θ)對(duì)逆變器系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)鎖相之目的。
可見(jiàn)，本發(fā)明在現(xiàn)有鎖相方法的基礎(chǔ)上增加了鎖頻控制，將鎖相信號(hào)與鎖步信號(hào)合理地進(jìn)行合成，從而使并聯(lián)系統(tǒng)更可靠，且其跟蹤旁路頻率的速度靈活可控。
從背景技術(shù)分析中可以看出，現(xiàn)有鎖相控制方法中，當(dāng)旁路頻率發(fā)生較大的變化時(shí)，并聯(lián)逆變器系統(tǒng)和旁路之間會(huì)有較大的頻率差，從而導(dǎo)致它們的相位差在很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)是一個(gè)幅度很大的波動(dòng)量，一般在-180度到180度之間波動(dòng)。當(dāng)頻率差導(dǎo)致的相位差遠(yuǎn)大于鎖相控制相位的速度時(shí)，不但失去了控制的意義，而且加劇了逆變器輸出頻率的抖動(dòng)，當(dāng)此輸出頻率抖動(dòng)的逆變器作為主機(jī)時(shí)，其它的UPS就跟蹤此抖動(dòng)的頻率，必然導(dǎo)致從機(jī)的輸出頻率也會(huì)抖動(dòng)，這樣整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的輸出頻率都處于一個(gè)抖動(dòng)狀態(tài)，而頻率抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)UPS之間出現(xiàn)相位差，從而導(dǎo)致出現(xiàn)大的環(huán)流，影響并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。
采用本發(fā)明的方案后，跟蹤過(guò)程被分解為兩個(gè)部分，一部分為鎖頻過(guò)程，一部分為鎖相過(guò)程，通過(guò)合成控制器控制其合成關(guān)系，當(dāng)逆變器輸出電壓與旁路電壓之間的頻率差較大時(shí)，可以通過(guò)合成控制器消弱鎖相控制的大小，防止逆變器輸出電壓因?yàn)殒i相控制而產(chǎn)生抖動(dòng)；而通過(guò)頻率跟蹤控制器，又可使逆變器輸出頻率與旁路頻率一致，當(dāng)逆變器輸出頻率和旁路頻率一致后，通過(guò)合成控制器使鎖相控制發(fā)揮作用，最終使并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的輸出電壓的相位和旁路電壓的相位一致。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中圖1是并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的原理框圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的鎖相方法的原理圖；圖3是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中鎖相方法的原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖3所示為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
從圖中可以看出，旁路電壓被分別輸入旁路相位計(jì)算器器1和旁路頻率計(jì)算器10，從而分別計(jì)算出旁路電壓的相位θbp和頻率fbp。
同樣，逆變輸出電壓被分別輸入逆變相位計(jì)算器4和逆變頻率計(jì)算器7，從而分別計(jì)算出逆變輸出電壓的相位θinv和頻率finv。
然后，由第一減法器2計(jì)算出旁路電壓的相位θbp減去逆變輸出電壓的相位θinv所得的相位差Δθ。再將相位差Δθ輸入鎖相控制器3進(jìn)行調(diào)節(jié)，生成第一調(diào)節(jié)量θ′。其中的鎖相控制器3可以是PID(比例積分微分)控制器，也可以是PI(比例積分)控制器或者P(比例)控制器。在本實(shí)施例中，為了控制的簡(jiǎn)單可靠，采用一個(gè)P控制器和一個(gè)限幅控制器，也就是先進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，再進(jìn)行限幅處理，最終得到的第一調(diào)節(jié)量θ′＝Limit{KpΔθ}＝Limit{Kp(θbp-θinv)}其中，Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；Limit為限幅處理運(yùn)算，即限定的相位調(diào)整的范圍，當(dāng)KpΔθ在限幅范圍內(nèi)時(shí)，θ’的實(shí)際值為KpΔθ，如果KpΔθ超過(guò)范圍，θ’的實(shí)際值為設(shè)定限幅值。
同時(shí)，由第二減法器13計(jì)算出旁路電壓的頻率fbp減去逆變輸出電壓的頻率finv所得的頻率差Δf。再將頻率差Δf輸入到頻率跟蹤控制器11，生成第二調(diào)節(jié)量θstep。本發(fā)明中，通過(guò)頻率跟蹤控制器11來(lái)調(diào)節(jié)逆變器系統(tǒng)的跟蹤速率，為了保證跟蹤速率的穩(wěn)定，一般可以將調(diào)節(jié)設(shè)定為固定步長(zhǎng)遞增，控制率可以設(shè)計(jì)為 其中，Δθset為設(shè)定的跟蹤速率。
在圖3中，合成控制器5的輸入為頻率差Δf，而輸出則用于控制乘法器6的系數(shù)K1，在本實(shí)施例中，其控制率可以設(shè)計(jì)為 由上式可以看出，當(dāng)頻率差Δf的絕對(duì)值小于0.5Hz時(shí)，K1等于1，相應(yīng)地，乘法器6的輸出為第一調(diào)節(jié)量θ’；當(dāng)頻率差Δf的絕對(duì)值大于0.5Hz時(shí)，K1等于0，相應(yīng)地，乘法器6的輸出為0。
可見(jiàn)，當(dāng)逆變輸出電壓的頻率與旁路電壓的頻率之間的差值比較大時(shí)，第一調(diào)節(jié)量θ’不起作用，從而可防止逆變器輸出頻率的抖動(dòng)，使并聯(lián)系統(tǒng)的頻率相對(duì)穩(wěn)定，減少動(dòng)態(tài)過(guò)程中的環(huán)流。此時(shí)只有第二調(diào)節(jié)量θstep起作用，使并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的輸出頻率趨近旁路頻率。
上述乘法器6的輸出值和頻率跟蹤控制器11輸出的第二調(diào)節(jié)量θstep被輸入第二加法器8，兩者相加，得到第三調(diào)節(jié)量θ。
當(dāng)頻率差Δf的絕對(duì)值小于0.5Hz時(shí)，θ＝θstep+θ′；當(dāng)頻率差Δf的絕對(duì)值大于0.5Hz時(shí)，θ＝θstep。
用該相位控制量θ來(lái)控制并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的相位，即可實(shí)現(xiàn)鎖相之目。
在并聯(lián)逆變系統(tǒng)中，利用一般的的鎖相方法，因?yàn)榉€(wěn)定性問(wèn)題，往往需要將鎖相速度設(shè)定得很慢，導(dǎo)致跟蹤速度不可調(diào)整，而實(shí)際上有的用戶需要調(diào)整鎖相速度，以滿足不同負(fù)載對(duì)頻率跟蹤速度的適應(yīng)性，傳統(tǒng)的鎖相方法很難實(shí)現(xiàn)此用戶需求。新方法因?yàn)榧訌?qiáng)了并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的鎖相穩(wěn)定性，所以可以很方便地實(shí)現(xiàn)跟蹤頻率跟蹤速度可調(diào)整的功能。
權(quán)利要求
1.一種逆變器系統(tǒng)，其鎖相控制單元中包括用旁路電壓的相位(θbp)減去逆變輸出電壓的相位(θinv)，得到兩者之間的相位差(Δθ)的第一減法器；對(duì)所述相位差(Δθ)進(jìn)行調(diào)節(jié)以生成第一調(diào)節(jié)量(θ’)的第一鎖相控制器；其特征在于，還包括用旁路電壓的頻率(fbp)減去逆變輸出電壓的頻率(finv)，得到兩者之間的頻率差(Δf)的第二減法器；根據(jù)所述頻率差(Δf)和設(shè)定的跟蹤速率(Δθset)，生成第二調(diào)節(jié)量(θstep)的頻率跟蹤控制器；根據(jù)所述第一調(diào)節(jié)量(θ’)生成第三調(diào)節(jié)量(θ23)的第二鎖相控制器；以及，將第二調(diào)節(jié)量(θstep)與第三調(diào)節(jié)量(θ23)相加，得到該逆變器系統(tǒng)的相位控制量(θ)的第一加法器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述第二鎖相控制器中包括根據(jù)所述第二減法器輸出的頻率差(Δf)來(lái)控制所述乘法系數(shù)(K1)大小的合成控制器；將所述第一調(diào)節(jié)量(θ’)與乘法系數(shù)(K1)相乘的乘法器，所述乘法器的輸出為所述第三調(diào)節(jié)量(θ23)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述頻率差(Δf)的絕對(duì)值小于預(yù)定頻率值時(shí)，所述乘法系數(shù)(K1)為1；當(dāng)所述頻率差(Δf)的絕對(duì)值大于預(yù)定頻率值時(shí)，所述乘法系數(shù)(K1)為0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，其鎖相控制單元中還包括根據(jù)旁路電壓計(jì)算出旁路電壓的相位(θbp)的旁路相位計(jì)算器；根據(jù)逆變輸出電壓計(jì)算出逆變輸出電壓的相位(θinv)的逆變相位計(jì)算器；根據(jù)旁路電壓計(jì)算出旁路電壓的頻率(fbp)的旁路頻率計(jì)算器；根據(jù)逆變輸出電壓計(jì)算出逆變輸出電壓的頻率(finv)的逆變頻率計(jì)算器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一鎖相控制器可以是比例積分微分控制器、比例積分控制器或比例控制器。
6.一種逆變器系統(tǒng)的鎖相方法，其特征在于，包括以下步驟(1)用旁路電壓的相位(θbp)減去逆變輸出電壓的相位(θinv)，得到兩者之間的相位差(Δθ)；(2)對(duì)所述相位差(Δθ)進(jìn)行調(diào)節(jié)，生成第一調(diào)節(jié)量(θ’)；(3)用旁路電壓的頻率(fbp)減去逆變輸出電壓的頻率(finv)，得到兩者之間的頻率差(Δf)；(4)根據(jù)所述頻率差(Δf)和設(shè)定的跟蹤速率(Δθset)，生成第二調(diào)節(jié)量(θstep)；(5)根據(jù)所述第一調(diào)節(jié)量(θ’)，生成第三調(diào)節(jié)量(θ23)；(6)將第二調(diào)節(jié)量(θstep)與第三調(diào)節(jié)量(θ23)相加，得到該逆變器系統(tǒng)的相位控制量(θ)，并用該相位控制量(θ)對(duì)逆變器系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)鎖相之目的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的逆變器系統(tǒng)的鎖相方法，其特征在于，在第(4)步中，當(dāng)所述頻率差(Δf)大于0時(shí)，所述第二調(diào)節(jié)量(θstep)為所述設(shè)定跟蹤速率(Δθset)對(duì)時(shí)間的積分；當(dāng)所述頻率差(Δf)小于0時(shí)，所述第二調(diào)節(jié)量(θstep)為負(fù)的所述設(shè)定跟蹤速率(-Δθset)對(duì)時(shí)間的積分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的逆變器系統(tǒng)的鎖相方法，其特征在于，在第(5)步中，根據(jù)所述的頻率差(Δf)控制乘法系數(shù)(K1)；將第一調(diào)節(jié)量(θ’)乘以乘法系數(shù)(K1)得到第三調(diào)節(jié)量(θ23)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的逆變器系統(tǒng)的鎖相方法，其特征在于，當(dāng)所述頻率差(Δf)的絕對(duì)值小于預(yù)定頻率值時(shí)，所述乘法系數(shù)(K1)為1；當(dāng)所述頻率差(Δf)的絕對(duì)值大于預(yù)定頻率值時(shí)，所述乘法系數(shù)(K1)為0。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的逆變器系統(tǒng)的鎖相方法，其特征在于，所述預(yù)定頻率值為0.5Hz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種逆變器系統(tǒng)，為解決現(xiàn)有鎖相方法會(huì)使逆變器系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，在其鎖相控制單元中，由第一減法器計(jì)算出旁路電壓的相位減去逆變輸出電壓的相位所得的相位差，再由第一鎖相控制器對(duì)相位差進(jìn)行調(diào)節(jié)以生成第一調(diào)節(jié)量；此外，還由第二減法器計(jì)算出旁路電壓的頻率減去逆變輸出電壓的頻率所得的頻率差，并由頻率跟蹤控制器根據(jù)頻率差和設(shè)定的跟蹤速率生成第二調(diào)節(jié)量；然后由第二鎖相控制器根據(jù)第一調(diào)節(jié)量生成第三調(diào)節(jié)量，再由第二加法器將第二調(diào)節(jié)量與第三調(diào)節(jié)量相加，得到該逆變器系統(tǒng)的相位控制量，利用該相位控制量即可實(shí)現(xiàn)鎖相之目的。其中的第二鎖相控制器中包括將所述第一調(diào)節(jié)量與由頻率差控制的乘法系數(shù)相乘的乘法器，該乘法器的輸出即為所述第三調(diào)節(jié)量。
文檔編號(hào)H02M7/48GK1610233SQ20031010423
公開日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2003年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者盛小軍, 卓清鋒, 周黨生 申請(qǐng)人:力博特公司