不間斷電源系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及供電電源技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種不間斷電源系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著近年來數(shù)據(jù)中心電源負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，能效指標(biāo)要求越來越高。對(duì)于應(yīng)用于高密度數(shù)據(jù)中心的不間斷電源系統(tǒng)(UPS)，不僅要為IT設(shè)備供電，還要保證IT設(shè)備運(yùn)行的空調(diào)等輔助設(shè)備供電，電源需求會(huì)持續(xù)增加。由于數(shù)據(jù)中心的高密度化是一種必然的趨勢(shì)，因此對(duì)為其提供電力保障的UPS提出了全新的要求。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供電方式中，一般采用基于雙變換技術(shù)的在線式UPS電源。這種在線式UPS的主要缺點(diǎn)是在強(qiáng)電網(wǎng)供電環(huán)境下的電能損耗較大，運(yùn)行成本較高，并且，傳統(tǒng)的UPS在電網(wǎng)電能質(zhì)量差時(shí)不能有效的進(jìn)行改善，因此不能滿足數(shù)據(jù)中心高質(zhì)量供電的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]基于此，有必要提供一種電能損耗較小且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行改善的不間斷電源系統(tǒng)及其控制方法。
[0004]—種不間斷電源系統(tǒng)，包括儲(chǔ)能蓄電池，還包括:監(jiān)測(cè)電路，用于監(jiān)測(cè)市電是否正常，并在市電正常時(shí)輸出第一監(jiān)測(cè)信號(hào)，在市電異常時(shí)輸出第二監(jiān)測(cè)信號(hào)；可控開關(guān)，連接于市電和公共連接點(diǎn)之間且與所述監(jiān)測(cè)電路連接;所述可控開關(guān)在所述第一監(jiān)測(cè)信號(hào)的控制下導(dǎo)通，使得所述不間斷電源系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)模式;所述可控開關(guān)在所述第二監(jiān)測(cè)信號(hào)的控制下斷開，使得所述不間斷電源系統(tǒng)進(jìn)入離網(wǎng)模式;并網(wǎng)控制電路，包括諧波和無功電流提取電路和電流環(huán)控制電路;所述諧波和無功電流提取電路分別與所述公共連接點(diǎn)的市電側(cè)、所述電流環(huán)控制電路連接;所述電流環(huán)控制電路還與變流器的輸出端連接，以接收變流器的輸出電流反饋信號(hào);所述諧波和無功電流提取電路用于根據(jù)市電電流的諧波和無功分量提取諧波和無功補(bǔ)償指令信號(hào);所述電流環(huán)控制電路用于根據(jù)所述諧波和無功補(bǔ)償指令信號(hào)、所述輸出電流反饋信號(hào)生成并網(wǎng)控制信號(hào);離網(wǎng)控制電路，包括電壓外環(huán)電路和電流內(nèi)環(huán)電路;所述電壓外環(huán)電路的第一輸入端與變流器的輸出端連接，以接收變流器的輸出電壓反饋信號(hào);所述電壓外環(huán)電路的第二輸入端用于接收電壓環(huán)給定電壓值;所述電壓外環(huán)電路的輸出端與所述電流內(nèi)環(huán)電路的第一輸入端連接;所述電流內(nèi)環(huán)電路的第二輸入端與所述變流器的輸出端連接，以接收所述變流器的輸出電流反饋信號(hào);所述電壓外環(huán)電路用于根據(jù)所述電壓環(huán)給定電壓值和所述變流器的輸出電壓反饋信號(hào)生成電流內(nèi)環(huán)給定信號(hào);所述電流內(nèi)環(huán)電路用于根據(jù)所述電流內(nèi)環(huán)給定信號(hào)和所述輸出電流反饋信號(hào)生成離網(wǎng)控制信號(hào);模式切換開關(guān);所述模式切換開關(guān)的固定端與所述變流器的控制端連接;所述模式切換開關(guān)的第一觸點(diǎn)與所述并網(wǎng)控制電路的輸出端連接;所述模式切換開關(guān)的第二觸點(diǎn)與所述離網(wǎng)控制電路的輸出端連接;所述模式切換開關(guān)用于在所述第一監(jiān)測(cè)信號(hào)的控制下接通第一觸點(diǎn)，在所述第二監(jiān)測(cè)信號(hào)的控制下接通第二觸點(diǎn)；以及變流器，所述變流器連接于所述儲(chǔ)能蓄電池和所述公共連接點(diǎn)之間;所述變流器用于根據(jù)所述并網(wǎng)控制信號(hào)或者所述離網(wǎng)控制信號(hào)對(duì)輸出電壓或者輸出電流進(jìn)行控制。
[0005]在其中一個(gè)實(shí)施例中，還包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器;所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器連接于所述模式切換開關(guān)的固定端和所述變流器的控制端之間;所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器用于根據(jù)所述并網(wǎng)控制信號(hào)或者所述離網(wǎng)控制信號(hào)生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以對(duì)所述變流器進(jìn)行控制。
[0006]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述諧波和無功電流提取電路包括順次連接的第一三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊、低通濾波器、第一兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊以及第一三相加法器;所述第一三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接于所述公共連接點(diǎn)的市電側(cè)，且還與所述第一三相加法器的輸入端連接;所述第一三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)三相市電電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到具有低頻紋波的d軸直流量和q軸直流量后送入所述低通濾波器分別進(jìn)行濾波處理;所述第一兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊用于將處理后的d軸直流量和q軸直流量轉(zhuǎn)換成三相電網(wǎng)電流基波分量;所述第一三相加法器用于將諧波和無功電流提取電路得到的三相電網(wǎng)電流基波分量與所述三相市電電流進(jìn)行相減后得到三相市電電流的諧波和無功補(bǔ)償指令信號(hào)；所述并網(wǎng)控制電路的電流環(huán)控制電路包括順次連接的第二三相加法器和電流環(huán)控制器;所述第二三相加法器的輸入端分別與所述第一三相加法器的輸出端、變流器的輸出端連接；所述電流環(huán)控制器的輸出端與所述模式切換開關(guān)的第一觸點(diǎn)連接;所述第二三相加法器用于將所述三相市電電流的諧波和無功補(bǔ)償指令信號(hào)與三相輸出電流反饋信號(hào)進(jìn)行相減后得到三相誤差信號(hào);所述電流環(huán)控制器則用于根據(jù)所述三相誤差信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制并生成三相并網(wǎng)控制信號(hào)。
[0007]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述電壓外環(huán)電路包括相互串聯(lián)的電壓環(huán)加法器和電壓環(huán)控制器;所述電壓環(huán)加法器的第一輸入端與所述變流器的輸出端連接，用于接收輸出電壓反饋信號(hào);所述電壓環(huán)加法器的第二輸入端用于接收所述電壓環(huán)給定電壓值;所述電壓環(huán)加法器用于將所述電壓環(huán)給定電壓值與所述輸出電壓反饋信號(hào)進(jìn)行相減得到電壓誤差信號(hào);所述電壓環(huán)控制器用于根據(jù)所述誤差信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制并生成電流內(nèi)環(huán)給定信號(hào);所述電流內(nèi)環(huán)電路包括順次連接的電流環(huán)加法器和電流環(huán)控制器;所述電流環(huán)加法器的第二輸入端與所述變流器的輸出端連接，以接收輸出電流反饋信號(hào);所述電流環(huán)加法器的第一輸入端與所述電壓環(huán)控制器的輸出端連接;所述電流環(huán)控制器的輸出端與所述模式切換開關(guān)的第二觸點(diǎn)連接;所述電流環(huán)加法器用于將所述電流內(nèi)環(huán)給定信號(hào)與所述輸出電流反饋信號(hào)進(jìn)行相減得到電流誤差信號(hào);所述電流環(huán)控制器用于根據(jù)所述電流誤差信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制并生成離網(wǎng)控制信號(hào)。
[0008]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述電壓外環(huán)電路還包括第二三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊;所述電壓環(huán)加法器包括電壓環(huán)d軸加法器和電壓環(huán)q軸加法器;所述電壓環(huán)控制器包括電壓環(huán)d軸控制器和電壓環(huán)q軸控制器;所述第二三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述變流器的輸出端連接，所述第二三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊的輸出端分別與所述電壓環(huán)d軸加法器、電壓環(huán)q軸加法器連接;所述電流內(nèi)環(huán)電路還包括第三三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊和第二兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊;所述電流環(huán)加法器包括電流環(huán)d軸加法器和電流環(huán)q軸加法器;所述電流環(huán)控制器包括電流環(huán)d軸控制器和電流環(huán)q軸控制器;所述第三三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述變流器的輸出端連接;所述第三三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊的輸出端分別與所述電流環(huán)d軸加法器、所述電流環(huán)q軸加法器連接;所述第二兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊的輸入端分別與所述電流環(huán)d軸控制器、電流環(huán)q軸控制器的輸出端連接，所述第二兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊的輸出端則與所述模式切換開關(guān)的第二觸點(diǎn)連接。
[0009]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述電壓環(huán)控制器和所述電流環(huán)控制器均為PI調(diào)節(jié)器。
[0010]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述變流器為雙向變流器;所述監(jiān)測(cè)電路還用于對(duì)所述儲(chǔ)能蓄電池的電壓或者剩余容量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并輸出電壓值或者剩余容量值;所述不間斷電源系統(tǒng)還包括比較電路;所述比較電路分別與所述監(jiān)測(cè)電路、所述雙向變流器連接;所述比較電路用于在并網(wǎng)模式時(shí)判斷所述電壓值或者所述剩余容量值是否低于預(yù)設(shè)值，并在所述電壓值或者所述剩余容量值低于預(yù)設(shè)值時(shí)輸出充電信號(hào);所述變流器根據(jù)所述充電信號(hào)由逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)為整流狀態(tài)對(duì)所述儲(chǔ)能蓄電池進(jìn)行充電。
[0011]在其中一個(gè)實(shí)施例中，還包括電抗器;所述電抗器的輸入端與所述可控開關(guān)的輸出端連接;所述電抗器的輸出端接入公共連接點(diǎn)。
[0012]在其中一個(gè)實(shí)施例中，還包括旁路開關(guān);所述旁路開關(guān)分別與市電、負(fù)載連接;所述旁路開關(guān)用于在所述不間斷電源系統(tǒng)需要進(jìn)行維修時(shí)導(dǎo)通從而由市電直接向負(fù)載供電。
[0013]—種不間斷電源系統(tǒng)的控制方法，用于控制如前述任一實(shí)施例所述的不間斷電源系統(tǒng)在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式之間進(jìn)行切換，所述控制方法包括:監(jiān)測(cè)市電是否正常;若市電正常則輸出第一監(jiān)測(cè)信號(hào)控制可控開關(guān)導(dǎo)通，使得所述不間斷電源系統(tǒng)與市電并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)入并網(wǎng)模式;控制模式切換開關(guān)接通第一觸點(diǎn)；控制所述諧波和無功電流提取電路根據(jù)市電電流的諧波和無功分量提取諧波和無功補(bǔ)償指令信號(hào);控制所述電流環(huán)控制電路根據(jù)所述諧波和無功補(bǔ)償指令信號(hào)、所述輸出電流反饋信號(hào)生成并網(wǎng)控制信號(hào)以對(duì)所述變流器的輸出電流進(jìn)行控制;控制所述離網(wǎng)控制電路工作，但并不參與并網(wǎng)控制電路的控制過程，所述電壓外環(huán)電路根據(jù)所述電壓環(huán)給定電壓值和所述輸出電壓反饋信號(hào)生成電流內(nèi)環(huán)給定信號(hào);所述電流內(nèi)環(huán)電路根據(jù)所述電流內(nèi)環(huán)給定信號(hào)和所述輸出電流反饋信號(hào)生成離網(wǎng)控制信號(hào);若市電異常則輸出第二監(jiān)測(cè)信號(hào)控制可控開關(guān)斷開，使得所述不間斷電源系統(tǒng)獨(dú)立向負(fù)載供電，進(jìn)入離網(wǎng)模式;控制模式切換開關(guān)從第一觸點(diǎn)接至第二觸點(diǎn);根據(jù)所述離網(wǎng)控制信號(hào)對(duì)所述變流器的輸出電壓進(jìn)行控制。
[0014]上述不間斷電源系統(tǒng)具有并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作模式。在市電正常時(shí)，并網(wǎng)控制電路根據(jù)市電電流中的諧波和無功分量提取諧波和無功補(bǔ)償指令信號(hào)并通過對(duì)變流器的電流閉環(huán)控制將諧波和無功補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)以進(jìn)行無功和諧波補(bǔ)償，從而對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行改善，減少了電能損耗，具有較高的能效指數(shù)。并且，離網(wǎng)控制電路在并網(wǎng)模式時(shí)不參與控制，但仍處于運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)根據(jù)電壓環(huán)