无线并联控制方法及系统 【技术领域】
本发明涉及一种无线并联控制方法及系统，该方法和系统是一种利用交流输出并联的不间断电源模块或逆变器其本身内阻特性，配合平移电流法仿真输出电感，以解决串联电感所衍生体积庞大、重量增加的问题。
背景技术
随着经济和科学的发展，人们对电力电源可靠性的要求越来越高。尤其是在当今的经济信息比较发达的时代，电子计算机等各种数字设备，一旦断电都可能造成大量的资料流失，导致严重的经济损失。
有鉴于此，不间断电源设备即应运而生。然而，随着负载设备演进，规格差异越来越大，当负载需要扩增时，原本的不间断电源能力可能不足，或随着可靠度的要求越来越高，将不间断电源系统设计成模块化，具有并联且冗余的需求也是必然的趋势。
目前可以实现的模块化不间断电源系统的控制方式不外乎有线模式与无线模式，其中采取有线并联控制者如美国第5,257,180号「具环流限制的交流输出逆变器的并联操作控制系统」发明专利案。而采用无线并联控制者，如美国第5,745,356号「并联交流电源系统的独立负载分配」、第6,118,680号「在一个交流电源供应器中并联的逆变器，其负载分配的方法及设备」、以及第6,356,471号「并联电力系统及不间断电源包含相同动态回授适应控制系统和方法」等发明专利案。
在目前各式各样的负载对于电力要求日趋严格，对于并联产品可靠性日趋依赖，无线并联相对于有线并联，对于控制信号具有不存在并联控制线故障造成单点失效的优点，使得系统的可靠性升至最高。在美国专利5,745,356中所提出的方法，只计算本机在直流端所提供的能量，与有功功率地微分，并不能对无功功率加以有效的控制，加以采取微分的方式，抗干扰能力差，也无法处理谐波；在美国专利6,118,680中所提出的方法，乃是通过计算电压面积的方式来进行锁相作业，除了计算的精确度，波形是否含有高次谐波问题外，也无法对有功功率，无功功率提供直接而有效的控制；在美国专利案6,356,471中所提出的方法，虽然，可能针对上述的方法加以改善，但是，其输出必须并联一个电感。
无线并联的基本原理源自于电力系统中发电机并联发电的模式，然而不间断电源模块与发电机在物理特性上存在很大的差异，发电机有一个很大且呈电感性的内阻，而不间断电源模块的内阻很小，且一般呈阻性。
为仿真发电机模型以实现不间断电源模块的无线并联，首先假设并联的不间断电源模块输出端分别串联一个较大的电感，如图1所示：
其中不间断电源模块以一个理想电压源Voi→=|Voi→|∠δi]]>和一个等效内阻Zoi来模拟。Zoi一般呈阻性。Zsi＝jXsi为第i个模块的串联的输出电感，Zsi＞＞Zoi。若忽略不间断电源模块的输出内阻，且在∠δi不太大的情况下可以得到不间断电源模块的输出功率表达式：
Poi=|Voi→|·|Vo→|Xsisinδi---(1)]]>
Qoi=|Voi→|·|Vo→|cosδi-|Vo→|2Xsi---(2)]]>
由以上表达式可以得到，有功功率与和的相位夹角δi近似成正比，即有功功率反应了相位差的大小，无功功率与近似成正比，即无功功率反应了输出电压差的高低。
并可同时定义出两条关于P-ω(有功功率-频率)，和Q-V(无功功率-电压)的下降曲线(如图2所示)。
ω＝ω0-kω*P (3)
V＝V0-kV*Q (4)
ω0可随情况设为50Hz或60Hz；V0可随情况设为120Vac或230Vac等。
根据式(1)～(4)，即可利用功率/斜率方法实现无线并联。每一个不间断电源模块输出电压的相位和幅值，和并联后合成的输出电压的相位和幅值的关系，请参阅图3所示：
表示不间断电源模块i的逆变器的等效输出电压，不间断电源模块并联合成的输出电压。如果保持恒定，当频率增大，相角差δi亦增大，则根据式(1)可知，不间断电源模块i输出的有功功率增大。又根据式(3)和P-ω的关系，有功功率的增加又导致频率的降低，相角差δi又将随的减小。如果频率减小，亦将有相同的结果。最终导致和有着相同的频率和固定的相位差，因而确保并联不间断电源模块之间的相位和频率关系。
类似前述的分析方法，如果保持恒定，当输出电压增大时，根据式(2)不间断电源模块i输出的无功功率将增大；又根据式(4)Q-V的关系，可以得到输出电压的幅值又将经调节而变小。此一相互制约的负回馈关系确保了和之间幅值上的相对恒定。
由以上的分析可以知道，利用功率/斜率下降法可以实现无线并联控制，但前提在于不间断电源模块必须在输出端串联一个很大的电感，而电感主要由绕组构成，其串联在不间断电源模块的输出端上，无疑将使得不间断电源模块的体积变大、重量增加，且动态性能变差。而且带载后，因为电感存在内阻，使输出调整精度变差。至此，无线并联控制功能与模块体积、重量及调整精度的特性形成互斥，如何兼顾，显然有待进一步谋求可行的解决方案。
【发明内容】
因此，本发明主要目的在于提供一种无线并联控制方法及系统，该方法和系统可解决串联电感所衍生的体积、重量问题。并可直接针对有功功率和无功功率加以直接而有效的控制，同时，因为不需采用微分或积分锁相，所以不受高频谐波的影响，也不需实际加上一个电感。藉此，可以省去笨重而昂贵的输出电感，却依然符合功率斜率下降法(Droop Method)的特性。
为达成前述目的采取的主要技术手段是先对不间断电源模块采样取得输出电流，然后将输出电流平移一定的相角，接着利用平移相角后的电流与输出电压求得虚拟的有功功率和无功功率功率差值，再根据P-ω的关系调节输出频率，根据Q-V的关系调节输出电压，以达无线并联的目的。
本发明次一目的在提供一种无线并联控制系统。
前述无线并联控制系统由至少一不间断电源模块并联组成，每一不间断电源模块的交流输出部分通过一电源分配器(POD，PowerOutput Distribution)以相互并联，藉以对负载供电；其中：每一不间断电源模块分别包括有：
一逆变器；
一PWM驱动电路，用以驱动前述逆变器；
一电感电流检测器，系位于前述逆变器所包含电感电流流经的路径上；
一输出电压检测器，系位于前述逆变器的输出端上；
一负载电流检测器，系位于前述逆变器的输出端上；
一控制单元，系连接前述PWM驱动电路、电感电流检测器、输出电压检测器及负载电流检测器组成；其中：
该控制单元用以执行平移电流法，使不间断电源模块进行无线并联。
该控制单元先对不间断电源模块采样取得输出电流，然后将其平移一定的角度，又利用平移相角后的电流与输出电压求得虚拟的有功功率和无功功率功率差值，再根据P-ω的关系调节输出频率，根据Q-V的关系调节输出电压。
该控制单元由一数字信号处理器(DSP)以软件构成。
本发明的次一目的是提供一种与有线并联模式切换运作的无线并联控制方法与系统。
为达成前述目的，本发明采用并联系统中各不间断电源模块在有线并联模式下，以一组线路相互连接，该组线路包括有一分流线路、一同步时序信号线及一通信线；
在有线并联控制模式下，各不间断电源模块通过前述信号线组取得其它不间断电源模块的讯息，以运算后进行有线并联控制；如切换至无线并联控制模式时，则前述信号线组均不工作。
前述分流线路用以连接各不间断电源模块的负载电流检测器。
【附图说明】
图1为一串接输出电感的并联系统等效方块图。
图2为功率斜率下降关系的示意图。
图3为功率斜率下降法的向量图。
图4为本发明在无线控制下的并联系统接线示意图。
图5为本发明无线控制并联系统中不间断电源模块的控制方块图。
图6为本发明在有线控制下的并联系统接线示意图。
图7为本发明有线控制并联系统中不间断电源模块的控制方块图。
图8为一无串接输出电感的并联系统等效方块图。
图9为平移电流法的控制方块图。
图中符号说明：
10、101～10N 不间断电源模块
11 逆变器 12 PWM驱动电路
13 电感电流检测器 14 输出电压检测器
15 负载电流检测器 16 分流线路
20 电源分配器 21 分流线
22 同步时序信号线 23 通信线
30 控制单元
【具体实施方式】
如图4所示，揭露有一不间断电源模块并联系统的系统接线示意图，其由不特定数目的不间断电源模块10、101～10N并联组成，每一不间断电源模块10、101～10N的交流输出部分，若是并联功率较大，令其输出通过一电源分配器20(POD，Power Output Distribution)并联在一起后为负载供电。若是并联的不间断电源模块功率较小，可经由配线相互联接，共同对负载提供能量。必须声明的是：本发明除应用在前述不间断电源模块并联系统外，亦适用于以逆变器交流输出并联的电源系统。
又，前述图4所示的不间断电源模块10、101～10N为单相输入、单相输出，但同样适用三相输入单相输出系统，不同处只在于输入增加两相(S相、T相)，逆变器部分没有改变，锁相以及旁路均以R相为准。
又如图5所示，为前述各不间断电源模块10、101～10N的功能方块图(图中仅以其中一不间断电源模块10为例说明)，主要构造包括有一逆变器11、驱动逆变器11的PWM驱动电路12、位于逆变器11内的电感电流检测器13、以及位于逆变器11输出端上的输出电压检测器14、负载电流检测器15等与一控制单元30；其中：
控制单元30可由一数字信号处理器(DSP)以软件达成的。
在前述系统实施例中，各不间断电源模块10除功率线(O/P)外，其彼此间并无其它的信号连结，在此架构下，各不间断电源模块10间可通过无线模式执行并联控制。然而，该无线并联控制模式依然可运用于有线的电源并联系统，其系统除上述基本架构外，令各不间断电源模块10、101～10N间进一步通过下列各组信号线完成所有信号的交流(请参阅图6所示)，以供进行有线并联的控制模式，其包括：
一分流线21(Load Share Current)，负责各并联模块输出负载电流信息的交换，其上的电压值即表示并联各不间断电源模块10、101～10N输出电流的平均值。
一同步时序信号线22(Synchronizing Clock Signal)，其负责令所有并联的不间断电源模块10、101～10N相位同步。
一通信线23(Communication Line)，供各并联的不间断电源模块10、101～10 N交换信息，是实现实时监控系统运行状态功能所必需的部分。
在前述基本架构下，各不间断电源模块10、101～10N通过分流线21、同步时序信号线22与通信线23相互连接，交换讯息，而在有线并联控制模式下工作；
又请参阅参阅图7所示，为不间断电源模块10、101～10N在有线并联模式下的功能方块图，除仍具备逆变器11、PWM驱动电路12、电感电流检测器13、输出电压检测器14、负载电流检测器15、控制单元30等主要组成组件外，该负载电流检测器15是通过一分流线路16及前述分流线21与其它不间断电源模块101～10N连接，并根据分流线路16取得的电流信号进行运算，以作为并联控制的依据。
由于有线并联模式并非本发明主要诉求标的，其工作原理容不进一步详述。
为提高前述并联系统的可靠性，减少单点失效，本发明主要在提出可避免通信故障造成单点失效的无线并联模式，该无线并联控制模式仍采用传统的功率斜率下降法(Droop Method)，即利用仿真的P-ω与Q-V斜率下降曲线来实现自动锁相与均流。
由发明背景对于无线并联原理的分析可知，无线并联控制的前提是需要在不间断源模块输出端上串联一个很大的电感，但电感将使不间断电源模块的体积变大、重量增加，且动态性能变差。基于前述考量，本发明提出了以不间断电源模块内阻特性配合负载电流平移相角运算仿真出串联输出电感的效果，又以不间断电源模块内部环流计算与环流相关的有功功率、无功功率的方法，达成无线并联控制的目的。
在采行的技术原理方面，假设将电感串联在不间断电源模块的电流输出端上，可利用电感上落后于电压方向的电流与对应的电压值，运算得到个别不间断电源模块的输出有功功率与无功功率，并用以调节输出电压及相位，如第(1)～(4)式；仿照上述的方法，在功率计算时，令负载电流落后一个β角度，配合不间断电源模块本身的内阻特性仿真上述的电感作用，利用环流因内阻所引起对每一个不间断电源模块输出电压幅值和相位角的影响，得到近似(1)～(4)式的关系式，此即为平移电流方法的基本原理。
又，平移相角所得到的电流与输出电压计算有功功率和无功功率功率数值，并不是实际的有功功率和无功功率，因此，本实施例中以VP，VQ(Virtual P、Q)表示利用平移电流法计算的功率。
如图8所示，为不间断电源模块输出端不串接电感时的并联模型，不间断电源模块i的等效理想电压源与总输出电压夹角为δi，而不间断电源模块的内阻则以表示。
为方便进一步说明，特列出下文需用到的字母符号及其意义：
Vo→=|Vo→|∠0]]>-并联电压，并以其相角为基准0度；
S-总输出功率；
IL→=|IL→|∠θ]]>-对应于S的总负载电流，其与夹角为θ；
-第i个不间断电源模块的等效输出电压；
-第i个不间断电源模块的输出电流；
δi-第i个不间断电源模块与的夹角；
αi-第i个不间断电源模块所包含环流向量的相位角；
ξi-第i个不间断电源模块本身的内阻的相位角
si(t)-第i个不间断电源模块瞬时输出功率
假设n个不间断电源模块并联运行，总负载为S，总负载电流为可知IL1→+IL2→+···+ILn→=IL→,]]>若系统均流，则有|ILi→|≈|IL→n|.]]>系统中第i个不间断电源模块的输出电流为ILi→=|ILi→|(cosθi+jsinθi),]]>在环流不太大的情况下，可进一步近似地分解为均流的负载电流与流经该模块的环流的和：
ILi→=|ILi→|(cosθi+jsinθi)=[|IL→|n(cosθi+jsinθi)+|ΔILi→|(cosαi+jsinαi)]---(5)]]>
因此，第i个不间断电源模块瞬时输出功率值Si(t)为：
Si(t)＝Pi(t)+jQi(t)
=|Vo→|·|ILi→|(cosθi+jsinθi)]]>
=|Vo→|·[|IL→|n(cosθi+jsinθi)+|ΔILi→|(cosαi+jsinαi)]---(6)]]>
=|Vo→||IL→|n[cosθi+jsinθi]+|Vo→||ΔILi→|[cosαi+jsinαi]]]>
其中，由环流所造成的有功功率、无功功率如下：
ΔPi=|Vo→||ΔILi→|cosαi---(7)]]>
ΔQi=|Vo→||ΔILi→|sinαi---(8)]]>
同时，环流可以看成是第i个不间断电源模块等效输出电压与总输出电压的差且因内阻所造成的电流，其表示式如下：
ΔILi→=|ΔILi→|(cosαi+jsinαi)]]>
=Voi→-Vo→Zoi→=|Voi→|[cosδi+jsinδi]-|Vo→||Zoi→|(cosξi+jsinξi)---(9)]]>
此时若令输出电流在运算时延时一个β角度，则环流亦会一并滞后一个β角，故可令第(9)式进一步近似如下：
ΔILi′→=|ΔILi→|[cos(αi-β)+jsin(αi-β)]]]>
=Voi→-Vo→Zoi→=[|Voi→|cos(δi-ξ-β)-|Vo→|cos(ξ+β)]+j[|Voi→|sin(δi-ξ-β)+|Vo→|sin(ξ+β)]|Zoi→|---(10)]]>
由上式，可以利用β角补偿ξi角，使得(β+ξi)约为则可以使得由平移相角后虚拟的环流所计算出的有功功率/无功功率差值ΔVPi/ΔVQi亦可符合如同(1)(2)式的线性关系如下：
ΔVPi=|Vo→||ΔILi→|cos(αi-β)=|Vo→||Voi→||Zoi→|sinδi---(11)]]>
ΔVQi=|Vo→||ΔILi→|sin(αi-β)=-|Vo→||Voi→|cosδi-|Vo→|2|Zoi→|---(12)]]>
由以上描述可以得到，利用已知不间断电源模块本身内阻的相角ξi，确定平移补偿的β角，使得(β+ξi)约为得到(11)(12)式，以仿真输出串联电感的特性，而援用下降法得到与输出频率、输出电压幅值近似线性的关系式。
由(11)(12)式可以得到修正后的下降法如下：
ωi(t)=ω0-kω*VPi(t)=ω0-kω*|Vo→||ILi→|cos(θi-β)]]>
=ω0-kω*|Vo→|[|IL*→|ncos(θi-β)+|ΔILi→|cos(αi-β)]---(13)]]>
={ω0-kω*|Vo→||IL*→|ncos(θi-β)}-kω*|Vo→||ΔILi→|cos(αi-β)]]>
≈ωi*-kω*ΔVPi]]>
ωi*表示带载状态下稳态的输出频率。
Vi(t)=V0-kV*VQi(t)=ω0-kV*|Vo→||ILi→|sin(θi-β)]]>
=V0-kV*|Vo→|[|IL*→|nsin(θi-β)+|ΔILi→|sin(αi-β)]---(14)]]>
={V0-kV*|Vo→||IL*→|nsin(θi-β)}-kV*|Vo→||ΔILi→|sin(αi-β)]]>
≈Vi*-kV*ΔVQi]]>
Vi*表示带载状态下稳态的输出电压。
如上所述，在(13)式中，当ΔVPi大于零时，表示不间断电源模块提供了较预期多的功率，故调整频率，使的下降，趋近于ωi*；反的，当ΔVPi小于零时，表示不间断电源模块提供了较预期少的功率，故调整频率，使的上升，趋近于ωi*。(14)式中输出幅值与无功功率的调整亦近似于(13)式。
在具体技术手段方面，如前所述，图5揭示该无线并联控制下，各不间断电源模块10、101～10N的功能方块图(图中仅以其中一不间断电源模块10为例说明)，主要构造包括有一逆变器11、驱动逆变器11的PWM驱动电路12、位于逆变器11输出端上的电感电流检测器13、输出电压检测器14、负载电流检测器15等与一控制单元30；其中：
该控制单元30仍通过一数字信号处理器(DSP)以软件达成的，其用以执行前述的平移电流法以实现无线并联，其具体的控制流程请配合参阅图9所示，其首先对不间断电源模块采样，由负载电流检测器15检出输出电流，然后将输出电流平移β角度，再利用平移相角后的电流与输出电压的正交分解量(V0*cosφ，V0*sinφ)相乘求得虚拟的有功功率和无功功率功率差值，最后根据P-ω的关系调节输出频率，根据Q-V的关系调节输出电压。
又由图5可看出，前述方法不仅适用于多不间断电源模块的并联，也可将一部不间断电源模块加入到已并联不间断电源模块中，亦等同于不间断电源模块交流输出与市电并联的状况，所以不间断电源模块并联系统与市电的并联是可行的，而且可以通过调整P-ω曲线，方便地在不间断电源模块并联系统与市电间随意分配负载。在与市电并联情况下，为不间断电源模块并联系统可靠度的考虑，可以让市电承担大部分的负载。
由上述可知，就物理意义而言，平移电流法是利用不间断电源模块本身的内阻特性配合平移负载电流到一定的角度仿真出在输出端上串联一电感的特性，藉此，可以省去笨重而昂贵的输出电感，却依然符合功率斜率下降法(Droop Method)的特性。换言的，本发明不仅达成无线并联的目的，却可避免因为在不间断电源模块输出端串联电感所衍生体积庞大、重量增加的缺点。
而上述所提及的无线并联模式可与有线并联同时存在，也可以个别运用，而不会影响到其控制方法，任何以熟知的技巧所采用的线路或控制方法，包含在上述的发明精神内。至于本发明专利特征均由所述的申请专利范围具体界定。