用于调节不间断电源的输出电压的DC分量的电路的制作方法

本发明涉及一种不间断电源，更具体地，涉及一种用于调节不间断电源的电压的直流(DC)分量的电路。

背景技术：

不间断电源(UPS)是这样的一种电子电力装置：无论电力网络上会发生什么情况，其都能够为负载提供稳定的交流(AC)电压，而没有任何中断或微中断。

UPS通常用于为诸如数据中心(例如数据托管中心或工业网站)的建筑物提供电力。

术语“逆变器”经常被误用为表示整个装置。这适用于例如设置在计算机中心的供电网络和服务器之间的“逆变器”。

UPS由将AC电压转换为DC电压的转换器(称为“整流器”)、储能装置(例如蓄电池或超级电容器)以及从DC电压产生AC电压并且以恒定频率工作的转换器(也称为“逆变器”)组成。在某些情况下，储能装置可以由用于产生并储存能量的装置替代，例如光伏产生系统或“飞轮”型惯性储存系统。

在某些情况下，需要对UPS输出的AC电压进行调整，以便获得更高的电压，有时还需要采取电隔离措施。为了实现电隔离和/或提高AC电压，在UPS与由UPS供电的负载之间电联接变压器或自耦变压器。根据配置的不同，变压器可以形成UPS、由UPS供电的负载或者由UPS供电的供电网络的一部分。

当UPS的逆变器的输出端传送的AC电压中存在DC分量时，该DC电压分量在与UPS相关的变压器的初级绕组中产生DC电流分量，从而使变压器的磁芯饱和。

变压器的磁芯饱和会导致变压器和/或UPS故障。

质量合格的标准隔离变压器能够在磁芯饱和之前容纳几十毫伏(mV)的DC分量。然而，这种DC分量会产生与标称操作相比不可忽略的额外的热噪声和声频噪声，并且会导致变压器输出的电压由于饱和而发生变压。

这种几十毫伏(例如大约40mV)的DC电压分量能够在变压器的初级绕组中产生较大的DC电流分量，因为该电流分量能够达到几十安培(A)的值。

在图1所示的变压器的等效电路中，这种饱和由磁化电感(也称为磁性电感)Lm呈现。附图标记LCC表示不能饱和的漏电感，附图标记R1表示绕组的电阻，附图标记Rf表示变压器磁芯的铁损的等效电阻，m表示理想变压器的变压比。

对于呈现非常低的磁性电流的锯齿形自耦变压器来说，情况会更糟，如果不依赖于加大尺寸，则仅能容纳大约10mV或更低的DC电压分量。

由Merlin Gerin撰写的名称为“直流(DC)对变压器的影响”的文献解释了配电变压器中大于5A的DC电流分量将使得有必要使用加大尺寸的特殊变压器来容纳该电流。在30A以上时，需要以非常重大的方式(特别是通过包含气隙)对磁芯进行修改。在上述示例中，由UPS输出的240mV的DC分量(即由UPS输出的电压的AC分量的千分之一)能够产生30A的DC电流。

为了克服这个问题，已知的方法是使变压器尺寸加大。然而，当UPS包括变压器时，加大变压器尺寸会导致生产变压器的财务成本增加，从而导致UPS的财务成本增加，并且还会导致UPS的尺寸增大。如果变压器位于户外，那么电气安装就会变得更加昂贵。

克服这个问题的另一已知方案是利用控制回路中的反馈来控制UPS的输出电流以消除电流的DC分量。

然而，该方案不能如此应用于为消耗具有DC分量的电流的负载(例如单波整流器)供电。

另一适用于消耗具有DC分量的电流的负载的方案是使用UPS的电压测量电路来同时监测AC输出电压的AC分量和DC分量。

然而，电压测量电路的精度和动态范围不足以足够精确地控制DC分量。这个问题来自这样一个事实：有必要测量一个比基本分量小一万倍的DC分量。

文献JP2006/136107公开了一种用于不间断电源单元的输出电压的控制电路，该不间断电源单元的输出端连接到变压器。控制电路具有用于发送电压设定值的模块、联接到UPS的输出并且配置为测量来自UPS的逆变器的输出电流的第一电流传感器、以及用于调节由UPS输出的电压并且配置为根据测量模块的测量值来确定UPS的逆变器的控制开关的控制设定值的模块。控制电路还具有第二电流传感器和用于测量变压器的次级电压的测量变压器，所述第二电流传感器和所述测量变压器在逆变器的输出端连接到所述变压器的输出端。控制电路还具有配置为根据电流测量值来确定由UPS的逆变器输出的电压的DC分量的电路块，所述电路块包括低通滤波器和放大器电路块，所述放大器电路块配置为在测量DC分量之前放大由所述滤波器传送的经滤波的信号。

然而，变压器仅使信号的AC分量通过，而不使信号的DC分量通过。

从文献JP H07231676中还了解到一种用于控制逆变器的电压的控制电路，所述控制电路包括用于测量逆变器的输出端的电流的模块以及用于调节由逆变器输出的电压并且配置为确定逆变器的受控开关的控制设定值的模块。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种用于输出不含任何DC分量或包含可忽略的DC分量的AC电压的电压控制的不间断电源，更具体地，提供一种专用电路，其用于精确测量由不间断电源单元输出的电压的DC分量和AC分量并对DC分量和AC分量进行控制，从而能够特别地为联接到不间断电源单元的输出端的变压器或自耦变压器供电。

本发明首先提出了一种用于控制不间断电源单元的输出电压的控制电路，所述不间断电源单元包括联接在整流器和逆变器之间的DC电压源(例如电池)，所述控制电路用于联接在不间断电源单元的输出端子与变压器或自耦变压器之间，所述控制电路包括：

-设定值模块，其用于发送电压设定值；

-测量模块，其用于测量所述单元的输出特性；以及

-调节器模块，其用于调节所述单元的输出电压，并且配置为根据测量模块的测量值来确定所述单元的受控开关的控制设定值；

所述测量模块包括：

-第一测量电路块，其配置为测量所述单元的输出电流；

-第二测量电路块，其配置为测量所述单元的输出电压的AC分量；以及

-第三测量电路块，其配置为测量所述单元的输出电压的DC分量。

根据本发明的一般特性，所述第三测量电路块包括：低通滤波器，所述低通滤波器配置为在不改变测量的电压的DC分量的情况下使测量的电压的AC分量衰减；以及测量装置，所述测量装置用于测量不间断电源单元的输出电压的DC分量，所述测量装置包括放大器电路块，所述放大器电路块配置为在测量DC分量之前放大由所述滤波器传送的经滤波的信号。

因此，本发明的控制电路能够控制不间断电源单元，从而使该不间断电源单元能够输出不具有任何DC分量或具有可忽略的DC分量的AC电压，也能够利用合适的信号为变压器或自耦变压器供电。

此外，输出电压由本发明的控制电路控制的不间断电源单元不包括变压器或自耦变压器。这种不间断电源单元被称为“无变压器的不间断电源单元”。由于不间断电源单元不包括变压器或自耦变压器，因此其可以用于同时为电机、变压器或自耦变压器以及更传统的负载供电。

有时会发生这些负载自然地吸收DC电流来工作的情况。这导致不可能依赖于当前信息来避免该单元所连接的“远程”变压器饱和。除了AC电压之外，根据本发明的控制电路还可以通过极其精确地测量该电压的DC分量(该DC分量是可获得的唯一相关信息)来精确地调节不间断电源单元的DC输出电压，该测量的准确性来自于在不间断电源单元的输出端和变压器或自耦变压器上游进行测量的事实。

传统已知的用于调节电压的电子电路不能直接控制高压的调节。因此，需要对信号进行衰减，以便与传统已知的用于调节的集成电路兼容。术语“高压”用于表示比能够由低电平电子电路直接处理的电压更高的电压。

通过按常规方式对信号进行衰减，由电源装置输出的AC电压的DC分量也会被衰减，这意味着电子电路中的缺陷(偏移、输入电流、噪声)会导致测量值的较大误差。

本发明的控制电路的测量模块的第三测量电路块使用低通滤波器，从而使在第一连接端子上(即电源单元的输出端处)测量的电压的AC分量衰减。低通滤波器用于使AC分量衰减，同时保持DC分量不变。因此，由滤波器执行的衰减使得由测量装置的放大器电路块执行的放大能够仅放大与DC分量相关的信号。对施加到DC分量上的增益进行校准，从而使与DC分量相关的信号尽可能大，同时保持与电子电路兼容。此增益能够有助于测量DC分量并且提高测量精度。

在由低通滤波器进行衰减后，电压的峰间振幅与标准放大器电路的特性相匹配。

因此，第三测量电路块和第二测量电路块使得调节器模块能够为电源单元生成适合于调节电源装置的输出电压的控制设定值，从而最小化或甚至消除输出电压中的DC分量，同时控制AC分量。

例如，对于231Vrms的均方根电压以及与供电网络的频率相同的频率(更具体地，50赫兹(Hz)到60Hz)，本发明的控制电路使得可以将由不间断电源单元输出的电压信号中的DC分量降低到20mV以下。DC分量的这种降低足以避免与此类电源单元的输出端联接的标准变压器或自耦变压器的磁芯发生任何饱和。

因此，控制电路能够同样较好地适用于单相电源装置或多相电源装置。

本发明的控制电路使得可以从±100mV的信号中提取DC分量，从而使得可以在该测量中获得很大的精度，量化间隔约为500微伏(μV)。

根据控制电路的第一方面，调节器模块可以包括：

-第一比较器，其配置为根据电压设定值与由所述第二测量电路块测量的AC分量之间的差来确定第一信号；

-第二比较器，其配置为根据所述第一信号与由所述第三测量电路块执行的测量所确定的DC分量相关的信号之间的差来确定第二信号，所述第二信号对应于电压设定值与在电源单元的输出端测量的AC和DC分量之间的电压误差；以及

-校正器装置，其配置为根据第二信号来确定所述控制设定值。

第一比较器用于确定电压设定值与由电源单元输出的电压之间的误差。然后，第二比较器用于对第一信号进行处理，从而使随后确定的控制设定值用于从该单元输出的电压信号中消除DC分量。

根据控制电路的第二方面，校正器装置可以包括：

-第一校正器电路块，其配置为根据所述第二信号来确定用于消除电压误差的电流设定值；

-第三比较器，其配置为根据由第一校正器电路块传送的电流设定值与由第一测量电路块测量的电流之间的差来确定第三信号，所述第三信号对应于电流设定值与测量的电流之间的电流误差；以及

-第二校正器电路块，其配置为根据第三信号来确定所述控制设定值。

因此，控制设定值分三个阶段确定，首先根据电压误差确定电流设定值，接着确定电流误差，然后确定设定值。根据负载所消耗的电流受到干扰时，输出电压预期的动态范围的需求和约束，所使用的校正器可以是不同类型的。

例如，校正器通常可以是比例-积分-微分型，或者可以是状态反馈校正器、基于滑动模式的校正器或甚至是预测校正器。

根据控制电路的第三方面，调节器模块还包括校正器电路块，该校正器电路块配置为在所述测量的DC分量被第二比较器应用之前，对所述第三测量电路块测量的DC分量应用比例积分型校正。

比例积分型校正用于从信号中消除静态误差，因此使得可以产生控制设定值，从而能够从电源单元输出的电压信号中很好地消除DC分量。

其次，本发明提供了一种不间断电源装置，其包括：至少一个第一连接端子，所述第一连接端子用于连接至供电网络；至少一个第二连接端子，经由变压器或自耦变压器，所述第二连接端子连接至负载；以及至少一个不间断电源单元，所述不间断电源单元包括联接到所述至少一个第一连接端子的整流器、联接到所述至少一个第二连接端子的逆变器、以及联接在整流器和逆变器之间的DC电压源(例如蓄电池)。

根据该装置的一般特性，对于每个不间断电源单元，该装置还包括用于控制由如上定义的不间断电源单元输出的电压的控制电路，每个控制电路联接在不间断电源单元与所述至少一个第二连接端子之间。

根据电源装置的一方面，对于每个不间断电源单元，该装置还可以包括联接到电源单元的输出端的变压器或自耦变压器，所述变压器或自耦变压器在测量模块与所述至少一个第二连接端子之间与电源单元相关联。

第三，本发明提供了一种用于控制由不间断电源单元输出的电压的控制方法，所述不间断电源单元包括联接在整流器和逆变器之间的DC电压源(例如电池)，所述方法由用于联接在不间断电源单元的输出端子与变压器或自耦变压器之间的控制电路来执行，所述方法包括：

-发送电压设定值；

-测量所述电源单元的输出特性；以及

-调节所述电源单元的输出电压，调节器配置为根据所执行的测量来确定所述电源单元的受控开关的控制设定值；

测量输出特性包括：测量所述电源单元的输出电流，测量所述电源单元的输出电压的AC分量，以及测量所述电源单元的输出电压的DC分量。

根据该方法的一般特性，测量DC分量包括对所述电源的输出电压的信号进行低通滤波，并在测量输出电压的所述DC分量之前放大经滤波的电源信号。

根据该控制方法的第一方面，调节可以包括：

-根据电压设定值与测量的AC分量之间的差来进行第一比较，以传送第一信号；

-根据所述第一信号与测量的DC分量相关的信号之间的差来进行第二比较，以传送第二信号，所述第二信号对应于电压设定值与在电源单元的输出端测量的AC和DC分量之间的电压误差；以及

-校正步骤，在该步骤中，根据第二信号来确定所述控制设定值。

根据控制方法的第二方面，校正步骤可以包括：

-根据所述第二信号来确定用于消除输出电压的误差的电流设定值；

-根据所述电流设定值与测量的电流之间的差来确定第三信号，所述第三信号对应于电流设定值与测量的电流之间的电流误差；以及

-根据第三信号来确定所述控制设定值。

根据该控制方法的第三方面，调节可以包括在进行第二比较之前对所述测量的DC分量应用比例积分型校正。

附图说明

通过阅读以非限制性表示的方式给出的以下描述并参照所附附图，能够更好地理解本发明，在附图中：

图1(如上所述)是变压器的等效电路图，其输入联接到现有技术的不间断电源装置上；

图2是示出本发明实施方案中的不间断电源装置的示意图；以及

图3是本发明实施方案中的控制不间断电源装置的输出电压的方法的流程图。

具体实施方式

图2是本发明实施方案中的不间断电源装置100的示意图。

电源装置100包括用于连接三相供电网络的三个第一连接端子2以及用于连接负载的三个第二连接端子3。在该示例中，三个端子是三相电路的三相，考虑到图式的清楚性，图中没有显示中性点。

电源装置100还包括多个不间断电源单元1，每个不间断电源单元1包括联接到第一连接端子2的整流器、联接到第二连接端子3的逆变器、以及联接在整流器和逆变器之间的DC电压源(例如蓄电池)。考虑到图2的清楚性，图中仅显示了一个不间断电源单元1。

对于每个电源单元1，电源装置100包括滤波器4、变压器或自耦变压器5、以及用于控制电源单元1的输出电压的控制电路6。

滤波器4是无源LC型滤波器，其具有针对电源单元1的每个输出相位的电感L和电容C，更具体地说，在电源单元1的逆变器的输出端具有电感L和电容C。滤波器4用于对输出信号进行滤波，从而获得没有任何开关谐波的电压。

在图2所示的实施方案中，变压器5构成电源装置100的一部分。在变体方案中，对于包括电源单元1的装置100的每条线路，可以在装置100和负载之间联接有变压器。

滤波器4电联接在电源单元1的三个输出端子20与变压器5之间，控制电路6也电联接在电源单元1的三个输出端子20与变压器5之间。

控制电路6包括用于发送电压设定值Vref的设定值模块7、用于测量电源单元1的输出特性的测量模块8、以及用于调节电源单元1的输出电压并且配置为根据测量模块8执行的测量来确定电源单元1的逆变器的受控开关的控制设定值Co的调节器模块9。

测量模块8包括：第一测量电路块81，其配置为测量电源单元1的每个输出端子20处的电流I；第二测量电路块82，其配置为测量电源单元1的输出电压的AC分量VAC；以及第三测量电路块83，其配置为测量电源单元1输出的电压的DC分量VDC。

在图2所示的实施方案中，第一测量电路块81联接在电源单元1的三个输出端子20与滤波器4的电感L之间。在变体方案中，第一测量电路块81可以联接在电力流动方向上滤波器4的电感L的下游，即，联接在电感L与用于连接滤波器4的电容C的节点之间。在电感L与滤波器的电容C的连接节点之间具有第一测量电路块81的这种配置在电磁兼容性方面更为稳健。

第三测量电路块83还包括低通滤波器84和测量装置85，所述测量装置85用于测量电源单元1的输出电压的DC分量VDC。低通滤波器84配置为在不改变测量的电压V的DC分量VDC的情况下使所述测量的电压V的AC分量VAC衰减。

测量装置85包括用于在测量DC分量VDC之前放大由第三测量电路块83的低通滤波器84传送的经滤波的信号的放大器电路块。在使用测量装置85的放大器电路块来放大由低通滤波器84传送的信号(该信号主要仅包括电源单元1的输出电压V的DC分量VDC)之前，低通滤波器84用于在保持DC分量VDC不变的同时使AC分量VAC衰减。对施加到DC分量上的增益进行校准，以使与DC分量VDC相关的信号尽可能大的同时保持与电子电路兼容。此增益能够有助于测量DC分量VDC并且能够提高测量精度。

调节器模块9包括第一比较器91，该第一比较器91接收由设定值模块7传送的电压设定值Vref以及由第二测量电路块82传送的电源单元1的输出电压V的AC分量VAC以作为输入。第一比较器91配置为根据电压设定值Vref与由所述第二测量电路块82测量的AC分量VAC之间的差来输出第一信号。

调节器模块9还包括第二比较器92，该第二比较器92接收来自第一比较器91的第一信号以及由第三测量电路块83传送的DC分量VDC的经校正的信号以作为输入。DC分量VDC的经校正的信号对应于由比例积分校正器93传送的信号，该比例积分校正器93接收由第三测量电路块83传送的DC分量VDC的信号以作为输入。第二比较器92配置为根据第一信号与由比例积分校正器93传送的经校正的DC分量之间的差来输出第二信号εV。第二信号εV对应于电压设定值Vref与在电源单元1的输出端测量的AC分量VAC和DC分量VDC之间的电压V的误差。

最后，调节器模块9包括校正器装置94，该校正器装置94配置为根据第二信号εV来确定控制设定值Co。

校正器装置94包括第一校正器电路块95，该第一校正器电路块95配置为根据所述第二信号εV来确定用于消除电压误差εV的电流设定值IC。因此，第一校正器电路块75用于抵抗由负载电流和逆变器变换器的缺陷(停滞时间、最小脉冲或脉冲最小值)产生的谐波干扰。校正器装置94还包括：第三比较器96，其配置为根据由第一校正器电路块95传送的电流设定值IC与由测量模块8的第一测量电路块81传送的电流信号I之间的差来确定第三信号εI；以及第二校正器电路块97，其配置为根据由第三比较器96传送的第三信号εI来确定电源单元1的逆变器的控制设定值Co。第三信号εI对应于电流设定值IC与测量的电流I之间的电流误差。第二校正器电路块97配置为提高电压的谐波含量。

然后，控制设定值Co被传送至不间断电源单元1，以控制不间断电源单元1的逆变器的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，从而在电源单元1的输出端传送不包含任何DC分量VDC或具有可忽略的DC分量的电压，即适于提供给常规变压器或自耦变压器5而不具有任何会使变压器5的磁芯饱和的风险的电压。

图3是本发明实施方案中控制不间断电源单元1的输出电压的方法的流程图。

在第一步骤300，设定值模块7为电源单元1的输出发送电压设定值Vref。

在第二步骤310，测量模块8测量电源单元1的输出特性。测量特性的这一步骤310包括：测量步骤312，其通过监测信号的波形和振幅的第一测量电路块81来测量输出电流I；测量步骤314，其通过第二测量电路块82来测量电源单元1的输出电压V的AC分量VAC；滤波步骤316，其通过第三测量电路块83的低通滤波器84对电压信号V进行滤波；然后是测量步骤318，其通过使用第三测量电路块83的测量装置85对电源单元1的输出电压V的DC分量VDC的信号进行测量。

在接下来的步骤320，调节器模块9为电源单元1的逆变器确定控制设定值Co，以产生DC分量VDC已经降低或甚至消除的电源单元1的输出电压V。在步骤320，第一比较器91在步骤322中在电压设定值信号Vref与电源单元1的输出电压的AC分量VAC的信号之间执行第一次相减，然后在接下来的步骤324，调节器模块9的第二比较器92在由第一比较器91传送的信号与由比例积分校正器93传送的DC分量VDC的经校正的信号之间执行第二次相减，该比例积分校正器93接收由第三测量电路块83传送的DC分量VDC的信号作为输入。

在接下来的步骤330，调节器模块9的校正器装置94在第一步骤332中根据电压误差εV来确定电流设定值IC，然后在第二步骤334，通过在电流设定值IC与由第一测量电路块81测量的电流I之间执行相减来确定电流误差εI，然后在最终的步骤140，根据电流误差εI来确定用于控制装置的不间断电源单元1的逆变器的受控开关的控制设定值Co，控制设定值Co由控制电路6的调节器模块9发送至不间断电源单元1。

控制电路以及由控制电路执行的方法旨在提供一种用于产生不包含DC分量或包含可忽略的DC分量的输出AC电压的电压控制的不间断电源。更具体地，本发明的控制电路使得能够准确地测量由不间断电源输出的电压的DC分量和AC分量，并特别地控制DC分量和AC分量，从而在不间断电源的输出端对变压器或自耦变压器供电。