专利名称：不间断电源模块并联控制方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种不间断电源模块并联控制方法及其系统，尤指一种不间断电源可对设备提供电力功率并进行保护的控制方法及其系统。
背景技术：
在这个信息与速度越来越重要的时代，计算机与网络变为日常生活和经济工业不可或缺的产品。然而，无论是计算机或网络等重要的电子设备往往是紧急而敏感的，即使是一秒钟电力的中断，都有可能使得正在处理或传输的资料中断，导致不可估计的损失，因此一个高可靠的电源需求便应运而生。为了因应这个需求，不间断电源系统的需求便与日剧增。
一个不间断电源的基本架构为交流和直流输入提供系统能量，一般交流输入电源多为市电，或是发电机等，直流输入能量则多为电池，交流输出提供电子负载能量，以及一个控制器控制系统的工作，当主要交流电源失效时，转换至备份直流电源，继续对紧急而敏感的负载提供能量。在交流输出正常时，连接输入端子的部分首先是输入滤波器，过滤输入产生的高阶干扰噪声，与输入滤波器连接的一般是一个AC/DC转换器连接到内部的直流能量贮存库(DC bus bank)，连接着直流能量贮存库的是一个DC/AC逆变器(Inverter)，经由可选择性的输出滤波器，对负载提供能量。当交流输入异常时，备份的直流电源会经由DC/DC转换器连接到直流能量贮存库，替代交流输入而对直流能量贮存库产生能量，使得所提到的逆变器可以通过直流能量贮存库将直流电源转换为交流电源，持续对负载提供不间断的能量。同时，这样的不间断电源通常也会包含一个充电器，当直流电源为电池，其能量耗尽时，可以在交流电源回复后，对电池充电。由于上述的机制，可以使得紧急而敏感的电子设备受到适当的保护。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。
然而，这样模块化的不间断电源系统，需要能够表现出一个不间断电源系统的特性，一方面可以增加模块以扩充容量，另一方面，在其中有部分组件损坏时，也必须能够马上更替以保证系统的可靠度；这些需求，在控制技术需要严密的要求不同功率模块间不能够产生过大的环流，以致导致系统的损坏，又由于产品设计上需要极力避免单点失效的可能性，并要尽可能将产品的每一部分做好备份管理。由是衍生出的技术或产品设计，在学术界或工业界，都是被广泛讨论，作为系统的关键性技术。
一般而言，这一种控制设计不外乎有线的并联方式，如美国第5,257,180号发明专利案「具环流限制的交流输出逆变器的并联操作控制系统」。另一方面，则是无线的并联控制方式，如美国第5,745,356号发明专利案「并联交流电源系统的独立负载分配」，或是美国第6,118,680号发明专利案「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」等。
在有线的控制方法中，多半采用主动分流法，以一般所熟知的技巧，利用一个时序信号使得所有的功率模块的输出电压相位同步，在利用诸如个别负载电流讯息的交换等手段，使得负载分配平衡并如所预期。然而，这样的方法，并联所运用的接线本身即可能造成单点失效。
在美国第6,121,695号发明案中，每一个功率模块虽可看成是一个个别的不间断电源模块，也可以拆下来独立使用，然而，在作为并联时，机箱内每一个模块还需要另外再分别对应一个别的控制器，以进行并联的计算，同时由于直流贮存库也相连接，一旦直流贮存库损坏，整个系统也不能使用，又造成另一个单点失效的设计；同时不间断电源模块在系统中也不是真正独立运作；更有甚者，由于其电池并没有并联，可能造成因电池特性不同而使得各个模块间放电备份时间不同，也无法经由直接增加外加电池而增加放电备份的时间，同时，其所有模块间的转态，是经由一个所谓大多数原则的方法，功率模块间的信号经由阻抗匹配平均而得到，因而无法得到一个有系统的管理，也无法通过外界的设定而变更。
再者，美国第6,201,319号发明专利案利用一个外部的控制中心(Main Intelligence Module，MIM)来管理，同时以冗余智能模块(RIM，Redundant Intelligence Module)作为备份管理，然而，RIM在正常情况下，只是闲置而导致系统的浪费，同时，由于每一个功率模块所需的重要讯息，如输入电压、频率、输出电压、频率、电流等都放置在控制中心(MIM)上，无论是MIM或RIM失效，甚至是在连接MIM/RIM与个别模块上的联机开路，都会造成系统的单点失效。
最后，在美国第6,396,170号发明专利案提出了选择虚拟中心的方法，虽然可以避免上述智能模块RIM的浪费以及降低单点失效的可能性。然而，其所提出的办法，因需要另外产生一副主控模块，因此当系统只存在一部不间断电源模块时即不能使用。且因同步触发线的存在，又增加一个单点失效的可能性。同时，所提出冗余管理模式(RMB)的硬件和软件架构，需要繁复的判断其输入和输出方向，和决定主控模块、副主控模块和同辈模块；另外，其同步触发线也需要占用一个高等级的中断资源，并使得系统需要应付一个高通信速度的管理方式；更有甚者，当个别不间断电源模块因组件或连接接口故障，处于不能转态的状态，却受制于主控模块的强行转态，反而会导致系统出现更大的故障可能。
由上述可知，既有并联系统仍无法有效解决单点失效的问题，因而无法确保并联系统的可靠性，故，有关不间断电源模块的并联控制显然有待进一步改进，以谋求可行的解决方案。
发明内容
因此，本发明主要目的在提供一种可确保扩充容量、并增进冗余性与可靠度的不间断电源模块并联控制方法。
为达成该目的采取的主要技术手段，令并联系统中所有不间断电源模块具备相同的自我角色检测、主控模块竞争、并联运算处理等功能，并可分别执行下列工作模式功能角色检测暨设定用以检测并设定模块本身为新模块、主控模块或从属模块；新模块工作模式，将检查并联系统中是否存在主控模块，当主控模块存在时，即等候主控模块发布从属模块要求的命令，并据以转换工作模式为从属模块；如主控模块不存在，即进入竞争模式以产生主控模块；主控模块工作模式，先依序检查系统中的新模块、从属模块状态，并依序查询已存在从属模块的反应，并收集其信息，作为并联控制的依据；从属模块工作模式，其先检查主控模块是否存在，如不存在时，会将本身变更为新模块，再经竞争以重新选出主控模块；利用该方法，将使并联系统中只存在一个主控模块，惟当主控模块故障或者关机等情况而造成主控模块丢失，其它的新模块和从属模块，均可检测到主控模块丢失，然后由从属模块自设为新模块，以竞争优先级开始进行主控模块竞争；在此状况下，可有效降低单点失效的可能性，提高系统的可靠度。
该不间断电源模块进一步具有一同步转态模式，主要在检查到系统是否需要转态时，即广播同步转态的命令，进而在预设的选择点上同步转态。
该不间断电源模块进一步具有一个可选择性(optional)的紧急转态模式，当模块间的控制通信线出现某些故障，可转换为无线控制并联的操作模式。
该无线控制并联操作模式采用所谓下降法(droop method)，其通过检测个别不间断电源模块所获知的有效功率和无效功率，对不间断电源模块进行相位和幅值的控制。
本发明次一目的在于提供一种具有高可靠度的不间断电源模块并联系统。
为达成本发明的目的采取的主要技术手段，令该并联系统至少包括一个或一个以上的不间断电源模块，每一个不间断电源模块内设具有独立并联运算控制功能的控制器，又将交流输入、直流输入和交流输出与其它不间断电源模块相并联，并使其控制器经由一并联控制总线(PCB，Parallel Control Bus)与其它模块的控制器构成信号联机并交换讯息，进而达成负载平均分配，系统稳定操作的功能。
该不间断电源模块由一输入滤波器、一AC/DC转换器、一直流能量贮存库、一DC/AC逆变器等组成；并进一步包含有一DC/DC转换器，连接直流电源输入与直流能量贮存库；一具备可选择性的充电器；一电源单元，提供各个模块工作的工作电源；一控制器，可控制不间断电源模块工作和并联控制所需的线路；其中每一个不间断电源模块的控制器负责控制整个模块的功能及所需状态的转变。该控制器可由一数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)构成，负责接收交流输入电压、频率检测线路传回的信号，并提供直流电压检测、直流能量贮存库电压检测、交流电压输出电压/频率检测，负载电流检测和电感电流检测线路所传回的信号。
该并联控制总线用来负责各不间断电源模块间的并联控制，其包含一由光耦构成双向的控制线、一组通信总线和一由所有不间断电源模块电流合成的模拟信号合成线路。在光耦双向控制线中有一条被用来作为主控模块设定线，当主控模块不存在时，为高电位，反之，当系统存在主控模块时，即成为低电位；另有一组线路用来作为同步时序的信号。
该控制器进一步包含了一微处理器，该微处理器运用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，除了包含一般所熟知的输入/输出控制外，并利用直流贮存库的电压、交流输出电压、电流以及逆变器的电感电流等作为回授的参数，利用适当的控制技巧使得交流输出的电压及电流符合需求。
该微处理器另提供功率计算的保护，判别环流的大小，环流所衍生的功率大小，及不间断电源模块逆向回收的能量，对设备做进一步的保护。
图1本发明的并联系统示意图。
图2本发明并联系统中的不间断电源模块示意图。
图3本发明不间断电源模块中的控制器方块图。
图4该控制器中所设双向光耦线路的电路图。
图5本发明并联系统中所设模拟信号合成线路的示意图。
图6本发明并联系统中不间断电源模块的功能角色设定工作流程7本发明并联系统中新模块的工作流程图。
图8本发明并联系统中从属模块的工作流程图。
图9本发明并联系统中主控模块的部分工作流程图。
图10本发明并联系统中主控模块的其它工作流程图。
图11本发明并联系统的无线控制并联的方块图。
图12本发明并联系统判断有线或无线控制并联的工作流程图。
图中符号说明10 不间断电源模块100 不间断电源系统101 内部电池模块102 旁路开关 103 显示暨通信中心104 充电器105 外部电池11A C/DC转换器12 直流能量贮存库13 DC/AC逆变器 14 DC/DC转换器15 充电器16 工作电源单元17 控制器171 微处理器172 双向耦合通信线路173 模拟信号合成线路174 一般功能I/O电路175 模拟转数字检测电路176 逆变器功率开关驱动电路具体实施方式
如图1所示，本发明一较佳实施例的系统架构示意图，其由至少一个不间断电源模块10所组成的不间断电源系统100，每一个不间断电源模块10内设具有多重工作模式及并联运算控制功能的控制器17，又将交流输入、直流输入和交流输出与其它不间断电源模块10相并联，再利用其控制器17经由一并联控制总线(PCB，Parallel ControlBus)与其它模块的控制器17构成信号联机并交换讯息，进而达成负载平均分配，系统稳定操作的功能。
由于系统中的不间断电源模块10具备相同的自我角色检测、主控模块竞争、并联运算处理等功能；故可在并联系统中分别执行下列工作模式功能角色检测与设定；新模块工作模式；主控模块工作模式；从属模块工作模式；其中该「功能角色检测暨设定」的具体工作流程如图6所示(步骤611～615，当程序开始后，不间断电源模块10将依序确认其本身为主控模块(Master)、从属模块(Slave)或新模块(New)，并进入被设定的角色。
该新模块工作模式的具体流程如图7所示，其包含一主控模块竞争与单模块运作的机制，当一个新的不间断电源模块被插入系统中，电源启动/激活后，在没有取得角色设定前，即先自我设定为新模块。一个新模块，首先会检查并联系统中是否存在主控模块711，如果系统中已存在主控模块，即等候主控模块发布从属模块要求的命令712，该查询命令是一种定期查询，并以中断的形式进行当新模块收到主控模块的要求命令时，会把自己的角色变更设定从属模块713，并结束此流程。反之，如果中断时间未到，新模块就会直接结束本次的操作流程，并等待主控模块的查询。另一方面，当一个新模块在电源激活的时候，如未发现主控模块的存在，即表示这个系统存在一个或一个以上的模块，这个模块必须确认是否只有一个模块或与其它模块进行主控模块竞争714。新模块都会发布一串含有生产辨识码的数据群组715，并检查接收回来的资料是否与发出的是否相同，在本实施例中，可以利用CAN(Control Area Network)本身的硬件特性，在系统存在两个以上模块的状态，并同时发出识别码的状况下，低电位的会胜出，成功的收回本身的数据群组而成为主控模块，其余的则成为从属模块。如果是系统中只有一个模块存在的话，也无法回收本身的数据群组，此时，经过大于一个预设时间的尝试716～718，系统中仍没有主控模块出现时，即认定系统中只有存在一个模块，于是设定本身为主控模块719。
由于主控模块的竞争只需要辨别识别码，不需要乘数，可节省无谓时间的浪费，所以检测所需要的时间，于本实施例中约为1.5ms，即为交流输入正常时主控模块竞争所需的时间，即使考量电池模式，也只需要将时间延长至3.0ms，在适当的变换速度(slew rate)安排下，对输出完全不会产生任何影响，是一个快速又可靠的方式，也不需要过度浪费微处理器的资源。
如图8所示，则揭示一从属模块的工作流程。在系统中，被设定从属模块的不间断电源模块，首先会检查主控模块是否存在811，如果主控模块因某些原因以不存在，会立刻将自己变更为新模块812，经过竞争以重新选出主控模块；反之，如果，主控模块存在，则会依主控模块的询问要求而应答813。
该主控模块工作模式的具体流程如图9所示，当一个不间断电源模块在系统中被设定为主控模块，首先会依序检查是否有新模块加入系统911，如果有，会判断目前在系统中的从属模块是否小于预设数量912，如果小于预设数量，则赋予新加入模块的角色为从属模块913，但如已经大于预设的数量，则忽略并拒绝新模块加入系统的可能914；由于新加入模块以及系统可加入模块的数量可能不止一个，所以必须进行到系统不能再加入任何一个模块为止。
当检查新模块的工作结束后，会开始检查从属模块的状态915主控模块也是依序查询已存在从属模块的反应916，当从属模块响应资料时917，表示从属模块存在，否则，会再询问一次918，以确认从属模块是否被移除919。接着，会检查主控模块的优先等级以及是否存多个主控模块920，前者是为了如果主控模块因某些原因转态至电池模式，而系统中却有其它从属模块是在市电模式的情况下，即重新进行主控模块竞争921，使得在市电模式的不间断电源模块可以成为系统的主控模块；后者，则为了系统发生异常状况而作防备。当所有的从属模块都应答完毕922，即结束流程。
除该工作模式外，不间断电源模块10进一步具有一同步转态工作模式，其具体流程如图10所示，首先，主控模块会先检查是否系统是否需要转态并做好转态的准备411，如果不是，则结束流程。如果系统需要转态，则由执行主控模块工作模式的模块对其本身、从属模块以及新模块广播同步转态的命令412，接着在预设的选择点上同步转态413。所谓的预设选择点多半会是利用电压的零点切换处作为触发点同步转态，然后结束流程。此处的同步转态，本实施例中是将状态分为紧急和不紧急两种状态，由主控模块决定，或是由个别的模块自行决定转态所谓的紧急状态是指例如过载的情况发生，当主控模块在判断负载已经过载，并且此时市电也在可容许的范围内，必须使得系统中所有的模块都从逆变器转到旁路；在此实施例中的不间断电源模块若是两层式架构，市电与电池间的转态并不会直接影响到断电时间，进而造成负载电源中断，所以，不间断电源模块间市电/电池模式转态，可以由每一个模块个别判断是否能在市电模式或电池模式下正常工作，自行决定是否转态，否则可能发生某一个模块的部分区块已经故障，却被主控模块强行转态，导致更多故障等不可靠的结果。
再者，系统中的不间断电源模块进一步提供一个可选择性(optional)的转态模式，当控制线上出现了某些故障，可转换为无线控制并联的操作模式。一般而言，所谓的无线控制并联原理多半如图11所示，在逆变器输出串联一个电感，利用电感的作用，可以利用有功(active power)和无功(reactive power)计算出所需的电压差和频率差值，计算原理如下，(方程式和文字重叠)
Pi=ViVoXs1sinδi,i=1,2,...,n]]>Qi=ViVocosδi-Vo2Xs1,i=1,2,...,n]]>δi为输出Vo与Vi间的夹角。
根据上式，可以发现有功和输出相位角有关，而无功与输出幅值有关，于是可以再利用如下的预设关式，以构成对并联时相位及幅值控制的稳定负回授系统。
(方程式和文字重叠)ωi＝ω0i-k1·Pi，i＝1，2，...，nVi＝V0，i-k2·Qi，i＝1，2，...，n以上描述者即所谓的下降法(droop method)无线控制并联方式，其通过检测个别不间断电源模块所获知的有功和无功，对不间断电源模块进行相位和幅值的控制。其控制流程如图12所述在无线并联控制模式下，首先会检测并联控制总线(PCB)是否正常511，尤其是指主控模块设定线、同步时序信号线或/和模拟合成信号线路是否正常如果正常，则维持有线并联操作的模式并结束流程512；如果所提到的控制用总线异常，则会进入所提到的无线控制并联模式513，但仍维持通过通信总线选出一个主控模块，以利显示，或转旁路的协调控制等工作，按照上述的方程式调整幅值和相位，接着会检查交流输入的电压幅值和频率是否在范围内514，如果是的话，输出会对交流输入锁相515，同时在内部发生异常516，但通信总线正常时517，可具有转旁路518的能力，否则都进入到结束步骤。在程序中，如果交流输入电压幅值和/或频率不在预期范围内，则输出不对输入锁相，在内部发生异常时519，无论通信总线是否正常，都无法转态至旁路，所以必须将本模块关闭520；再或者，交流输入电压幅值和频率虽在预期范围内，但通信总线异常，则确认设定是在内部发生异常时，亦会关闭模块。
由上所提出的方式，本发明除了上述所提到的主控模块所提供可靠的并联模式外，在部分通信控制总线异常时，更进一步提供了紧急转入无线控制并联的模式，是其它所有并联操作所不能提供，结合有线和无线控制并联的方式，提供负载可靠的电源，大大提高了负载可靠度的需求。
以上所述者即本发明所强调的混合式中央控制方法，通过如是的局部分散的控制方法，可以使得系统较一般完全中央控制式或完全分散控制式提供更高的可靠度，同时，由于如是系统的冗余性，即为不间断电源模块数目，其冗余性较外接控制中心者明显为高，也没有任何控制线路在外部的控制中心上，其可靠度更是大大地提高；更进一步，由于系统中只存在主控模块与从属模块(不需要所谓的副主控模块)，所以，即使只有一个不间断电源模块，亦可正常操作，且具备较佳的灵活性；显见本发明提出了一个兼顾冗余性、可靠度以及灵活性的控制方法。
至于执行该控制方法的系统，其一较佳实施例如图1所示该不间断电源系统100进一步包含至少一电池模块101，提供该的直流电源；一旁路开关102，作为维修操控开关；一个显示及通信中心103，方便使用者了解内部情况和外部软件监控；一具备可选择性的充电器104，增加充电电流；一具备可选择性的输出变压器(图中未示)，用以改变输出电压。
于本实施例中，输出部分并联，可提供负载扩充容量和提供冗余性。且在该架构中，也可以在交流输出总线上再串联一个隔离变压器(图中未示)，再连接到负载上，该隔离变压器较佳的运用作为降压的用，使得在低压输出的应用下，输入和机器内部其配线和电流的需求可以降低，亦较符合实际应用情形。
交流输入的部分，较佳者是同时可以接收至少一相以上的交流输入，方便使用者在容量较大时的配线需求。此处所提到的不间断电源模块10可以通过配线或开关的方式，使得交流输入无论是在大于一相和单相的时候，都使用相同的不间断电源模块。
直流输入的部分，于本实施例中采电池输入，可以选择内部存在的至少一个内部电池模块101，也可以在不间断电源模块10内部设一单位放电时间所需的电池。在不需要增加或延长放电时间的情况下，这些电池不一定需要并联，也不会影响到本发明令输出并联的精神；因而，本发明的较佳实施例是将所有不间断电源模块10的直流输入端相连，并使其与一外部电池105连接，以延长放电时间。
该的显示及通信中心103，用以与各个不间断电源模块10中选出的虚拟控制中心(主控模块)沟通，并通过LED或LCD等显示方式让使用者可以了解系统操纵的情况，同时该显示及通信中心103还负责作为与外界接口通信的连接接口，可以让使用者通过RS232、RS485或是SNMP等方式对系统部分功能重新格式化(configuration)，或是可以实现远程遥控(remote control)的功能，另同时亦具有发布同步时序信号的能力，作为一个外部同步时序的来源。
该外接的充电器104，在需要提升充电能力的情况下，可以与每一个不间断电源模块10内部的充电器(本图中未示)并联，以提高电池的充电电流。
再者，该的可操纵旁路开关102在必要的情况下，例如所有的不间断电源模块都必须移除时，提供负载一个外部转旁路的路径。
如图2所示，揭示有该不间断电源模块10的方块图，其包括有一具备可选择性的输入滤波器(图中未示)，位于输入端上；
一AC/DC转换器11，其输入端连接输入滤波器的输出端，将交流输入电源转换为直流；一直流能量贮存库(DC bus bank)12，位于AC/DC转换器11的输出端上；一DC/AC逆变器(Inverter)13，其输入端为AC/DC转换器11的输出端及之直流能量贮存库12；一DC/DC转换器14，其输入端连接直流电源输入，输出端则连接直流能量贮存库12；一具备可选择性的充电器15；一工作电源单元16，供应不间断电源模块10的工作电源；一控制器17，分别与DC/AC逆变器13、AC/DC转换器11及DC/DC转换器14连接，用以控制不间断电源模块10工作及作并联控制。
在该架构下，当主要交流电源(Main-power)正常时，能量由主要交流电源提供，经由AC/DC转换器11转换成预设的直流电压连接到直流能量贮存库12，再经由DC/AC逆变器13将能量由直流转为交流，连接到交流输出总线(AC Output Bus)，而构成一般所谓的两层式在线式架构(double-conversion on-line frame)。
当主要交流电源异常时，能量会改由备份直流电源提供，经由DC/DC转换器14转换成预设的直流电压连接到直流能量贮存库12，再经由DC/AC逆变器13将能量从直流转为交流，连接到交流输出总线(AC Output Bus)。
而该的工作电源，其输入是连接到充电器15和内部电池模块101或外部电池105，使得无论是由交流输入或直流输入都不受到影响，可以提供不间断电源模块所需的工作电源，如风扇，微处理器，以及功率开关所需的工作电源。
而在图上所揭示的开关SWA是指由DC/AC逆变器13所提供的交流电源和从交流输入连接器所引入的交流电源的切换，是一个可以提供内部旁路切换的开关，同时，这个开关的速度，也就是这些模态转换的时间。而每一个模块，首先是将交流输入、直流输入和交流输出与其它不间断电源模块10相并联，再利用控制器17通过并联控制总线(PCB，Parallel Control Bus)与其它模块的控制器17互相沟通及交换讯息，进而达成负载平均分配，系统稳定操作的功能。
如图3所示，揭示有该控制器17的一可行实施例，其包括有一微处理器171，可由数字信号处理器(DSP)构成，其内建有该图6至图10所示的各种工作模式，另分别连接有一一般功能I/O电路174、模拟转数字检测线路175、逆变器功率开关驱动电路176，而供分别与AC/DC转换器11、DC/DC转换器14、充电器15及DC/AC逆变器13等连接；一双向光耦通信线路172；一模拟信号合成线路173，与该微处理器171连接，以合成输入各不间断电源模块10的电流信号(模拟)；于本实施例中，该微处理器171采用数字信号处理器(DSP)作为不间断电源模块10的主要中央控制器，为了使得负载均衡分配，须由不间断电源模块10中检测DC/AC逆变器13的输出电压、输出电流及其上的电感电流，在内部进行运算及处理，运算出所需的PWM责任周期，经由控制该逆变器功率开关驱动电路176以驱动DC/AC逆变器13中的功率开关，而获得所需的输出电压和输出电流。该微处理器171计算逆变器功率开关责任周期的方法，利用电压外循环及电流内循环，并加上交流输出电流和交流输出电压两个前馈控制量所决定。
基本上，每一不间断电源模块10的控制器17，其包含的微处理器171可以获得总负载电流的数据，将各个模块的负载电流数据，以适当的阻抗匹配结合并传回，每一个不间断电源模块10的控制器17即利用所包含的微处理器171进行上述的运算。
该双向光耦通信线路172可作为主控模块设定线、同步时序线等用途。其一可行的具体线路如图4所示，主要由两组光耦合器配合晶体管、电阻所组成，而分别与不间断电源模块10内的微处理器171的输入/输出端连接，让包含在不间断电源模块10内的微处理器171可以双向同步传输和接收所需的信号。即使是有一点时间的延迟，也可以在程序中预先扣除，并且，发出信号的微处理器171亦可同步接收到自己发出的信号。而作为主控模块的不间断电源模块10在其双向光耦通信线路172中，利用其中一条作为时序同步信号，该时序同步信号直接连接到控制器17的输入捕捉(Input Capture)接口，以作为频率的检测，而使得所有的不间断电源模块10可以几乎相同的相位操作运行。
又如图5所示，其揭示有一模拟信号合成线路173的可行实施例。每一个不间断电源模块10可以利用比流器(CT，current transformer)将电流波形取出，经由适当的阻抗(Z1～Zn)匹配合成所需的并联负载分配信号，传回上述的微处理器171，并加以运算。该模拟信号合成线路173更进一步包含一个开关(SW-1～SW-N)，当系统中只存在一台不间断电源模块10或进入无线控制并联的模式，可利用该开关(SW-1～SW-N)使对应的不间断电源模块10切离并联控制用总线(PCB)。
该的并联控制总线(PCB)，用以在系统中由至少一台以上并联操作的不间断电源模块10中以一定的方法选出一个主控模块，使得整个系统稳定的操作，其方法已在图6至图10中详细叙述。
由上述说明可看出本发明的具体技术手段，其导入了所谓的混合式中央控制方法，其利用系统中每一不间断电源模块本身具备模态自动检测与转换功能，以自动产生唯一的主控模块，并在主控模块失效时，由线上的模块再经竞争以产生另一主控模块，藉此可有效降低单点失效的可能性，故具有较高的可靠度；且本发明所设计并联系统的冗余性，即为不间断电源模块数目，其冗余性较外接控制中心者明显为高，且由于本发明未将任何控制线路设于外部的控制中心，其可靠度因而显著提升，相较于美国第者，美国第6,201,319号发明专利案利用一个外部的控制中心管理，同时配合冗余智能模块(RIM)作为备份管理，及美国第6,396,170号发明专利案所提出选择虚拟中心的方法，在系统架构上更趋单纯，且单点失效的可能性更低。更进一步，由于系统中只存在主控模块与从属模块(不需要所谓的副主控模块)，所以，即使只有一个不间断电源模块，亦可正常操作，且具备较佳的灵活性，其相较于虽选出主控模块，但仍须配合副主控模块运作，故单机时即无法运作的美国第6,396,170号发明专利案已具备显著功效增进；显见本发明提出了一个兼顾冗余性、可靠度以及灵活性的并联控制方法及系统，并符合发明专利要件，依法提起申请。
权利要求
1.一种不间断电源模块并联控制方法，其特征在于，该并联系统中所有不间断电源模块具备相同的功能角色自我定义、主控模块竞争、并联运算处理等功能，并由并联的不间断电源模块中在一竞争模式下产生唯一的主控模块，与其它模块进行沟通，作为并联控制的依据；当主控模块失效时，线上的不间断电源模块将重新进入竞争模式，产生新的主控模块，以维持并联系统的运作。
2.如权利要求1所述的不间断电源模块并联控制方法，其特征在于，每一不间断电源模块至少具备下列工作模式功能角色检测暨设定用以检测并设定模块本身为新模块、主控模块或从属模块；新模块工作模式，将检查并联系统中是否存在主控模块，当主控模块存在时，即等候主控模块发布从属模块要求的命令，并据以转换工作模式为从属模块；如主控模块不存在，即进入竞争模式以产生主控模块；主控模块工作模式，先依序检查系统中的新模块、从属模块状态，再依序查询已存在从属模块的反应，并收集其信息，作为并联控制的依据；从属模块工作模式，其先检查主控模块是否存在，如不存在时，会将本身变更为新模块，再经竞争以重新选出主控模块。
3.如权利要求2项所述的不间断电源模块并联控制方法，其特征在于，该不间断电源模块进一步具有一同步转态模式，主要在检查到系统是否需要转态时，即广播同步转态的命令，进而在预设的选择点上同步转态。
4.如权利要求3项所的不间断电源模块并联控制方法，其特征在于，该不间断电源模块进一步具有一个可选择性的转态模式，当模块间的控制通信线出现故障，即转换为无线控制并联的操作模式。
5.如权利要求4所述的不间断电源模块并联控制方法，其特征在于，该无线控制并联操作模式采用所谓下降法，其通过检测个别不间断电源模块所获知的有效功率和无效功率，对不间断电源模块进行相位和幅值的控制。
6.如权利要求2所述的不间断电源模块并联控制方法，其特征在于，该新模块工作模式中的主控模块竞争主要是指新模块利用生产时所分配的生产识别码送到连接各模块的通信总线上，当输出和读回的识别号码相同时，便决定自己为主控模块。
7.一种不间断电源模块并联系统，其特征在于，其包括至少一个的不间断电源模块，该不间断电源模块包含至少一相交流输入或直流输入、至少一相交流输出、一负责整个不间断电源模块并联操作的控制器及一并联控制总线；该并联的不间断电源模块可使输出并联连接到负载供给能量，提供增加容量或冗余的功能；其中每一不间断电源模块的控制器具有模态自动检测与转换功能，并通过一并联控制总线与其它不间断电源模块构成联机，以通过竞争模式自动产生主控模块。
8.如权利要求7所述的不间断电源模块并联系统，其特征在于，该系统中进一步包括有一个显示与通信中心，与至少一个不间断电源模块的控制器连接；一个可选择性外接电池连接器，与该直流输入连接，以外接电池延长供电时间；一个可选择性充电器，用以对各并联不间断电源模块连接的电池充电；一个可选择性的输出隔离变压器，设于不间断电源模块并联的总输出端；一个可选择性旁路维护开关，设于各并联不间断电源模块共接的输入/输出之间。
9.如权利要求7所述的不间断电源模块并联系统，其特征在于，该交流输入至少一相以上的交流输入，该不间断电源模块，可通过配线或开关的方式，使得交流输入无论是在大于一相和单相时，都使用相同的不间断电源模块。
10.如权利要求7所述的不间断电源模块并联系统，其特征在于，该直流输入为电池，其可内含于不间断电源模块中，也可以是在不间断电源模块以外的电池模块。
11.如权利要求7所述的不间断电源模块并联系统，其特征在于，该不间断电源模块的控制器包含一般不间断电源模块所需的输入/输出控制线路，其可以检测交流输入的电压、频率、直流输入的电压、交流输出的电压、电流和频率，同时可以时时控制交流输出的功率开关，以及并联所需的并联控制总线。
12.如权利要求11所述的不间断电源模块并联系统，其特征在于，该控制器进一步包含一个微处理器，除作一般输入/输出控制外，并利用交流输出的电压、电流等时时控制交流输出的功率开关，同时控制不间断电源模块并联时，交换讯息所利用的开关。
13.如权利要求11所述的模块化电源供应系统，其特征在于，该并联控制总线更进一步包含由光耦构成的双向控制线路、一组通信总线与一由所有不间断电源模块电流合成的模拟信号合成线路。
14.如权利要求13所述的不间断电源模块并联系统，其特征在于，该光耦构成的双向控制线路，其中一组线用来作为主控模块设定线，供判断系统是否已经存在主控模块；另一组线供主控模块发送时序信号作为同步信号。
15.如权利要求13所述的不间断电源模块并联系统，其特征在于，该光耦构成的双向控制线路，包含有输入输出阻抗匹配设计。
16.如权利要求14或15所述的不间断电源模块并联系统，其特征在于，该时序同步信号直接连接到控制器的输入捕捉接口。
17.如权利要求13项所述的不间断电源模块并联系统，其特征在于，该模拟合成信号线由至少一个不间断电源模块的负载电流按一定比例所合成，其进一步包含一个开关。
19.一种不间断电源模块，包含，一个功率单元，包含一AC/DC转换器、一DC/DC转换器、一直流能量贮存库(DC bus bank)、一DC/AC逆变器；一个控制单元，其内建自我功能角色定义功能及新模块/主控模块/从属模块等工作模式，且包含不间断电源模块所需的输入/输出控制线路及并联所需的并联控制总线(Parallel Control Bus，PCB)。
20.如权利要求19所述的不间断电源模块，其特征在于，该不间断电源模块含有可以选择性的一个充电器。
21.如权利要求19所述的不间断电源模块，其特征在于，该控制单元进一步包含一个微处理器，负责所需的逆变器单独运行与并联操作时，所需的功率开关责任周期的计算，一般不间断电源模块所需的功能，如交流输入，直流输入电压幅值与频率的检测等功能，以及并联示所需并联控制的通信。
22.如权利要求19所述的不间断电源模块，其特征在于，该控制单元包含的并联控制总线，包括一模拟合成信号线路、一光耦合成双向线路及一组通信总线；使该不间断电源模块可通过并联控制总线与其它不间断电源模块并联。
23.如权利要求22所述的不间断电源模块，其特征在于，该光耦合成双向线路其中一组线是作为同步时序信号，必须连接到控制器中所包含微处理器的输入捕捉接口。
全文摘要
本发明涉及一种不间断电源模块并联控制方法及其系统，该并联系统每一个不间断电源模块内设具有独立并联运算控制功能的控制器，又将交流输入、直流输入和交流输出与其它不间断电源模块相并联，并使其控制器经由一并联控制总线与其它模块的控制器构成信号联机并交换讯息，进而达成负载平均分配。该控制方法令并联系统中所有不间断电源模块具备相同的模块角色检测、主控模块竞争及并联运算处理等功能，当主控模块失效或关机时，其它模块将再自动执行角色检测与竞争功能，以产生另一主控模块持续并机运作，以达到系统稳定操作的功能。
文档编号H02J7/00GK1581633SQ0315232
公开日2005年2月16日 申请日期2003年7月30日 优先权日2003年7月30日
发明者蔡嘉明, 田寿龙, 刘刚, 罗汉生, 阳岳丰 申请人:飞瑞股份有限公司