一种增强UPS在油机旁路运行时锁相性能的方法与流程

本发明涉及不间断电源(UPS)，特别是一种增强UPS在油机旁路运行时锁相性能的方法。

背景技术：

对UPS并机系统而言，如图1和图2所示，一般的系统配电连接方式可分为主路旁路不同源和主路旁路同源两种接法。不管是那种接法都可能出现市电掉电，负载由油机旁路供电的情况，如果油机容量不够大，或者油机质量不太好，或者负载对油机的污染比较大，在给负载供电时油机输出电压幅值和频率会发生很大的变化，会导致逆变器跟踪不上旁路电压，无法完成旁路切换回逆变的动作。在电网来电之后，对于如图1所示的主旁不同源的系统来说，如果当前是油机旁路供电，我们需要将油机旁路供电切换到市电逆变供电状态，一是可以执行手动将开关ATS1切换到市电侧，这样输出会存在掉电风险(目前的ATS切换动作都需要几个市电周期的掉电时间)；二是可以执行旁路切换逆变的动作，但如果此时逆变器没有跟踪好旁路，就无法执行不间断切逆变的动作，而如果强制切换回逆变，最少也存在半个周期以上的掉电风险(因逆变器要等旁路SCR完全关断之后再转到逆变供电)。对于如图2所示的主旁同源的系统来说，也存在一样的问题。

造成UPS逆变器锁不上油机旁路相位的原因，一是在恶劣情况下油机带大负载时的电压幅值和频率变化率太快了，二是UPS的锁相跟踪速率比较慢，特别是UPS并机时速度会更慢。目前的UPS并机系统的锁相速率已经提高到0.5Hz/s，之前的机器还远达不到这个速率。但即使是目前这样的锁相跟踪速率，在一些恶劣情况下还是无法锁定旁路相位。

如图3所示，在UPS并机系统中，为提高并联系统的可靠性，一般采用分散逻辑控制的并联结构。这种方式可以实现真正的N+1并联，在有一个模块故障退出时，并不影响其它模块的并联运行。UPS并机系统中一般采样用二级锁相来提高锁相精度和可靠性，其中一级锁相模块PLL1用来锁定输入电源信号(市电或油机)或是本振信号，当市电由正常变化到异常 或是由异常变化到正常时，确保其输出频率可以平稳的切换。二级锁相模块PLL2跟踪一级锁相模块的输出，使各逆变器的输出电压相位跟踪共同的一级锁相模块的输出。

在二级锁相中，一、二级锁相模块的要求是不一致的。一级锁相模块应确保输出指令缓慢的变化，二级锁相模块要确保跟踪一级锁相模块输出的快速性，故跟踪速度要求快，但由于有并机均流的影响，过快的速率又会影响均流环的稳定性，这样二级锁相模块的跟踪速率也要减慢。

由于均流环的影响，锁相环速度不可做得很快，这就出现了在旁路比较差时逆变器锁不定旁路相位的问题。即UPS旁路运行，如果油机带载较重，旁路频率的变化率和THDU将会很大，使得系统相位无法锁定。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种增强UPS在油机旁路运行时锁相性能的方法，有利于在恶劣情况下锁定旁路相位，同时避免影响均流环的稳定性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种增强UPS在油机旁路运行时锁相性能的方法，包括以下步骤：

监测UPS并机系统是处于逆变运行状态还是处于旁路运行状态；

当所述UPS并机系统处于逆变运行状态时，使逆变器按照第一锁相速度运行；

当所述UPS并机系统处于旁路运行状态时，使逆变器按照第二锁相速度运行，所述第二锁相速度大于所述第一锁相速度。

进一步地：

所述第一锁相速度和所述所述第二锁相速度满足以下关系：K_fast＝a*K_normal，其中K_fast为所述第二锁相速度，K_normal为所述第一锁相速度运，a为预设的速度增大倍数。

较佳地，a的取值范围为2～6。

最优地，a为4。

可以通过在由逆变运行状态切换到旁路运行状态时调整UPS并机系统的锁相环的控制参数，来进行所述第一锁相速度和所述第二锁相速度之间的切换。

较佳地，通过调整UPS并机系统的锁相环的PI参数，来进行所述第一锁相速度和所述第二锁相速度之间的切换。

所述UPS并机系统的主路与旁路不同源或同源。

本发明的有益效果：

本发明提出一种增强UPS在油机旁路运行时锁相性能的方法，当UPS系统处于逆变运行状态时，使逆变器按照较小的第一锁相速度运行，当UPS系统处于旁路运行状态时，使逆变器按照较大的第二锁相速度运行，通过在旁路供电时对逆变器采用较大的锁相速度，来增强系统对旁路信号的锁相能力，从而有效克服UPS油机旁路运行而旁路电源质量较差时，由于电压快速波动等原因引起的相位锁不定问题，提高了UPS在旁路运行时对电网的适应能力。同时，由于逆变供电时是以相对较小的第一锁相速度运行，锁相速度不用很快，又能避免影响均流环的稳定性。

本发明的优点具体可体现在以下方面：

一、解决了并机系统旁路油机运行时由于电压变化率较快系统相位无法锁定的问题，提高了UPS并机系统对油机的适应能力；

二、基于这样控制，旁路和逆变可以进行平滑的切换，极大的降低了切换的风险；

三、旁路切换到逆变后锁相速率立即切换正常速率，确保并机逆变运行的稳定性。

附图说明

图1为传统的一种UPS并机系统配电连接图(UPS系统主旁不同源)；

图2为传统的另一种UPS并机系统配电连接图(UPS系统主旁同源)；

图3为传统的分散逻辑控制的UPS并机系统结构框图；

图4为本发明增强UPS在油机旁路运行时锁相性能的方法一种实施例的流程图；

图5为典型的锁相环(PLL)控制结构图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图4，在一种实施例中，一种增强UPS在油机旁路运行时锁相性能的方法，包括以下步骤：

监测UPS并机系统是处于逆变运行状态还是处于旁路运行状态；

当UPS并机系统处于逆变运行状态时，使逆变器按照第一锁相速度K_normal运行,即逆变器的锁相速度K_Pll＝K_normal；

当UPS并机系统处于旁路运行状态时，使逆变器按照大于第一锁相速度K_normal的第二锁相速度K_fast运行，即逆变器的锁相速度 K_Pll＝K_fast。

考虑到UPS并机系统在旁路运行时，逆变器是不输出给负载供电的，也就是说逆变器的并机均流环是不起作用的，本发明利用这一特点，将锁相速度进行分离控制，将并机系统在旁路运行时的锁相速率提升到K_fast，在并机系统切回逆变运行时再将锁相速率K_fast改为正常的并机锁相速率K_normal。采用本发明的方法，既有利于在恶劣情况下实现对旁路相位的锁定，同时又能避免因为逆变运行时锁相速率的增大而影响均流环的稳定性。

在优选的实施例中，第一锁相速度K_normal和第二锁相速度K_fast满足以下关系：K_fast＝a*K_normal，其中a为预设的速度增大倍数。在更优选的实施例中，a的取值范围为2～6。在最优的实施例中，a为4。

理论上来说，a的取值高时越能够提高旁路运行时的锁相速度，增强系统对旁路信号的锁相能力，但是实际验证中发现，a的取值在超过一定程度时反而会使系统的性能劣化，此时，逆变器的锁相速度过高不仅会使得系统在旁路运行时锁相环不稳定，而且在锁相速度平滑切换时对并机均流产生严重影响，使得并机系统产生振荡。大量实验测试结果表明，a的取值范围不超过6时，可以兼顾锁相能力的优化和系统的稳定。通过进一步测试和分析，确定最优的a值为4。发明人发现，当第一锁相速度K_normal和第二锁相速度K_fast满足K_fast＝4*K_normal时，不仅锁相跟踪速率高，在旁路电压比较差时能够非常可靠地进行系统相位锁定，而且也能够完全确保锁相环的稳定，避免并机系统产生振荡。

在实验测试中，如果不将锁相速率进行分离控制，在并机系统旁路油机运行时(带大负载)，系统相位将一直锁不定，无法进行不间断切换；而当并机系统在旁路运行时的锁相速率提高为K_fast＝4*K_normal，系统很快就锁定相位，自动进行并机系统旁路不间断切逆变动作。

对比实验

用400KVA三相AC电源来模拟油机，后端接两台200KVA的并联UPS，各带80％的负载，AC电源的基波电压为220V/50Hz，通过更改AC电源电压谐波含量和频率变化率，来观测UPS的相位锁定情况和锁相环的稳定性。发明人在a在1-10之间的范围进行许多取值，以各种不同工况条件进行了大量的实验测试和对比分析。以下仅以a取典型值的实验结果进行对照，传统方案和本发明典型示例的实验结果分别如表1至表4所示。

表1传统方案的锁相情况(a＝1，即旁路运行状态与逆变运行状态按照相同的锁相速度)

表2本发明示例1的锁相情况(a＝2，即旁路运行状态的锁相速度为逆变运行状态的锁相速度的2倍)

表3本发明示例2的锁相情况(a＝4，即旁路运行状态的锁相速度为逆变运行状态的锁相速度的4倍)

表4本发明示例3的锁相情况(a＝6，即旁路运行状态的锁相速度为逆变运行状态的锁相速度的6倍)

通过对比可以看到，传统方案在谐波含量较低(3次、7次谐波含量达到10％，5次谐波含量达到12％)、频率变化率较低(0.5Hz/s)的情况下即会出现锁相失败的现象。本发明示例1(a＝2时)在与传统方案同等工况的条件下均能锁相成功，而在频率变化率较高的情况下(2Hz/s)，虽然锁相环能够保持稳定，但是会出现锁相失败的现象。本发明示例2(a＝4时)不仅在与传统方案同等工况的条件下均能锁相成功，而且在频率变化率较高的情况下(2Hz/s)也能锁相成功，同时还能够使锁相环保持稳定。本发明示例3(a＝6时)在与传统方案同等工况的条件下均能锁相成功，在频率变化率较高的情况下(2Hz/s)，虽然能够锁相成功，但是会出现锁相环不稳定的现象。通过实测和对比分析，最终确定a的优选值在2-6之间的范围，a的最优选值为4。

参见图5所示的锁相环(PLL)的典型控制结构图，在一些实施例中，可以通过在由逆变运行状态切换到旁路运行状态时调整UPS并机系统的锁相环的控制参数，例如调整PI(比例积分)参数，来实现逆变器的锁相速度在第一锁相速度K_normal和第二锁相速度K_fast之间进行切换。图5中，θbp为市电的瞬时相位，θinv为逆变器的瞬时相位，PI为比例积分 环节，Wff为检测电压的中心频率，LMT1和LMT2为限幅环节，△W为LMT1环节的输出信号，W为Wff和W的和信号，2π/S为积分环节。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。