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如何申请专利

技术交底书模板-不间断电源3

(一)技术交底书的要求:
□应清楚、完整地写明发明或实用新型的内容;
□使所属技术领域的普通技术人员能够根据此内容实施发明创造;
□使上述人员相信本发明确实可以解决现有技术不能解决的问题。
(二)技术交底书的具体样本如下:
 1)发明创造的名称:

UPS的控制系统和方法

 2)所属技术领域:
技术领域:
      本发明涉及不间断电源(Uninterruptable Power Supply,UPS),特别是涉及一种UPS的控制系统和方法。
 3)背景技术
      3.1)详细介绍技术背景,并描述申请人所知的与发明方案最接近的已有技术(应详细介绍,以不需再去看文献即可领会该技术内容为准,如果现有技术出自专利、期刊、书籍,则提供出处);
      3.2)对现有技术存在的缺点进行客观的评述(现有技术的缺点是针对于本发明的优点来说的;如果找不出对比技术方案及其缺点,可用反推法,根据本发明的优点来找对应的缺点;本发明不能解决的缺点,不需提供;缺点可以是成本高、处理时间慢等类似问题)。
背景技术:
      目前很多UPS由于本身拓扑结构的限制,带感性负载的能力都不强,比如不能带功率因数较大的感性负载,例如电机等。如图1所示,一般的单进单出的双变换UPS包括整流部分和逆变部分,整流部分采用BOOST变换器,逆变部分采用三电平拓扑。突加感性负载L3时,瞬间将产生很大的电流直流分量,当逆变电压为正,逆变电感L2上流过的逆变电流为负的时候,如图1中虚线箭头的方向所示,逆变电流会通过上主管Q3的体二极管不断地往正母线电容C1充电。因为流过逆变电感L2的电流直流分量较大,由于二极管D3的反向阻流作用,电流无法流过二极管D3,所以灌入正母线电容C1的能量比感性负载L3消耗的能量要大,最后正母线电压会越来越高,在几个工频周期后导致正母线电容C1过压。类似地,当逆变电流反向时,负母线电容C2也会出现过压的情形。
      如上所述,如果UPS的整流部分采用BOOST变换器或者相类似的拓扑结构,该UPS带功率因数比较大的感性负载(接近理想电感)的时候就会出现母线过压问题。为解决母线过压问题,已知的一种方案是采用耐压较高的电容作为正母线电容,但这种依靠硬件改动的方案需要额外增加很多成本。
 4)发明内容:
      4.1)正面描述本发明所要解决的技术问题(对应现有技术的所有缺点;本发明解决不了的,不需提供);
      4.2)清楚完整的叙述发明创造的技术方案,应结合工艺流程图、原理框图、电路图、仿真图、布局图、设备结构图进行说明(越详细越好,可与第6部分合写;发明中每一功能的实现都要有相应的技术实现方案,不能只有原理,也不能只做功能介绍;需要详细提供与现有技术的区别技术和关联技术;每个附图都应有对应的文字描述,以他人不看附图即可明白技术方案为准;所有英文缩写都应中文注释):
      对于机械产品的发明创造应详细说明每一个结构零部件的形状、构造、部件之间的连接关系、空间位置关系、工作原理等;
      对于电器产品应描述电器元件的组成、连接关系;
      对于无固定形状和结构的产品,如粉状或流体产品、化学品、药品,应描述其组分及其含量、制造工艺条件和工艺流程等;
      对于方法发明,应描述操作步骤、工艺参数等;
      4.3)简单点明本发明的关键点和欲保护点(逐项列出1、2、3、、、),并简单介绍与最好的现有技术相比,本发明有何优点(一两个自然段即可;结合技术方案来描述,做到有理有据,即用推理或因果关系的方式推理说明;可以对应所要解决的技术问题或发明目的来描述)。
发明内容:
      本发明的主要目的就是针对现有技术的不足,提供一种UPS的控制系统和方法,以较低的成本解决母线过压的问题。
      为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
      一种UPS的控制系统, 所述UPS包括顺次连接在交流电源和负载之间的整流部分和逆变部分,其特征在于:
      所述控制系统包括PID控制器,其用于对所述UPS进行双闭环控制,所述双闭环包括作为内环的电流环和作为外环的电压环,在所述电压环中,对逆变电压给定值与逆变电压的反馈值取差值,经过比例积分调节,获得逆变电流给定值,在所述电流环中,对所述逆变电流给定值与逆变电流的反馈值取差值,经电流环比例系数的比例调节,获得关于所述逆变电压的控制量,其中所述逆变电压为所述逆变部分的输出电压,所述逆变电流为所述逆变部分的输出电流;
      所述控制系统还包括电流环比例系数调整模块,其包括检测单元和系数给定单元,所述检测单元用于检测所述UPS是否满足母线过压控制条件,所述系数给定单元用于在所述母线过压控制条件满足时,将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较小的值,在所述母线过压控制条件不满足时,将所述电流环比例系数取为预设的两个电流环比例系数中较大的值。
      优选地,所述检测单元包括电流计算单元和第一判断单元,所述电流计算单元用于计算所述负载上的负载电流中的无功电流,所述第一判断单元用于将所述无功电流与设定的阀值进行比较,当所述无功电流大于所述阀值时判断所述母线过压控制条件满足,否则判断所述母线过压控制条件不满足。
      优选地,所述无功电流是通过所述电流计算单元计算出一个工频周期内多个采样点的负载电流的无功分量,取平均值而获得。
      优选地,所述检测单元包括第二判断单元,其用于将母线电压与设定的电压基准值进行比较,并将所述逆变电流与设定的电流基准值进行比较,当所述母线电压大于所述电压基准值且所述逆变电流大于所述电流基准值时,判断所述母线过压控制条件满足,否则判断所述母线过压控制条件不满足。
      优选地,所述关于逆变电压的控制量为发生SPWM的控制量,所述逆变电压通过所述SPWM生成。
      一种UPS的控制方法,其特征在于:
      所述控制方法包括对所述UPS进行双闭环控制,所述双闭环包括作为内环的电流环和作为外环的电压环,在所述电压环中,对逆变电压给定值与逆变电压的反馈值取差值,经过比例积分调节,获得逆变电流给定值,在所述电流环中,对所述逆变电流给定值与逆变电流的反馈值取差值,经电流环比例系数的比例调节,获得关于逆变电压的控制量;其中,所述电流环比例系数通过以下步骤调整:
      A.检测所述UPS是否满足母线过压控制条件;
      B.在所述母线过压控制条件满足时,将所述电流环比例系数取为
      预设的两个电流环比例系数中较小的值;
      C.在所述母线过压控制条件不满足时,将所述电流环比例系数取为
      预设的两个电流环比例系数中较大的值。
      优选地,步骤A包括以下步骤:
      A11.计算负载电流中的无功电流;
A12. 将所述无功电流与设定的阀值进行比较,当所述无功电流大于
      所述阀值时判断所述母线过压控制条件满足,否则判断所述母线过压控制条件不满足。
      优选地,步骤A11中,所述无功电流是通过分别计算出一个工频周期内多个采样点的负载电流的无功分量,取平均值而获得。
      优选地,所述无功分量的计算采用傅里叶变换,通过将对应工频周期的逆变电流与逆变电压的夹角余弦值乘以负载电流瞬时值而获得。
      优选地, 步骤A包括以下步骤:
      A21. 检测母线电压和逆变电流;和
      A22.将母线电压与设定的电压基准值进行比较,并将所述逆变电流与设定的电流基准值进行比较,当所述母线电压大于所述电压基准值且所述逆变电流大于所述电流基准值时,判断所述母线过压控制条件满足,否则判断所述母线过压控制条件不满足。
本发明有益的技术效果是:
      根据本发明的控制系统采用PID双闭环控制,在作为内环的电流环中,对逆变电流给定值与逆变电流的反馈值取差值,经电流环比例系数的比例调节,获得关于逆变电压的控制量。在上述闭环控制系统中,通过采用小的电流环比例系数,能够有效抑制母线电压升高,这主要是因为小的电流环比例系数使逆变电压获得相对较大的超调量,增大了母线能量的损耗,从而避免出现母线过压。但是,对于带非感性负载时的系统指标,典型的,如阻性负载和整流性负载在THD(total harmonic distortion,总谐波失真)方面的系统指标,则需要采用比较大的电流环比例系数才能够满足要求。因此,本发明中,先检测UPS是否满足母线过压控制条件,在满足母线过压控制条件时采用预设的两个电流环比例系数中较小的电流环比例系数,否则采用较大的电流环比例系数,从而能够做到对系统指标的兼顾。例如,根据系统负载的性质来判断是否满足母线过压控制条件,只在判断为感性负载时采用较小的电流环比例系数,从而避免感性负载容易造成母线过压的问题,增加系统带感性负载的能力。与传统的方案相比,本发明能从根本上避免出现母线过压的问题且能兼顾到UPS带非感性负载时的其它指标,而不需要另外采用成本较高的高耐压性的电容作为母线电容,因此降低了系统的成本。
 5)附图:实用新型专利必须提供附图,附图中构成件可以有标记,尺寸和参数不必标注。
      附图说明:
      图1为单进单出双变换UPS的电路结构图;
      图2为本发明一种实施例的控制原理图;
      图3为本发明控制系统中的电流环比例系数调整模块的结构框图;
      图4为一种实施例的电流环比例系数调整模块的结构框图;
      图5为另一种实施例的电流环比例系数调整模块的结构框图;
      图6为本发明控制方法中调整电流环比例系数的基本流程图;
      图7为一种实施例判断UPS是否满足母线过压控制条件的流程图;
      图8为对应于图7的实施例调整电流环比例系数的具体流程图;
      图9为另一种实施例判断UPS是否满足母线过压控制条件的流程图。
 6)优选具体实施方式(可与第4部分合写;尽量写明所有同样能完成发明目的的替代方案,所述替代可以是部分结构、器件、方法步骤的替代,也可以是完整的技术方案):
      对于产品发明应描述产品构成、电路构成或者化学成分、各部分之间的相互关系、工作过程或操作步骤;对于方法发明应写明步骤、参数、工艺条件等,可提供多个具体实施方式。
具体实施方式:
      以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
      在一种实施例中,如图1所示, UPS包括顺次连接在交流电源和负载之间的整流部分和逆变部分,本发明的控制系统用于对该UPS进行PID(比例积分微分)双闭环控制。图2给出了该UPS的控制原理图。此双闭环包括外环和内环,外环为电压环,采用比例积分调节,内环为电流环,采用比例调节。在电压环中,对逆变电压给定值Vref与逆变电压的反馈值Vinv取差值,经过比例积分环节Upi调节,获得逆变电流给定值;在电流环中,对逆变电流给定值与逆变电流的反馈值Il取差值,得到电流环误差,电流环误差在至少经过电流环比例系数Ip的比例调节后,获得关于逆变电压的控制量,优选为发生SPWM(正弦脉宽调制)波以得到相应的逆变电压的控制量。本发明中,逆变电压指逆变部分的输出电压,逆变电流指逆变部分的输出电流(即负载的前端电流)。
      在上述双闭环中,电流环比例系数Ip在控制中起超调小、跟随性能好的作用。电流环传递函数具体地可以表示为专利说明书附图 (包括一个比例环节和一个延时环节),控制对象是逆变电感L2。
      控制系统除了包括用于进行上述PID双闭环控制的PID数字控制器,还包括电流环比例系数调整模块。请参考图3,电流环比例系数调整模块又包括检测单元和系数给定单元,其中,检测单元用于检测UPS是否满足母线过压控制条件,而系数给定单元用于根据检测单元的检测结果给定电流环比例系数Ip。本发明预先设定了一个数值较小的电流环比例系数和一个数值相对较大的电流环比例系数,当母线过压控制条件满足时,系数给定单元将电流环比例系数Ip取为预设的较小的值从而实现母线过压控制,在母线过压控制条件不满足时,系数给定单元将电流环比例系数Ip取为预设的较大的值,以满足在较大的电流环比例系数下才具有的较好性能的系统指标。此类的系统指标包含动态和稳态两方面的指标,其中稳态指标包括THD方面的系统指标。
      本发明中,较大的值可定义为电流环比例系数在UPS带非感性负载时也保证相关系统指标处于正常范围的值,较小的值是与较大的值相比较而言的,其取值依UPS带感性负载时母线过压控制的具体需求而定。
      实验证实,如果PID数字控制器采用较小的电流环比例系数Ip,对抑制母线电压升高很有效果,这主要是因为,采用较小的电流环比例系数Ip时,逆变电压获得相对较大的超调,增大了母线能量的损耗。但是,UPS系统既可能带感性负载,也可能带非感性负载,例如,系统在带阻性负载和整流性负载时,就应考虑THD方面的系统指标,而该指标需要采用较大的电流环比例系数才能满足要求。采用以上技术方案,本发明既能保证抑制母线电压升高,又能兼顾包括THD方面的指标要求。
      检测UPS是否满足母线过压控制条件可以根据负载的性质来进行判定。如果识别负载的性质为感性负载,可判定满足母线过压控制条件,此时采用较小的电流环比例系数;如果识别负载的性质为容性、阻性负载,可判定不满足母线过压控制条件,此时则采用较大的电流环比例系数,从而能够实现在兼顾系统其它指标的前提下增加系统带感性负载的能力。
      由于感性负载的功率因数和电流的无功电流大小与非感性负载不一样,因此可以根据负载电流的无功电流的大小来识别是否感性负载。如图4所示,优选地,检测单元包括电流计算单元和第一判断单元,其中,电流计算单元用于计算负载电流IL中的无功电流,第一判断单元用于将无功电流与设定的阀值M进行比较,当无功电流大于阀值M时判断母线过压控制条件满足,否则判断母线过压控制条件不满足。根据第一判断单元的判断结果,系数给定单元将提供相应大小的电流环比例系数。
      在计算无功电流时,负载电流IL的波形可以在一个具有多个采样点的工频周期内进行离散傅立叶分解,分解出其中的无功分量专利说明书附图,将其展开写成离散傅立叶级数为:
专利说明书附图
      以变量Iq表示负载电流的无功电流,根据相应分量的大小和正负可以适当区分感性负载、容性负载和阻性负载。对于感性负载,Iq为正(正表示电压超前电流),对于阻性负载,Iq为一个很小的正数,对于容性负载,Iq为负(负表示电流超前电压),故根据Iq就能够区分感性负载、容性负载和阻性负载。从而,可设定一个阀值,当Iq大于该阀值的时候认为是感性负载。该阈值是根据无功电流的大小,大体上可将所带的负载区分为感性负载和非感性负载的分界点值,其具体取值可以依实际应用的情况而变。
      因此,在较优的实施例中,电流计算单元分别算出一个工频周期内多个采样点的的负载电流的无功分量,取平均值作为无功电流。无功分量的计算优选可以采用傅里叶变换,通过将负载电流瞬时值和逆变电流与逆变电压的夹角余弦值相乘而获得。
      检测UPS是否满足母线过压控制条件也可以根据母线电压和逆变电流的大小来判定。
      如图5所示,在另一种实施例中,检测单元包括第二判断单元,第二判断单元用于将母线电压V与设定的电压基准值 Vr进行比较,以及将逆变电流I与设定的电流基准值Ir进行比较,当母线电压大于电压基准值且逆变电流大于电流基准值时,判断母线过压控制条件满足,否则判断母线过压控制条件不满足。例如,当第二判断单元判断正母线或者负母线电压大于一定值(比如10%电压值,也就是存在母线过压风险的时候),如果同时判断逆变电流大于一定值,即判断母线过压控制条件满足。此时快速调节到设定的较小电流环比例系数Ip以降低母线电压。而当母线电压降低的时候,再逐渐恢复为原来的电流环比例系数Ip。   
      相比于前一种实施例,本实施例不容易区分出感性负载,所以会存在一定的风险。
      在上述各实施例中,负载电流、母线电压和逆变电流可通过设置相关的测量电路来进行检测,这些测量电路可以采用各种常规的设计。
      如图6所示,根据本发明的实施例,UPS的控制方法中包括调整电流环比例系数的步骤,说明如下:
      步骤A. 检测UPS是否满足母线过压控制条件;
      步骤B. 在母线过压控制条件满足时,将电流环比例系数取为设定的较小的值;和
      步骤C. 在母线过压控制条件不满足时,将电流环比例系数取为设定的较大的值。
      可以依据负载的性质判断是否满足母线过压控制条件。如图7所示,
      在一种实施例中,所述步骤A包括以下步骤:
      步骤A11. 根据负载电流值计算负载电流中的无功电流;和
      步骤A12. 将无功电流与设定的阀值进行比较,当无功电流大于阀值
      时判断母线过压控制条件满足,否则判断母线过压控制条件不满足。
      如图8所示,在更优选的实施例中,调整电流环比例系数的过程具体如下:
      步骤201,对流经负载的负载电流值IL,采用快速傅里叶变换,计算出当前工频周期一个采样点的负载电流瞬时值Iout_0和逆变电流与逆变电压的夹角余弦值 CosQ0,将Iout_0与CosQ0相乘,与之前的采样点的计算结果累加,赋给变量IqSumM_0;
      步骤202,在当前工频周期内的前一个采样点计算完之后,判断当前工频周期所有采样点是否计算结束,如果未结束,返回步骤201,如果已结束,进入步骤203;
      步骤203,将IqSumM_0除以输出电压周期的采样点数,得到无功电流Iq;
      步骤204,将无功电流Iq与设定的阀值进行比较,如果判断Iq大于阀值,进入步骤205,如果判断Iq小于阀值,进入步骤206;
      步骤205,取电流环比例系数Ip为设定的较小的值;
      步骤206,取电流环比例系数Ip为设定的较大的值。
      对于上述步骤204~206,利用阀值条件区别出感性负载和其他负载,从而针对不同的负载用不同的电流环比例系数。阀值可采用经过定标转化后的数字量,例如为500(标幺额定电流对应4096),取500可以有效的区别出阻性负载。系统运行后,如果加载的是感性负载,就会进入步骤205,而阻性负载和整流性负载电流在稳态带载的时候只能进入步骤206(忽略动态和非常小的感性负载)。
      是否满足母线过压控制条件也可以根据母线电压和逆变电流的大小来判定。如图9所示,在另一种实施例中,所述步骤A包括以下步骤:
      步骤A21. 检测母线电压和逆变电流;和
      步骤A22. 将母线电压和逆变电流分别与设定的电压、电流基准值进行比较,当母线电压大于电压基准值且逆变电流大于电流基准值时,判断母线过压控制条件满足,否则判断母线过压控制条件不满足。
      以上内容是结合具体的优选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,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。


专利说明书附图 

  
文本框: 感性负载文本框: 逆变部分文本框: 整流部分

专利说明书附图 


图1

专利说明书附图
图2

     专利说明书附图
图3

专利说明书附图
图4
专利说明书附图
图5

专利说明书附图
图6

专利说明书附图
图7

专利说明书附图
图8

专利说明书附图
图9