CN100433502C - 多模式不间断电源及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

不间断电源设备包含第一双向电力变换器电路与第二双向电力变换器电路，第一双向电力变换器电路具有第一与第二端口，第二双向电力变换器电路具有第一与第二端口。该设备还包含将第一双向电力变换器电路的第二端口耦合到第二双向电力变换器电路的第一端口的DC链路。第一负载端口耦合到第二双向电力变换器电路的第二端口，第二负载端口耦合到第一双向电力变换器电路第一端口。该设备还包含耦合到DC链路并向DC链路供电的备用DC电源以及第一与第二开关，第一开关将第一双向电力变换器电路第一端口耦合到AC电源以及从之断开，第二开关将第一双向电力变换器电路第一端口耦合到第二双向电力变换器电路第二端口以及从之断开。该设备还包含控制电路，该电路对第一与第二双向电力变换器电路以及第一与第二开关进行控制，使得第一与第二双向电力变换器中的每一个能够在第一与第二负载端口的每一个上产生和/或调节AC电力。

Description

多模式不间断电源及其运行方法
技术领域
本发明涉及电力变换设备和方法，特别涉及不间断电源(UPS)设备及方法。
背景技术
UPS通常用于向例如计算机系统、电信系统以及医疗设备等提供关键功能的电子设备提供经调节的和/或备用的电源。典型地，在公用供电网停电或下降的时候，UPS能够提供来自例如电池、发电机或燃料电池等后备电源的AC电力。
某些UPS系统采用这样的结构：其中，AC电压由DC链路上的DC电压产生。如图1所示，典型的传统“双向变换式”UPS 100包含整流器110，整流器110接收来自例如公用电网等AC电源10的AC电力。整流器110在DC链路115上产生DC电压。UPS 100还包含逆变器120，逆变器120由DC链路115上的DC电压产生施加到负载20上的AC输出。后备或补充电力可由例如电池等备用DC电源130经由DC链路115提供。
图2示出了传统的“在线互动式”UPS结构。在线互动式UPS 200包含逆变器/充电器电路220，该电路被配置为耦合到AC电源10(经由开关15)以及负载20。逆变器/充电器电路220适用于当AC电源停电或下降时作为逆变器，以便由例如电池等备用DC电源230产生AC电压向负载20供电，其中，备用DC电源230通过DC链路215耦合到逆变器/充电器电路220。当AC电源10处于正常状态时，逆变器/充电器电路220可作为整流器，通过DC链路215向备用电源230提供充电电流。
授予Faria等人的美国专利6,295,215介绍了包含多模式DC/AC变换器电路的电源设备，该电路由AC电源向负载提供第一功率分量--例如有功功率分量，而旁路电路由AC电源向负载提供第二功率分量--例如谐波功率分量和/或无功功率分量。电源设备可具有另一种运行模式，在该运行模式下，DC/AC变换器电路排他地向输出端口提供电力。
发明内容
根据本发明的某些实施例，不间断电源设备包含第一双向电力变换器电路与第二双向电力变换器电路，第一双向电力变换器电路具有第一与第二端口，第二双向电力变换器电路具有第一与第二端口。该设备还包含将第一双向电力变换器电路的第二端口耦合到第二双向电力变换器电路的第一端口的DC链路。第一负载端口耦合到第二双向电力变换器电路的第二端口，第二负载端口耦合到第一双向电力变换器电路的第一端口。该设备还包含控制电路，该控制电路被配置为对第一与第二双向电力变换器电路进行控制，使得第一与第二双向电力变换器中的每一个适用于有选择地在第一与第二负载端口的每一个上产生和/或调节AC电力。例如，控制电路可以被配置为对第一与第二双向电力变换器电路进行控制，使得第一与第二双向电力变换器中的每一个适用于有选择地由耦合到DC链路的备用DC电源在第一与第二负载端口的每一个上产生AC电力。
在本发明进一步的实施例中，控制电路适用于提供以下运行模式中的至少两种：第一运行模式，其中，第一双向电力变换器电路在第二负载端口上提供电力调节，而第二双向电力变换器电路在第一负载端口上提供AC电力；第二模式，其中，第一双向电力变换器电路由备用DC电源在第二负载端口上产生AC电力，而第二双向电力变换器电路由备用DC电源在第一负载端口上产生AC电力；第三模式，其中，第二双向电力变换器电路由备用DC电源在第一负载端口上产生AC电力，而第一双向电力变换器电路被停用；第四模式，其中，第二双向电力变换器电路由备用DC电源在第二负载端口上产生AC电力，而第一双向电力变换器电路被停用；第五模式，其中，第二双向电力变换器电路由备用DC电源在第一与第二负载端口上产生AC电力；第六模式，其中，第一双向AC电力变换器电路由备用DC电源在第二负载端口上产生AC电力，而第二双向电力变换器电路被停用；第七模式，其中，第一双向AC电力变换器电路由备用DC电源在第一与第二负载端口上产生AC电力；第八模式，其中，第一与第二双向AC电力变换器电路同时由备用DC电源在第一负载端口上产生电力；以及第九模式，其中，第一与第二双向AC电力变换器电路同时由备用DC电源在第二负载端口上产生电力。控制电路可适用于有选择地提供第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九运行模式中的各模式。
在某些实施例中，控制电路包含第一开关与第二开关，第一开关适用于将第一双向电力变换器电路的第一端口耦合到AC电源以及从AC电源断开，第二开关适用于将第一双向电力变换器电路的第一端口耦合到第二双向电力变换器电路的第二端口以及从第二双向电力变换器电路的第二端口断开。DC链路可包含第一与第二DC电压母线，第一双向电力变换器电路可包含第一半桥电路，该半桥电路适用于有选择地将第一负载端口的第一端子耦合到第一与第二DC电压母线。第二双向电力变换器电路可包含第二半桥电路，该半桥电路适用于有选择地将第二负载端口的第一端子耦合到第一与第二DC电压母线。
控制电路可被配置为有选择地以备用方式或在线互动方式运行第一双向电力变换器电路和/或第二双向电力变换器电路。控制电路还可被配置为有选择地运行第一双向电力变换器电路与第二双向电力变换器电路，向第一负载端口提供在线不间断电力。控制电路还可被配置为有选择地运行第一双向电力变换器电路和/或第二双向电力变换器电路，在第一负载端口和/或第二负载端口上提供电力调节。控制电路可进一步适用于绕开第一与第二双向电力变换器电路，在第一负载端口上提供AC电力。
本发明进一步的实施形态还提供了用于运行不间断电源设备的相关方法。
附图说明
图1和图2为原理图，其示出了传统的UPS构造；
图3为一原理图，其示出了根据本发明某些实施例的UPS设备；
图4-13为原理图，其示出了根据本发明其他实施例的、UPS设备的典型运行。
具体实施方式
下面参照附图介绍本发明的具体典型实施例。然而，本发明还可以用许多不同的形式实施，且不应认为限制在本文所述的实施例，相反，提供这些实施例是为了使本公开更加彻底和完善，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在附图中，相同的标号指的是相同的元件。可以明了，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者，可存在中间的元件。
图3-13为原理图，其示出了根据本发明各种实施例的典型设备与方法。附图中的项目及其组合可采用一个或一个以上电子电路实现，例如采用功率电子电路--诸如由微处理器或微控制器等处理器控制的半桥电路及其驱动电路。可以明了，通常，附图中所描述的运行及其组合可在一个或一个以上电子电路中实现，例如在一个或一个以上分立电子元件、一个或一个以上集成电路(IC)、一个或一个以上专用集成电路(ASIC)以及专用电路模块中实现，也可通过计算机程序指令实现，这些指令由计算机或例如微处理器或数字信号处理器(DSP)等其他数据处理装置执行以便产生某种机构，使得在计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令建立电子电路或实现规定操作的其他装置。计算机程序指令还可在一个或一个以上的计算机或其他数据处理装置上执行，以便使计算机或其他可编程装置执行的一系列动作产生可用计算机实现的过程，该过程包含规定操作。因此，框图支持电子电路和执行规定操作以及起执行规定操作的作用的其他装置。可以明了，方框可表示电路的功能分组，且即使示出的是分立的功能方框，同样的电路可用于实现分立方框的功能。
图3示出了根据本发明某些实施例的多模式双向变换UPS 300。UPS300包含第一双向电力变换器电路，该电路包含至少一个半桥电路310。半桥电路310包含开关晶体管Q1、Q2以及电抗器L1，并由控制电路340控制。可以明了，在多相的实施例中，可存在一个以上的这种半桥电路310。UPS 300还包含第二双向电力变换器电路，该电路包含至少一个半桥电路320。半桥电路320包含开关晶体管Q3、Q4以及电抗器L2，并同样由控制电路340控制。在多相的实施例中，可采用一个以上的这种半桥电路320。
UPS 300还包含第一与第二开关350、360(例如继电器和/或固态开关)，第一与第二开关350、360同样由控制电路340控制。第一开关350被配置为将AC电源(例如AC公用电网)耦合到第一半桥电路310的第一端口311或从第一半桥电路310的第一端口311断开。第一半桥电路310的第二端口312耦合到DC链路。DC链路包含第一与第二电压母线315a、315b，第一与第二电压母线315a、315b还耦合到第二半桥电路320的第一端口321。第二半桥电路320还包含第二端口322，第二端口322被配置为耦合到负载。第二开关360被配置为将第一半桥电路310的第一端口311耦合到第二半桥电路320的第二端口322或从第二半桥电路320的第二端口322断开。UPS 300还包含备用DC电源330，备用DC电源330适用于向DC母线315a、315b提供DC电力。备用DC电源330可包含例如电池、燃料电池或其他DC电源。
如图所示，控制电路340包含处理器342(例如微控制器、微处理器等等)，模式选择器343在处理器342中实现。根据本发明的某些实施例，模式选择器343对控制输入341做出响应地使控制电路340对半桥电路310、320以及开关350、360进行控制，以便提供多种不同的运行模式。具体而言，控制电路340可对控制输入341做出响应地运行半桥电路310、320，以便提供整流器、逆变器以及电力调节器运行的多种组合，并且有选择地将半桥电路310、320耦合到第一与第二负载端口301、302，以便在端口301、302上产生和/或调节AC电力，例如图4-13中所示。
在图4中，根据本发明某些实施例的UPS 400包含由DC链路420耦合的第一与第二双向电力变换器电路410与430。UPS 400还包含第一开关440，第一开关440适用于将第一双向电力变换器电路410的第一端口411耦合到例如公用电网等主AC电源以及从主AC电源断开。第一双向电力变换器电路410的第二端口412耦合到DC链路420，DC链路420同样耦合到第二双向电力变换器电路430的第一端口431。第二开关450适用于将第一双向电力变换器电路410的第一端口411耦合到第二双向电力变换器电路430的第二端口432以及从第二双向电力变换器电路430的第二端口432断开。第二双向电力变换器电路430的第二端口432耦合到第一负载端口401，第一双向电力变换器电路410的第一端口411耦合到第二负载端口402。为了阐明图4-7所示的运行，没有明确示出例如用于向DC链路420提供DC电力的备用DC电源、对双向电力变换器电路410与430以及开关440与450进行控制的控制电路等UPS 400的部分(例如沿着上面参照图3所介绍的线)，也就是说，它们的功能被归入图4所示的功能项目。
仍然参照图4，在一种运行模式中，第一开关440闭合而第二开关450断开。在这种模式下，可对第一与第二双向电力变换器电路410、430进行操作，以提供“在线式”UPS运行，也就是说，第一双向电力变换器电路410可作为整流器运行，以便将来自主AC电源的AC电力变换为DC、对DC链路420供电，而第二双向电力变换器电路430作为逆变器，将来自DC链路420的DC电力变换为AC、对耦合到第一负载端口401的负载供电。第一双向电力变换器电路410还可同时为耦合到负载端口402的第二负载提供电力调节(例如功率因数校正和/或谐波抑制)。例如，在2002年11月11日由Taimela提交的美国专利申请10/286,027中，介绍了用于在双变换UPS中提供在线式运行与电力调节的这种组合的技术，该申请已转让给本申请的受让人，并以整体并入此处作为参考。
参照图5，在另一种运行模式下，当主AC电源停电或下降时，第一双向电力变换器电路410可作为逆变器运行，将由备用DC电源供到DC链路420的DC电力变换为AC电力，对耦合到第二负载端口402的负载供电。第二双向电力变换器电路430可类似地作为逆变器运行，向耦合到第一负载端口401的负载提供AC电力。可以明了，第一与第二双向电力变换器电路410、430可以用备用的和/或在线互动的方式运行。具体而言，如图5所示，对于备用式运行，第一开关440可在主AC电源停电后断开。
如图6所示，可通过闭合第一与第二开关440、450来旁路变换器电路410、430。在这种被旁路的模式下，第二双向电力变换器电路430和/或第一双向电力变换器电路410可用于在第一负载端口401和/或第二负载端口402上提供电力调节。参照图7与图8所示的运行模式，在主AC电源丧失且第一双向电力变换器电路410故障的情况下，第二双向电力变换器电路430可作为逆变器运行，由对DC链路420进行馈送的备用DC电源向第一负载端口401和/或第二负载端口402提供AC电力。如图9与图10所示，在主AC电源丧失且第二双向电力变换器电路430故障的情况下，第一双向电力变换器电路410可作为逆变器运行，向第一负载端口401和/或第二负载端口402提供AC电力。如图11-13所示，第一与第二双向电力变换器电路410、430还可并联运行，由DC链路420向第一负载端口401和/或第二负载端口402提供电力。
在附图和说明书中，公开了本发明的典型实施例。尽管采用了具体的术语，但它们用于一般性和说明性意义，并非用于限制。本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (19)

1.一种不间断电源设备，该设备包含：
第一双向电力变换器电路，其具有第一端口与第二端口；
第二双向电力变换器电路，其具有第一端口与第二端口；
DC链路，其将所述第一双向电力变换器电路的所述第二端口耦合到所述第二双向电力变换器电路的所述第一端口；
第一负载端口，其耦合到所述第二双向电力变换器电路的所述第二端口；
第二负载端口，其耦合到所述第一双向电力变换器电路的所述第一端口；
备用DC电源，该电源被耦合到所述DC链路并向所述DC链路供电；
第一开关与第二开关，其中，第一开关被配置为将所述第一双向电力变换器电路的所述第一端口耦合到AC电源以及从所述AC电源断开，第二开关被配置为将所述第一双向电力变换器电路的所述第一端口耦合到所述第二双向电力变换器电路的所述第二端口以及从所述第二双向电力变换器电路的所述第二端口断开；
控制电路，其被配置为对所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路以及第一开关与第二开关进行控制，使得所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路中的每一个由所述备用DC电源在所述第一负载端口与所述第二负载端口中的每一个上产生和/或调节AC电力。
2.根据权利要求1的设备，其中，所述控制电路适用于提供下列运行模式中的至少两种：
第一运行模式，其中，所述第一双向电力变换器电路在所述第二负载端口上提供AC电力调节，而所述第二双向电力变换器电路在所述第一负载端口上提供AC电力；
第二运行模式，其中，所述第一双向电力变换器电路由所述备用DC电源在所述第二负载端口上产生AC电力，而所述第二双向电力变换器电路由所述备用DC电源在所述第一负载端口上产生AC电力；
第三运行模式，其中，所述第二双向电力变换器电路由所述备用DC电源在所述第一负载端口上产生AC电力，而所述第一双向电力变换器电路被停用；
第四运行模式，其中，所述第二双向电力变换器电路由所述备用DC电源在所述第二负载端口上产生AC电力，而所述第一双向电力变换器电路被停用；
第五运行模式，其中，所述第二双向电力变换器电路由所述备用DC电源在所述第一负载端口与所述第二负载端口上产生AC电力，而所述第一双向电力变换器电路被停用；
第六运行模式，其中，所述第一双向电力变换器电路由所述备用DC电源在所述第二负载端口上产生AC电力，而所述第二双向电力变换器电路被停用；
第七运行模式，其中，所述第一双向电力变换器电路由所述备用DC电源在所述第一负载端口与所述第二负载端口上产生AC电力；
第八运行模式，其中，所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路同时由所述备用DC电源在所述第一负载端口上产生AC电力；以及
第九运行模式，其中，所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路同时由所述备用DC电源在所述第二负载端口上产生AC电力。
3.根据权利要求2的设备，其中，所述控制电路适用于提供所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九运行模式中的各模式。
4.根据权利要求2的设备，其中，所述电力调节包含功率因数控制和谐波控制中的至少一种。
5.根据权利要求1的设备：
其中，所述DC链路包含第一与第二DC电压母线；
其中，所述第一双向电力变换器电路包含第一半桥电路，该半桥电路适用于将所述第一负载端口的第一端子耦合至所述第一与第二DC电压母线；并且
其中，所述第二双向电力变换器电路包含第二半桥电路，该半桥电路适用于将所述第二负载端口的第一端子耦合至所述第一与第二DC电压母线。
6.根据权利要求5的设备，其中，所述第一半桥电路与所述第二半桥电路包含各自的三相半桥电路。
7.根据权利要求1的设备，其中，所述控制电路被配置为以备用的或在线互动的方式运行所述第一双向电力变换器电路和/或所述第二双向电力变换器电路。
8.根据权利要求1的设备，其中，所述控制电路被配置为运行所述第一双向电力变换器电路和所述第二双向电力变换器电路，以便向所述第一负载端口提供在线式不间断电力。
9.根据权利要求1的设备，其中，所述控制电路适用于旁路所述第一双向电力变换器电路和所述第二双向电力变换器电路，以便在所述第一负载端口上提供AC电力。
10.一种运行不间断电源设备的方法，该设备包含：具有第一端口与第二端口的第一双向电力变换器电路、具有第一端口与第二端口的第二双向电力变换器电路、将所述第一双向电力变换器电路的所述第二端口耦合到所述第二双向电力变换器电路的所述第一端口的DC链路、耦合到所述DC链路并适用于对所述DC链路供电的备用DC电源、耦合到所述第二双向电力变换器电路的所述第二端口的第一负载端口和耦合到所述第一双向电力变换器电路的所述第一端口的第二负载端口，所述不间断电源设备还包含第一开关与第二开关，其中，第一开关被配置为将所述第一双向电力变换器电路的所述第一端口耦合到AC电源以及从所述AC电源断开，第二开关被配置为将所述第一双向电力变换器电路的所述第一端口耦合到所述第二双向电力变换器电路的所述第二端口以及从所述第二双向电力变换器的所述第二端口断开，所述方法包含：
对所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路以及第一开关与第二开关进行控制，使得所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路中的每一个适用于在所述第一负载端口与所述第二负载端口中的每一个上产生和/或调节AC电力。
11.根据权利要求10的方法，其中，所述方法包含下列步骤a至步骤i中的至少两个：
步骤a：运行所述第一双向电力变换器电路、以便在所述第二负载端口上提供AC电力调节，同时，运行所述第二双向电力变换器电路、以便在所述第一负载端口上提供AC电力；
步骤b：运行所述第一双向电力变换器电路、以便由所述备用DC电源在所述第二负载端口上产生AC电力，同时，运行所述第二双向电力变换器电路、以便由所述备用DC电源在所述第一负载端口上产生AC电力：
步骤c：运行所述第二双向电力变换器电路、以便由所述备用DC电源在所述第一负载端口上产生AC电力，同时，所述第一双向电力变换器电路被停用；
步骤d：运行所述第二双向电力变换器电路、以便由所述备用DC电源在所述第二负载端口上产生AC电力，同时，所述第一双向电力变换器电路被停用；
步骤e：在所述第一双向电力变换器电路故障停用的情况下，运行所述第二双向电力变换器电路，以便由所述备用DC电源同时在所述第一负载端口与所述第二负载端口上产生AC电力；
步骤f：运行所述第一双向电力变换器电路、以便由所述备用DC电源在所述第二负载端口上产生AC电力，同时，所述第二双向电力变换器电路被停用；
步骤g：运行所述第一双向电力变换器电路，以便由所述备用DC电源同时在所述第一负载端口与所述第二负载端口上产生AC电力；
步骤h：同时运行所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路，以便由所述备用DC电源在所述第一负载端口上产生AC电力；以及
步骤i：同时运行所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路，以便由所述备用DC电源在所述第二负载端口上产生AC电力。
12.根据权利要求11的方法，其包含步骤a至步骤i的各个步骤。
13.根据权利要求11的方法，其中，所述电力调节包含功率因数控制和谐波控制中的至少一种。
14.根据权利要求10的方法：
其中，所述DC链路包含第一与第二DC电压母线；
其中，所述第一双向电力变换器电路包含第一半桥电路，该半桥电路适用于将所述第一负载端口的第一端子耦合至所述第一与第二DC电压母线；并且
其中，所述第二双向电力变换器电路包含第二半桥电路，该半桥电路适用于将所述第二负载端口的第一端子耦合至所述第一与第二DC电压母线。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述第一半桥电路与所述第二半桥电路包含各自的三相有源桥式电路。
16.根据权利要求10的方法，其中，所述电力调节包含功率因数控制和谐波控制中的至少一种。
17.根据权利要求10的方法，其中，对所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路进行控制包含：以备用的或在线互动的方式运行所述第一双向电力变换器电路和/或所述第二双向电力变换器电路。
18.根据权利要求10的方法，其中，对所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路进行控制包含：运行所述第一双向电力变换器电路和所述第二双向电力变换器电路、以便向所述第一负载端口提供在线式不间断电力。
19.根据权利要求10的方法，对所述第一双向电力变换器电路与所述第二双向电力变换器电路以及第一开关与第二开关进行控制还包含旁路所述第一双向电力变换器电路和所述第二双向电力变换器电路，以便在所述第一负载端口上提供AC电力。
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