CN102222965A

CN102222965A - 混合动力的不间断电源

Info

Publication number: CN102222965A
Application number: CN2011101783522A
Authority: CN
Inventors: 黄俊嘉; 王庆文
Original assignee: 黄俊嘉
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2011-10-19

Abstract

本发明提出一种混合动力的不间断电源，包括开关装置、双向逆变装置、交流/直流换流器、蓄电池装置、光伏电池装置以及风能装置。开关装置跨接在市电电网的火线和零线上，双向逆变装置与开关装置的输出端相连，交流/直流换流器连接在开关装置的输入端和双向逆变装置之间，蓄电池装置、光伏电池装置和风能装置均通过双向直流/直流变换器连接在交流/直流换流器和双向逆变装置间。本发明采用混合动力输入设计，以电网电力为主要供电动力，新能源为优先使用能源，蓄电池为最后使用动力，确保了用户重要设备能安全不间断供电的原则，可以在市电电压波动大的场合使用，且本发明具有结构简单、成本低廉、整机效率高、使用安全的优点。

Description

混合动力的不间断电源

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子变换器技术领域，特别涉及一种混合动力的不间断电源。背景技术

[0002] 不间断电源（Uniterruptible Power Supply, UPS)是一种交流电源供应器，其可以在市电不正常时瞬间为负载提供稳定的交流电。

[0003] 请参见图5，其为现有的一种UPS结构图，当市电正常时仅将市电通过滤波器44直接经过继电器45连到输出端，供连接在UPS输出端的负载使用，当市电不正常时（电压过高或过低等），UPS将其内部的电池41，先经过直流/直流换流器42 (DC/DC converter)转换成高的直流电压，再利用反流器43将此高的直流电压转换成交流电压再经过继电器45 切换输出。

[0004] 但是，图5的这种UPS只能用在市电电压波动范围较小的场所，且其交流电压输出是一种方波形式，对于电感性负载（如变压器，马达），此种方波输出，将会造成负载容易损坏。

[0005] 请参见图6，其为现有的另一种UPS结构图，当市电正常时，市电输入经过滤波器 51后，再经过继电器52切换经过工频变压器53直接输出，当市电电压过低，经由继电器52 切换工频变压器53的绕组抽头，提高电压输出，当停电时，UPS将其内部的电池55，经逆变器54与工频变压器53产生交流电压输出。

[0006] 但是，图6的这种UPS，其交流电压输出也是一种方波形式，同样容易对电感性负载造成损坏，并且，其采用继电器52直接切换工频变压器53绕组抽头，切换时会产生尖波电压影响电力供电质量，而且该市电电压的调整器随时在线损耗功率。

[0007] 请参见图7，其为现有的另一种UPS结构图，当市电正常时市电经过全波整流电路 61后转换为直流电源，再经过逆变装置63逆变为稳定交流电压，经转换开关64输出。当停电时，由电池装置62提供直流电供逆变装置63持续供电。

[0008] 虽然图7的这种UPS可以输出正弦波，但是其无法适用在市电电压波动范围较大的场所，且其逆变装置63使用了四个开关管，从而造成使用过程中的功耗较大，导致整机效率低，成本高。

[0009] 综上所述，现有的UPS存在功耗大、成本高、不能在市电电压波动大的场合使用的问题。

发明内容

[0010] 本发明的目的是提供一种高效率的不间断电源，以解决现有的不间断电源功耗大、成本高、不能在市电电压波动大的场合使用的问题。

[0011] 本发明提出一种混合动力的不间断电源，包括开关装置、双向逆变装置、交流/直流换流器、蓄电池装置、光伏电池装置以及风能装置。开关装置跨接在市电电网的火线和零线上，双向逆变装置与开关装置的输出端相连，交流/直流换流器连接在开关装置的输入端和双向逆变装置之间，蓄电池装置通过双向直流/直流变换器连接在交流/直流换流器和双向逆变装置间，光伏电池装置通过双向直流/直流变换器连接在交流/直流换流器和双向逆变装置间，风能装置通过双向直流/直流变换器连接在交流/直流换流器和双向逆变装置间。

[0012] 依照本发明较佳实施例所述的混合动力的不间断电源，交流/直流换流器包括全波整流电路、升压转换电路和降压转换电路。全波整流电路与市电相连，用于将市电整流成直流电。升压转换电路与全波整流电路相连，用于对直流电进行升压。降压转换电路与全波整流电路相连，用于对直流电进行降压。

[0013] 依照本发明较佳实施例所述的混合动力的不间断电源，交流/直流换流器包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、电感、第一开关管、第二开关管、第一电容以及第二电容。第一二极管的正极和第二二极管的负极连接火线，第三二极管的正极和第四二极管的负极连接零线，第一二极管和第三二极管的负极连接电感和第一电容的一端，第二二极管和第四二极管的正极连接第一电容的另一端、第一开关管的一端以及第二电容的另一端，电感的另一端连接第二开关管的一端和第一开关管的另一端，第二开关管的另一端连接第五二极管的正极，第五二极管的负极连接第二电容的一端，且电感、第一开关管和第五二极管构成了升压转换电路，电感、第二开关管和第五二极管构成了降压转换电路。

[0014] 依照本发明较佳实施例所述的混合动力的不间断电源，双向直流/直流变换器包括第三电容、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、变压器。变压器又进一步包括第一原边绕组、第二原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，第一原边绕组的异名端和第二原边绕组的同名端连接第三电容的一端，第一原边绕组的同名端与第三开关管的一端相连，第二原边绕组的异名端与第四开关管的一端相连，第三开关管和第四开关管的另一端连接到第三电容的另一端，第一副边绕组的异名端和第二副边绕组的同名端相连，并作为正向输入/输出端，第一副边绕组的同名端与第五开关管的一端相连，第二副边绕组的异名端与该第六开关管的一端相连，第五开关管和第六开关管的另一端作为反向输入/ 输出端。

[0015] 依照本发明较佳实施例所述的混合动力的不间断电源，变压器还包括第一偏置绕组和第二偏置绕组，第一偏置绕组的同名端和第二偏置绕组的异名端作为直流电输出的一端，第一偏置绕组的异名端和第二偏置绕组的同名端作为直流电输出的另一端。

[0016] 依照本发明较佳实施例所述的混合动力的不间断电源，双向逆变装置包括全桥逆变电路和滤波电路，全桥逆变电路与双向直流/直流变换器相连，滤波电路分别与全桥逆变电路以及市电相连。

[0017] 相对于现有技术，本发明的有益效果是：

[0018] 1、本发明采用了市电电压补偿的方式，具有修正市电电压来达到输出稳压的功能，从而使高效率的不间断电源不仅可以在市电断电的情况下使用，还可以在市电电压波动大的场合使用，可以有效避免电压不稳定对用户设备所带来的损害。

[0019] 2、本发明除了将新能源并网利用外，当市电电压过高或过低时还将新能源作为市电电压补偿提供能源使用，减少与降低了材料成本，并减少能源多次的转换损耗。

[0020] 3、本发明结构简单、成本低廉，具有很高的整机运行效率，并可将多余能量回收再利用，且功耗低，具有节能减排、降低电费的优点。

[0021] 4、本发明的逆变装置采用低频换相高效运作，在使用过程中不会产生尖波电压，保证了电力供电质量以及负载的安全。

[0022] 5、本发明高效率的不间断电源输出的是正弦波形式的电压，不会对电感性负载造成损害。

[0023] 6、本发明以电网电力为主要供电动力，新能源为优先使用能源，蓄电池为最后使用动力，从而可以最大化地延长供电时间，确保对用户重要设备的安全不间断供电。

附图说明

[0024] 图1为本发明混合动力的不间断电源的一种实施例结构示意图；

[0025] 图2为本发明交流/直流换流器的一种实施例电路图；

[0026] 图3为本发明双向直流/直流变换器12的一种实施例电路图；

[0027] 图4为本发明双向逆变装置13的一种实施例电路图；

[0028] 图5为第一种现有的UPS结构图；

[0029] 图6为第二种现有的UPS结构图；

[0030] 图7为第三种现有的UPS结构图。

具体实施方式

[0031] 本发明采用混合动力输入设计，以电网电力为主要供电动力，新能源为优先使用能源，蓄电池为最后使用动力，确保了用户重要设备能安全不间断供电的原则。

[0032] 以下结合附图，具体说明本发明。

[0033] 请参见图1，其为本发明混合动力的不间断电源的一种实施例结构示意图，其包括交流/直流换流器11、蓄电池装置15、光伏电池装置16、风能装置17、三个双向直流/直流变换器12、双向逆变装置13以及开关装置14。

[0034] 开关装置14跨接在市电电网的火线和零线上。双向逆变装置13与开关装置14的输出端相连，交流/直流换流器11连接在开关装置14的输入端和双向逆变装置13之间。蓄电池装置15通过双向直流/直流变换器12连接在交流/直流换流器11和双向逆变装 13置间，光伏电池装置16通过双向直流/直流变换器12连接在交流/直流换流器11和双向逆变装置13间，风能装置17通过双向直流/直流变换器12连接在交流/直流换流器 11和双向逆变装置13间。

[0035] 市电正常时，市电经开关装置14直接输出供电。若蓄电池装置15电能未饱和，则市电同时经过双向逆变装置13和对应的双向直流/直流变换器12对蓄电池装置15进行充电。若此时有光伏电池装置16或风能装置17提供能源，则经过对应的双向直流/直流变换器12转换成直流高电压，并输出给双向逆变装置13作电流控制后，提供功率因素为1 的有效功率并网输出供电给用户设备使用。

[0036] 当市电电压过低或过高时，开关装置14将禁止市电输出供电给用户设备，市电经由交流/直流换流器11作电压升降压控制后，转换成稳定的直流电，供双向逆变装置13输入的主要能源。若此时有光伏电池装置16和/或风能装置17提供能源，则经过相应的双向直流/直流变换器12转换成直流高电压，并输出作为双向逆变装置13输入的优先使用能源。双向逆变装置13采用电压控制输出稳定的交流电源供电给用户设备。

[0037] 当市电停电时，将由蓄电池装置15经由双向直流/直流变换器12转换输出作为双向逆变装置13输入的主要能源。若此时有光伏电池装置16和/或风能装置17提供能源，则将经过相应的双向直流/直流变换器12转换输出作为双向逆变装置13输入的优先使用能源，双向逆变装置13采用电压控制输出稳定的交流电源供电给用户设备。

[0038] 下面对图1中高效率的不间断电源的各个部件进行详细说明。

[0039] 请参见图2，其为本发明交流/直流换流器11的一种实施例电路图，其包括第一二极管111、第二二极管119、第三二极管110、第四二极管118、第五二极管116、电感113、第一开关管114、第二开关管115、第一电容112以及第二电容117。第一二极管111的正极和第二二极管119的负极连接火线，第三二极管110的正极和第四二极管118的负极连接零线，第一二极管111和第三二极管110的负极连接电感113和第一电容112的一端，第二二极管119和第四二极管118的正极连接第一电容112的另一端、第一开关管114的一端以及第二电容117的另一端，电感113的另一端连接第二开关管115的一端和第一开关管114 的另一端，第二开关管115的另一端连接第五二极管116的正极，第五二极管116的负极连接第二电容117的一端。

[0040] 其中，第一二极管111、第二二极管119、第三二极管110、第四二极管118构成了一个全波整流电路；电感113、第一开关管114和第五二极管116构成了升压转换电路；电感 113、第二开关管115和第五二极管116构成了降压转换电路。

[0041] 当市电电压过低时，市电首先经过由4个二极管组成的全波整流电路整流成直流电，再由第一电容112滤除高频谐波。然后经过由电感113、第一开关管114与第五二极管 116组成升压转换电路，通过控制向第一开关管114输入的脉波宽度信号，使第二电容117 保持一个稳定的直流电压输出。第二开关管115在这种情况下只作为开机缓起动限制起动电流后一直导通。当市电电压过低高时，市电首先同样经过由4个二极管组成的全波整流电路整流成直流电，再由第一电容112滤除高频谐波。然后经过由电感113、第二开关管115 与第五二极管116组成的降压转换器，通过控制向第二开关管115输入的脉波宽度信号，使第二电容117保持一个稳定的直流电压输出。在这种情况下，第一开关管114不动作。由此可见，本实施例的交流/直流换流器11在市电电压产生波动的情况下，始终可以输出稳定的直流电压，且利用很少的元器件便实现了升降压的功能，或者说在原有直流升压电路的基础上只增加一个第二开关管115就能完成降压式（Buck)电路结构的降压转换，进而有效地降低了生成制造成本。

[0042] 请参见图3，其为本发明双向直流/直流变换器12的一种实施例电路图，其包括第三电容121、第四电容129、第三开关管122、第四开关管123、第五开关管124、第六开关管 125、变压器126、第六二极管127和第七二极管128。其中变压器126又进一步包括第一原边绕组1261、第二原边绕组1264、第一副边绕组1262、第二副边绕组1265以及第一偏置绕组1263和第二偏置绕组1266。第三开关管122、第四开关管123、第一原边绕组1261、第二原边绕组1264组成了推挽式（Push-pull)电路结构，第一原边绕组1261的异名端和第二原边绕组1264的同名端连接第三电容121的一端，第一原边绕组1261的同名端与第三开关管122的一端相连，第二原边绕组1264的异名端与第四开关管123的一端相连，第三开关管122和第四开关管123的另一端连接到第三电容121的另一端。第一副边绕组1262、第二副边绕组1265、第五开关管124和第六开关管125同样也组成了推挽式（Push-pull) 电路结构，第一副边绕组1262的异名端和第二副边绕组1265的同名端相连，并作为正向输入/输出端，第一副边绕组1262的同名端与第五开关管124的一端相连，第二副边绕组 1265的异名端与该第六开关管125的一端相连，第五开关管124和第六开关管125的另一端作为反向输入/输出端。第一偏置绕组1263的同名端和第二偏置绕组1266的异名端相连，并连接到第四电容129的一端，第一偏置绕组1263的异名端与第六二极管127的正极相连，第二偏置绕组1266的同名端与第七二极管128的正极相连，第六二极管127的负极与第七二极管128的负极以及第四电容129的另一端相连。

[0043] 工作时，当蓄电池装置13和/或光伏电池装置16和/或风能装置17输出能量时，利用第三开关管122与第四开关管123控制脉波宽度将原边绕组1261、1264端的直流电源 (由蓄电池装置13或光伏电池装置16或风能装置17提供），经过变压器126的副边绕组 1262,1265升压，且第五开关管124与第三开关管122同步开与关，第四开关管123与第六开关管125同步开与关，从而转换成一个谐波形状的直流电压，并输出给双向逆变装置13 ；另一方面，当蓄电池装置13储能时，利用第五开关管124与第六开关管125控制脉波宽度将副边绕组1262、1265端的直流电源，经过变压器126的原边绕组1261、1264降压，且第五开关管124与第三开关管122同步开与关，第四开关管123与第六开关管125同步开与关，转换成一个谐波形状的直流电压，从而可以利用多余的能量为蓄电池充电。值得注意的是，第三电容121也可以作为一个储能元件来储存多余的市电能量，从而在光伏电池装置16和 /或风能装置17提供的能量不稳定时（如太阳刚升起或风力不稳定时），补充能量输出。由此可见，本实施例的双向直流/直流变换器是一个双向可控直流/直流变换装置。另外偏置绕组1263、1266上会产生谐波电压并经过第六二极管127与第七二极管128整流后再经第四电容129滤成直流电输出，这部分能量可为其它设备使用。

[0044] 请参见图4，其为本发明双向逆变装置13的一种实施例电路图，其包括4个开关管131-134组成的全桥逆变电路以及由电感135、电容136组成的滤波电路。本实施例的双向逆变装置13是一个双向逆变装置，当其向市电输出能量时，将交流/直流换流器11和各个双向直流/直流变换器12传输来的直流谐波电压通过全桥逆变电路换相为交流谐波电压，再经电感135与电容136滤波后提供稳定的交流电压输出；若输出端有市电，市电经电感I35与电容I36滤波后经过4只开关管131〜134组成全桥逆变电路产生直流电压，并送回至双向直流/直流变换器12进行储能。

[0045] 本发明的混合动力的不间断电源采用市电电压补偿的方式，具有修正市电电压来达到输出稳压的功能，实现了高效率的在线式混合能源的不间断电源。并且，本发明的高效率的不间断电源利用简单的电路结构，可用在市电电压波动范围较大的场所，在市电电压形成低电压补偿或高电压衰减时不产生尖波电压，可提高输入功率因数、降低输入总谐波电流，有很高的整机运行效率。

[0046] 本发明的高效率的不间断电源采用新能源做为优先使用能源可以减少对市电供电的依赖，充分使用新能源，实现节能减排及降低电费。

[0047] 以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，只要不超出所附权利要求书所述范围，都应落在本发明的保护范围内。

8

Claims

1. 一种混合动力的不间断电源，其特征在于，包括：一开关装置，跨接在市电电网的火线和零线上；一双向逆变装置，其与该开关装置的输出端相连；一交流/直流换流器，连接在该开关装置的输入端和该双向逆变装置之间；一蓄电池装置，通过一双向直流/直流变换器连接在交流/直流换流器和双向逆变装置间；一光伏电池装置，通过一双向直流/直流变换器连接在交流/直流换流器和双向逆变装置间；一风能装置，通过一双向直流/直流变换器连接在交流/直流换流器和双向逆变装置间。

2.如权利要求1所述的混合动力的不间断电源，其特征在于，该交流/直流换流器包括：一全波整流电路，与市电相连，用于将市电整流成直流电；一升压转换电路，与该全波整流电路相连，用于对直流电进行升压；一降压转换电路，与该全波整流电路相连，用于对直流电进行降压。

3.如权利要求2所述的混合动力的不间断电源，其特征在于，该交流/直流换流器包括一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管、一第四二极管、一第五二极管、一电感、一第一开关管、一第二开关管、一第一电容以及一第二电容，该第一二极管的正极和该第二二极管的负极连接火线，该第三二极管的正极和该第四二极管的负极连接零线，该第一二极管和该第三二极管的负极连接该电感和该第一电容的一端，该第二二极管和该第四二极管的正极连接该第一电容的另一端、该第一开关管的一端以及该第二电容的另一端，该电感的另一端连接该第二开关管的一端和该第一开关管的另一端，该第二开关管的另一端连接该第五二极管的正极，该第五二极管的负极连接该第二电容的一端，且该电感、该第一开关管和该第五二极管构成了该升压转换电路，该电感、该第二开关管和该第五二极管构成了该降压转换电路。

4.如权利要求1所述的混合动力的不间断电源，其特征在于，该双向直流/直流变换器包括一第三电容、一第三开关管、一第四开关管、一第五开关管、一第六开关管、一变压器，该变压器又进一步包括一第一原边绕组、一第二原边绕组、一第一副边绕组和一第二副边绕组，该第一原边绕组的异名端和该第二原边绕组的同名端连接该第三电容的一端，该第一原边绕组的同名端与该第三开关管的一端相连，该第二原边绕组的异名端与该第四开关管的一端相连，该第三开关管和该第四开关管的另一端连接到该第三电容的另一端，该第一副边绕组的异名端和该第二副边绕组的同名端相连，并作为正向输入/输出端，该第一副边绕组的同名端与该第五开关管的一端相连，该第二副边绕组的异名端与该第六开关管的一端相连，该第五开关管和该第六开关管的另一端作为反向输入/输出端。

5.如权利要求4所述的混合动力的不间断电源，其特征在于，该变压器还包括一第一偏置绕组和一第二偏置绕组，该第一偏置绕组的同名端和该第二偏置绕组的异名端作为直流电输出的一端，该第一偏置绕组的异名端和该第二偏置绕组的同名端作为直流电输出的另一端。

6.如权利要求1所述的混合动力的不间断电源，其特征在于，该双向逆变装置包括一全桥逆变电路和一滤波电路，该全桥逆变电路与该双向直流/直流变换器相连，该滤波电路分别与该全桥逆变电路以及市电相连。