CN102255356B - 高效率的不间断电源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高效率的不间断电源，包括交流/直流换流器、蓄电池装置、光伏电池装置、风能装置、并网逆变装置、直流/直流变换器、逆变装置及开关装置，交流/直流换流器与市电相连，并网逆变装置分别与直流/直流变换器及市电相连，蓄电池装置、光伏电池装置、风能装置连接在并网逆变装置与直流/直流变换器之间，逆变装置分别与交流/直流换流器、直流/直流变换器及开关装置相连。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

高效率的不间断电源

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，特别涉及一种高效率的不间断电源。

背景技术

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。

请参见图6，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。

但是，图6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。

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。

但是，图7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。

请参见图8，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。

虽然图8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。

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，且现有的UPS只使用市电当作主要能源。

发明内容

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，并且还能以新能源当做优先使用能源。

本发明提出一种高效率的不间断电源，包括：

一逆变装置，具有一组输入端及一组输出端，所述输入端通过一交流/直流换流器和市电电网连接，所述输出端通过一开关装置和一交流电源输出端连接；

一直流/直流变换器，具有一输入端及一输出端，所述输出端和前述逆变装置的输入端连接；

一并网逆变装置，是连接在前述直流/直流变换器的输入端和交流/直流换流器的输入端间；

一蓄电池装置，是通过一蓄电池开关装置连接在并网逆变装置和直流/直流变换器间；

一光伏电池装置，是通过一光伏开关装置连接在并网逆变装置和直流/直流变换器间；

一风能装置，是通过一风能开关装置连接在并网逆变装置和直流/直流变换器间。

依照本发明较佳实施例所述的高效率的不间断电源，并网逆变装置包括第六电容、工频变压器、由第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管以及第三电容，工频变压器原边绕组的两端分别与火线及零线相连，第六电容设置在工频变压器原边绕组的两端之间，工频变压器副边绕组的一端连接到第五开关管及第六开关管的一端，工频变压器副边绕组的另一端连接到第七开关管及第八开关管的一端，第五开关管和第七开关管的另一端与第三电容的一端相连，第六开关管与第八开关管的另一端与第三电容的另一端相连。

依照本发明较佳实施例所述的高效率的不间断电源，直流/直流变换器包括第一开关管、第二开关管、变压器以及全波整流电路。变压器由第一原边绕组、第二原边绕组、第一副边绕组、第二副边绕组构成。全波整流电路由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成。第一原边绕组的异名端和第二原边绕组的同名端连接正向输入，第一原边绕组的同名端与第一开关管的一端相连，第二原边绕组的异名端与第二开关管的一端相连，第一开关管和第二开关管的另一端连接到反向输入，第一副边绕组的异名端和第二副边绕组的同名端连接到零线，第一副边绕组的同名端与第一二极管的正极以及第二二极管的负极相连，第二副边绕组的异名端与第三二极管的正极以及第四二极管的负极相连，第一二极管和第三二极管的负极连接正向输出，第二二极管和第四二极管的正极连接到反向输出。

依照本发明较佳实施例所述的高效率的不间断电源，交流/直流换流器包括第五二极管、第六二极管、第一电容和第二电容。第五二极管的正极以及第六二极管的负极连接火线，第五二极管的负极与第一电容的一端相连，并连接正向输出，第六二极管的正极与第二电容的一端相连，并连接反向输出，第一电容和第二电容的另一端连接零线。

依照本发明较佳实施例所述的高效率的不间断电源，逆变装置包括第三开关管、第四开关管、电感以及第四电容，第三开关管的一端连接正向输入，第四开关管的一端连接反向输入，第三开关管和第四开关管的另一端均与电感的一端相连，电感的另一端与第四电容的一端相连，并作为逆变装置的输出，第四电容的另一端连接零线。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

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。

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。

3、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。

4、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。

5、本发明结构简单、成本低廉，具有很高的整机运行效率，且功耗低，具有节能减排、降低电费的优点。

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

图1为本发明高效率的不间断电源的一种实施例结构示意图；

图2为本发明交流/直流换流器的一种实施例电路图；

图3为本发明并网逆变装置的一种实施例电路图；

图4为本发明为直流/直流变换器的一种实施例电路图；

图5为本发明为逆变装置的一种实施例电路图；

图6为第一种现有的UPS结构图；

图7为第二种现有的UPS结构图；

图8为第三种现有的UPS结构图。

具体实施方式

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。

以下结合附图，具体说明本发明。

请参见图1，其为本发明高效率的不间断电源的一种实施例结构示意图，其包括光伏开关装置20风能开关装置21逆变装置15、直流/直流变换器14、并网逆变装置12、蓄电池装置13、光伏电池装置17以及风能装置18。逆变装置15具有一组输入端及一组输出端，所述输入端通过交流/直流换流器11和市电电网连接，所述输出端通过开关装置16和交流电源输出端连接。直流/直流变换器14具有一输入端及一输出端，所述输出端和前述逆变装置15的输入端连接。并网逆变装置12是连接在前述直流/直流变换器14的输入端和交流/直流换流器11的输入端间。蓄电池装置13是通过一蓄电池开关装置19连接在并网逆变装置12和直流/直流变换器14间。光伏电池装置17是通过一光伏光伏开关装置20连接在并网逆变装置12和直流/直流变换器14间。风能装置18是通过一风能风能开关装置21连接在并网逆变装置12和直流/直流变换器14间。

市电正常时，切换开关装置16，使市电经开关装置16直接输出供给用户设备使用。若蓄电池装置13电能未饱和，则控制蓄电池开关装置19闭合，令市电通过并网逆变装置12对蓄电池装置13进行充电，充满后，控制蓄电池开关装置19断开。此时若光伏电池装置17有电压输出，则利用光伏开关装置20控制最大功率的输出，若风能装置18有电压输出，则利用风能开关装置21控制最大功率的输出，以达到每个能源的最佳输出百分比。然后通过并网逆变装置12将光伏电池装置17及风能装置18的输出逆变转换成与市电电压同相位的输出电流后并入市电，即输出功率因素为1的有效功率与市电并网提供电力供用户使用。因而本发明充分利用到了自然能源，具有节能减排的优点。

其中，光伏电池装置17和风能装置18的最大功率输出可以是通过检测来确定的。功率p＝V(电压)xI(电流)x时间T，光伏开关装置20、风能开关装置21可以为MOSFET或IGBT半导体开关，工作中进行高频切换，通过控制这两个开关的PWM(脉宽调制)宽度，来控制光伏电池装置17和风能装置18的投入时间，也即是说，在两段相同时间内比较光伏电池装置17和风能装置18的输出功率变化，若输出功率提高则加宽开关的PWM宽度，若输出功率降低则缩小开关的PWM宽度，若输出功率不变则维持宽度，此时即为最大输出功率。

市电电压过低或过高时，开关装置16将禁止市电直接输出供电给用户设备，并将逆变装置15的输出作为交流电源供给用户设备。此时，市电经由交流/直流换流器11整流成正负半周的正弦波输出到逆变装置15。另外市电还经过并网逆变装置12隔离整流后滤波成直流电压，并输出给直流/直流变换器14。此时，开关装置19处于关闭状态，以防止蓄电池装置13放电输出，若光伏电池装置17有电压输出，则利用光伏开关装置20控制最大功率的输出，若风能装置18有电压输出，则利用风能开关装置21控制最大功率的输出，使每个能源以最佳的百分比输出给直流/直流变换器14。然后直流/直流变换器14将并网逆变装置12、光伏电池装置17以及风能装置18输出的直流电压转换成高谐波补偿修正电压后，与交流/直流换流器11输出的正弦波一同输入到逆变装置15，直流/直流变换器14与交流/直流换流器11输出的两路电压合成为额定的市电正弦波电压波形后，由逆变装置15工频换相滤波后得到稳定的交流电源供给用户设备。因此，在市电电压波动范围较大的情况下，可以通过本发明的高效率的不间断电源对输出给用户设备的电压进行修正，进而达到稳压的作用，也有效避免了电压不稳定对用户设备所带来的损害，并优先使用新能源，进一步减少市电尖峰用电，供电的负担。

当市电停电时，利用开关装置19控制蓄电池装置13放电输出，若光伏电池装置17有电压输出，则利用光伏开关装置20控制最大功率的输出，若风能装置18有电压输出，则利用风能开关装置21控制最大功率的输出，且光伏电池装置17和风能装置18的能源优先使用，当光伏电池装置17和风能装置18的能源不足时，则利用开关装置19控制蓄电池装置13放电输出，蓄电池装置13、光伏电池装置17及风能装置18输出的直流电经过直流/直流变换器14，采用正弦脉波宽度调变技术，将直流电压隔离后升压为正弦脉波宽度调变电压波形，供逆变装置15工频换相转换为稳定的交流电压输出，供电给用户设备。本发明将自然能源作为优先使用，蓄电池能源为最后使用的动力，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。

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。

请参见图2，其为交流/直流换流器11的一种实施例电路图，其包括第五二极管111、第六二极管112、第一电容113和第二电容114。第五二极管111的正极以及第六二极管112的负极连接火线，第五二极管111的负极与第一电容113的一端相连，并连接正向输出，第六二极管112的正极与第二电容114的一端相连，并连接反向输出，第一电容113和第二电容114的另一端连接零线。

市电经由第五二极管111与第六二极管112组成的半桥整流后，经第一电容113与第二电容114滤除高频谐波，输出正端为正半周的正弦波工频电压，输出负端为负半周的正弦波工频电压，输出零端为市电中性线。

请参见图3，其为并网逆变装置12的一种实施例电路图，其包括第六电容127、工频变压器121、由第五开关管122、第六开关管123、第七开关管124和第八开关管125组成全桥逆变电路(逆变并网时)或全波整流电路(市电输入时)以及第三电容126。工频变压器121原边绕组的两端分别与火线及零线相连，第六电容127设置在工频变压器原边绕组的两端之间。工频变压器121副边绕组的一端连接到第五开关管122和第六开关管123相接的一端，工频变压器121副边绕组的另一端连接到第七开关管124及第八开关管125相接的一端，第五开关管122和第七开关管124的另一端与第三电容126的一端相连，第六开关管123与第八开关管125的另一端与第三电容126的另一端相连。

当市电电压过高或过低时，市电经工频变压器121隔离降压后，经四只开关管122～125全波整流成为直流电压，再经第三电容127滤波为直流电压输出，作为市电补偿的主要能量。值得注意的是，此时四只开关管122～125的功能类似于二极管，即市电正半周输入时，开关管123、124导通，开关管122、125截止，市电负半周输入时，开关管122、125导通，开关管123、124截止，从而实现整流。当然，也可以通过在四只开关管122～125中内置二极管来实现整流功能。当市电正常时，将光伏电池装置17及风能装置18输入的直流能量，采用逆变电流控制技术，控制四只开关管122～125组成的全桥逆变结构，将光伏电池装置17及风能装置18输入的直流能量转化为交流电，并经过工频变压器121升压以及第六电容127滤波后，输出与市电电压同相位的电流，即输出了功率因素为1的有效功率与市电并网输出，提供电力供用户设备使用。

请参见图4，其为直流/直流变换器14的一种实施例电路图，其包括第五电容141、第一开关管142、第二开关管143、变压器145以及由第一二极管147、第二二极管148、第三二极管146和第四二极管149组成全波整流电路。第五电容141连接在两个输入端之间。变压器145由第一原边绕组1451、第二原边绕组1452、第一副边绕组1453、第二副边绕组1454构成。第一原边绕组1451的异名端和第二原边绕组1452的同名端连接正向输入，第一原边绕组1451的同名端与第一开关管142的一端相连，第二原边绕组1452的异名端与第二开关管143的一端相连，第一开关管142和第二开关管143的另一端连接到反向输入。第一副边绕组1453的异名端和第二副边绕组1454的同名端连接到零线，第一副边绕组1453的同名端与第一二极管147的正极以及第二二极管148的负极相连，第二副边绕组1454的异名端与第三二极管146的正极以及第四二极管149的负极相连，第一二极管147和第三二极管146的负极连接正向输出，第二二极管148和第四二极管149的正极连接到反向输出。

其中，第一开关管142和第二开关管143的开关状态可以通过微控制器来控制。在没有市电时，直流/直流变换器14的输入电压由蓄电池装置13、光伏电池装置17及风能装置18提供，变压器145的第一原边绕组1451与第二原边绕组1452组成推挽式(Push-pull)电路结构，控制第一开关管142与第二开关管143，采用正弦脉波宽度调变技术将输入电压隔离后，由第一副边绕组1453、第二副边绕组1454以及4只二级管升压全波整流成正负零三端输出，输出的电压为正弦脉波宽度调变电压波形。若有市电且市电电压过高或过低时，控制第一开关管142与第二开关管143，采用市电电压差补偿修正输出市电与额定正弦波电压差的谐波电压。由此可见，所述直流/直流变换器是一个混合运作的直流/直流变换装置。

请参见图5，其为逆变装置15的一种实施例电路图，其包括第三开关管151、第四开关管152、电感153以及第四电容154。第三开关管151的一端连接正向输入，第四开关管152的一端连接反向输入，第三开关管151和第四开关管152的另一端均与电感153的一端相连，电感153的另一端与第四电容154的一端相连，并作为逆变装置的输出，第四电容154的另一端连接零线。

市电停电时，逆变装置15的输入电压是由直流/直流变换器14单独提供的；当有市电且市电电压过高或过低时，逆变装置15的输入是由交流/直流换流器11和直流/直流变换器14的输出电压合并后提供的。直流正端经第三开关管151、电感153、第四电容154后输出工频正半周正弦波电压，再返回直流零端；直流负端经第四开关管152、电感153、第四电容154输出工频负半周正弦波电压，再返回直流零端。此逆变装置15仅设置有两个开关管，并通过控制第三开关管151和第四开关管152实现了工频换相，开关损耗极低，保证了整机效率的同时也实现了节能减排及降低电费。

本发明的高效率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高效率的不间断电源。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。

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。

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。

Claims (5)

1.一种高效率的不间断电源，其特征在于，包括：

一逆变装置，具有一组输入端及一组输出端，所述输入端通过一交流/直流换流器和市电电网连接,所述输出端通过一开关装置和一交流电源输出端连接；

一直流／直流变换器，具有一输入端及一输出端，所述输出端和前述逆变装置的输入端连接；

一并网逆变装置，是连接在前述直流／直流变换器的输入端和交流／直流换流器的输入端间；

一蓄电池装置，是通过一蓄电池开关装置连接在并网逆变装置和直流／直流变换器间；

一光伏电池装置，是通过一光伏开关装置连接在并网逆变装置和直流／直流变换器间；

一风能装置，是通过一风能开关装置连接在并网逆变装置和直流／直流变换器间；

其中，若所述光伏电池装置有电压输出，则利用所述光伏开关装置控制最大功率的输出；若所述风能装置有电压输出，则利用所述风能开关装置控制最大功率的输出。

2.如权利要求1所述的高效率的不间断电源，其特征在于，该并网逆变装置包括一第六电容、一工频变压器、由一第五开关管、一第六开关管、一第七开关管和一第八开关管以及一第三电容，该工频变压器原边绕组的两端分别与火线及零线相连，该第六电容设置在该工频变压器原边绕组的两端之间，该工频变压器副边绕组的一端连接到该第五开关管及该第六开关管的一端，该工频变压器副边绕组的另一端连接到该第七开关管及该第八开关管的一端，该第五开关管和该第七开关管的另一端与该第三电容的一端相连，该第六开关管与该第八开关管的另一端与该第三电容的另一端相连。

3.如权利要求1所述的高效率的不间断电源，其特征在于，该直流/直流变换器包括一第一开关管、一第二开关管、由一第一原边绕组、一第二原边绕组、一第一副边绕组、一第二副边绕组构成的一变压器、由一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管和一第四二极管组成的一全波整流电路，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正向输入，该第一原边绕组的同名端与该第一开关管的一端相连，该第二原边绕组的异名端与该第二开关管的一端相连，该第一开关管和该第二开关管的另一端连接到反向输入，该第一副边绕组的异名端和该第二副边绕组的同名端连接到零线，该第一副边绕组的同名端与该第一二极管的正极以及该第二二极管的负极相连，该第二副边绕组的异名端与该第三二极管的正极以及该第四二极管的负极相连，该第一二极管和该第三二极管的负极连接正向输出，该第二二极管和该第四二极管的正极连接到反向输出。

4.如权利要求1所述的高效率的不间断电源，其特征在于，该交流/直流换流器包括一第五二极管、一第六二极管、一第一电容和一第二电容，该第五二极管的正极以及该第六二极管的负极连接火线，该第五二极管的负极与该第一电容的一端相连，并连接正向输出，该第六二极管的正极与该第二电容的一端相连，并连接反向输出，该第一电容和该第二电容的另一端连接零线。

5.如权利要求1所述的高效率的不间断电源，其特征在于，该逆变装置包括一第三开关管、一第四开关管、一电感以及一第四电容，该第三开关管的一端连接正向输入，该第四开关管的一端连接反向输入，该第三开关管和该第四开关管的另一端均与该电感的一端相连，该电感的另一端与该第四电容的一端相连，并作为该逆变装置的输出，该第四电容的另一端连接零线。

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