CN102893492A - 将隔离接口用于不定可用电源的不间断电源系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不间断电源(UPS)系统(100)，该系统包括：配置成耦合到AC电源(10)的AC输入端(101)；配置成耦合到负载(20)的AC输出端(102)；以及UPS电路(110)，其包括耦合到AC输入端(101)的第一转换器电路(112)、耦合到AC输出端(102)的第二转换器电路(114)以及将第一转换器电路(112)耦合到第二转换器电路(114)的DC总线(115)。该系统(10)还包括：第三转换器电路(120)，其具有耦合到AC输出端(102)的输出端和配置成从不定可用电源(130)接收电力的输入端；以及控制单元(130)，其在操作上与UPS电路(110)和第三转换器电路(120)关联，并且其配置成协作控制UPS电路(110)和第三转换器电路(120)从而选择地将电力从AC电源(10)和不定可用电源(30)传递到负载(20)。

Description

将隔离接口用于不定可用电源的不间断电源系统和方法
技术领域
本发明主题涉及电源系统和方法，并且更具体地涉及不间断电源(UPS)系统和方法。
背景技术
数据中心、工业设施、医疗设施等经常具有由UPS系统保护的AC配电系统。UPS系统可以在这些应用中使用以提供备用电力，从而在主要公共电源出故障时维持操作。UPS系统一般具有“在线(on-line)”配置，该配置包括通过DC链接耦合的整流器和逆变器，该DC链接也耦合到诸如电池、飞轮转换器或其它能量存储装置的辅助电源。在一些UPS应用中，诸如光伏电源的可再生电源可以耦合到在线UPS的DC链接以提供补充电力，这例如在Parmley的美国专利No.7,411,308以及Jayasimha等人的IEEETENCON 2003Conference on Convergent Technologies for Asia-PacificRegion,vol.4,pp.1419-1423(2003)，题为“Photovoltaic UPS”的文章中进行了描述。
发明内容
本发明主题的一些实施例提供不间断电源(UPS)系统。这种系统包括：配置成耦合到AC电源的AC输入端，配置成耦合到负载的AC输出端，以及UPS电路，该UPS电路包括耦合到AC输入端的第一转换器电路、耦合到AC输出端的第二转换器电路以及将第一转换器电路耦合到第二转换器电路的DC总线。该系统还包括：第三转换器电路，其具有耦合到AC输出端的输出端和配置成从不定可用电源接收电力的输入端；以及控制电路，其在操作上与UPS电路和第三转换器电路关联，且配置成协作控制UPS电路和第三转换器电路从而选择性地将电力从AC电源和不定可用电源传递到负载。UPS电路的DC总线可包括耦合到辅助电源的第一DC总线，第三转换器电路可包括第二DC总线和将第二DC总线耦合到AC输出端以使第一DC总线和第二DC总线不共同连接到辅助电源的逆变器。以此方式，不定可用电源可以与UPS电路的DC总线相对隔离。
在一些实施例中，UPS电路和第三转换器在相应第一和第二功率转换模块中实施，第一和第二功率转换模块均包括由DC总线耦合的一对转换器单元。第一功率转换模块可以配置成提供耦合到AC输入端的整流器和耦合到AC输出端的逆变器。第二功率转换模块可以配置成提供耦合到AC输出端的逆变器，且第二功率转换模块的DC总线可以配置成耦合到不定可用电源。
本发明主题的另外实施例提供这样的UPS系统，其包括：配置成耦合到AC电源的AC输入端，配置成耦合到负载的AC输出端，以及多个功率转换模块，每个功率转换模块包括第一转换器单元、第二转换器单元以及将第一转换器单元耦合到第二转换器单元的DC总线。所述多个功率转换模块的各第二转换器单元的输出端共同耦合到AC输出端。所述功率转换模块中的第一功率转换模块的第一转换器单元具有耦合到AC输入端的输入端，并且所述功率转换模块中的第二功率转换模块的DC总线耦合到不定可用电源。所述功率转换模块的各第二转换器单元可以配置成用作逆变器，并且第一功率转换模块的第一转换器单元可以配置成用作整流器。
在一些实施例中，第二功率转换模块的第一转换器单元是闲置的。每个功率转换模块可包括DC总线接口单元，并且第二功率转换模块的DC总线接口单元可以配置成将DC总线耦合到不定可用电源。在另外实施例中，第二功率转换模块的第一转换器单元可以具有耦合到不定可用电源的输入端，并且第二功率转换模块的DC总线可以耦合到诸如电池的辅助电源。
本发明主题的另外的实施例提供这样的方法，其包括：用多个功率转换模块构成UPS系统，每个功率转换模块包括第一转换器单元、第二转换器单元以及将第一转换器单元耦合到第二转换器单元的DC总线。所述功率转换模块的各第二转换器单元的输出端共同耦合到AC输出端。所述功率转换模块中的第一功率转换模块的第一转换器单元的输入端耦合到AC电源，并且所述功率转换模块中的第二功率转换模块的DC总线耦合到不定可用电源。所述功率转换模块的各第二转换器单元可以用作逆变器操作，并且第一功率转换模块的第一转换器单元可以用作整流器。
附图说明
图1为示出根据本发明主题的一些实施例的UPS系统的示意图。
图2和3为示出图1的UPS系统的操作的示意图。
图4为示出根据本发明主题的一些实施例的模块化UPS系统的示意图。
图5为示出根据本发明主题的一些实施例，用于模块化UPS系统的各种功率转换模块的配置的示意图。
图6为示出根据本发明主题的另外实施例的模块化UPS系统的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明主题的特定示例性实施例。然而，本发明主题可以用许多不同形式实施并且不应解读为限于此处给出的实施例；更确切地，这些实施例被提供使得此公开内容将更为彻底和全面，并且将本发明主题的范围完整地传递给本领域技术人员。在图中，相似附图标记指代相似元件。将理解，当元件被提到“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到该另一元件或者可以存在中间元件。如此处使用的术语“和/或”包括关联列出的项目中的一个或多个的任意和全部组合。
此处使用的术语仅仅是用于描述具体实施例的目的并且不是旨在限制本发明主题。如此处所使用，单数形式的”一”、”一个”以及”该”旨在也包括复数形式，除非明确地另外指出。还将理解，在此说明书中使用时，术语“包含”、和/或“包括”是指存在所指出的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或者添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。
除非另外定义，此处使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与此发明主题所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，诸如在通常使用的字典中定义的术语之类的术语应解释为具有与它们在说明书和相关领域的情境中的含义一致的含义，并且将不在理想化或过度正式的意义上解释，除非在此处明确如此限定。
本领域技术人员将理解，本发明主题可以实施为系统、方法和计算机程序产品。本发明主题的一些实施例可包括硬件和/或硬件与软件的组合。本发明主题的一些实施例包括配置成提供此处描述的功能的电路系统。将理解，这种电路系统可包括模拟电路、数字电路以及模拟和数字电路的组合。
在下文中参考根据本发明主题的各种实施例的系统和方法的框图和/或操作图示来描述本发明主题的实施例。将理解，框图和/或操作图示的每个框以及框图和/或操作图示中的框的组合可以通过模拟和/或数字硬件，和/或计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供到通用计算机、专用计算机、ASIC和/或其它可编程数据处理设备的处理器，使得经由该计算机和/或其它可编程数据处理设备的处理器执行的所述指令产生用于实施在框图和/或操作图示中指定的功能/动作的装置。在一些实施方式中，在图中指出的功能/动作可以不按照框图和/或操作图示中指出的顺序发生。例如，示为连续地发生的两个操作实际上可以基本上同时执行，或者所述操作有时可以按照相反顺序执行，取决于所涉及的功能/动作。
本发明主题的一些实施例涉及不定可用电源与UPS的对接。如此处所提到，“不定可用电源”包括可用性(比如存在和容量)随环境条件(比如风、阳光或潮汐变化的可用性)波动并且一般不是按需可用的电源，诸如太阳能、风能、潮汐能和类似可再生能源。这种电源也可以称为“可变的”、“间歇的”或“不是可调度的”，并且出于本申请的目的，这种电源应称为“不定可用电源”。
本发明主题的一些实施例源于这样的认识，DC链接总线会是UPS架构中的关键点。耦合到DC链接的不定可用电源(诸如光伏阵列)的故障会潜在地影响UPS的输出和/或降低系统鲁棒性和可靠性。本发明主题的一些实施例可以通过使用包括转换器的不定可用电源接口电路来解决这种问题，该转换器具有耦合到AC输出的输出端和配置成从不定可用电源接收电力的输入端。在一些UPS系统实施例中，例如，通用功率转换模块可以配置成包括配置成提供在线UPS功能的一个或多个模块，其输出端与配置成为UPS系统提供不定可用电源接口的一个或多个模块并联。以此方式，可以提供不定可用电源和(一个或多个)UPS模块的DC总线之间的隔离。此外，模块可以选择性地配置成用作UPS模块或者不定可用电源接口，取决于系统的相关容量和要求。
图1示出根据本发明主题的一些实施例的UPS系统100。UPS系统100包括UPS电路110，该UPS电路110包括通过DC链接115耦合的第一转换器电路(比如整流器)112和第二转换器电路(比如逆变器)114。比如一个或多个电池的辅助电源40可以耦合到DC 链接115。整流器112的输入端耦合到UPS系统的AC输入端101，并且逆变器114的输出端耦合到UPS系统100的AC输出端102。UPS电路110配置成从耦合到AC输入端101的AC电源10(比如公共电源和/或本地发电机)以及从可以在AC源10故障情况下提供电力的辅助电源40提供不间断电力到耦合到AC输出端102的负载20。UPS系统100也可包括旁路电路140(比如静态开关)，该旁路电路140可以用于旁路UPS电路110，从而直接从AC电源10提供电力到负载20，这可以支持维护和高效率操作模式。将理解，UPS系统100可以是单相或多相(比如三相)系统。
UPS系统100还包括耦合在AC输出端102和不定可用电源30(诸如太阳能或风力电源)之间的第三转换器电路120。控制电路130在操作上与UPS电路110和转换器电路120(并且可选地，与旁路电路140)关联，并且配置成协作控制UPS电路110和转换器电路120，从而选择性地从AC电源10和不定可用电源30将电力传递到负载20。
例如，如图2所示，当AC电源10按照满足预定标准的方式产生电力时，电力可以从AC电源10通过整流器112和逆变器114(和/或经由旁路电路140)提供到负载20，并且电力同时从不定可用电源30经由转换器120传递到负载20。如图3所示，一旦AC电源10发生故障，控制电路130可以操作UPS电路110的逆变器114和转换器120，使得电力同时从不定可用电源30和辅助电源40递送到负载20。
将理解，UPS系统100的上述部件可以集成在一个套件中或者可以使用具有连接电力和控制链接的多个互操作的套件来实施。
图4示出根据本发明主题的另外实施例具有不定可用电源接口能力的模块化UPS系统400。UPS系统400包括配置成耦合到AC电源10的AC输入端401和配置成耦合到负载20的AC输出端402。UPS系统400还包括具有共同架构的第一和第二功率转换模块403、404，所述架构包括：通过DC总线415耦合的第一转换器单元410和第二转换器单元420；DC总线接口单元430；以及配置成控制第一转换器单元410、第二转换器单元420和/或DC总线接口单元430的模块控制电路440。系统控制电路406控制第一和第二功率转换模块403、404和旁路电路405的互操作。
第一功率转换模块403配置成提供UPS功能。具体地，第一模块403配置成将第一转换器单元410用作整流器，从而从AC电源10在DC总线415上产生DC电压。在一些实施例中，第一转换器单元410可以包括无源整流器，而在其它实施例中，第一转换器单元410可以是激活的（active）电路，所述激活的电路可以用于实施整流器功能，但是通过例如改变所述激活的电路被控制的方式能够选择性地重新配置成提供其它转换操作，诸如DC/DC转换。第一模块403还配置成将第二转换器单元420用作逆变器，从而在AC输出端402产生AC电压。第一模块403的DC总线接口单元430提供与一个或多个电池40的接口，所述电池40可以用于在AC电源10发生故障的情况下提供辅助电力。
第二功率转换模块404被不同地配置以提供与不定可用电源30(比如风力、太阳能、潮汐电源等)的接口。第二模块404的第二转换器单元420用作逆变器。然而第一转换器单元410是闲置的（inactive）。不定可用电源30利用DC总线接口单元430耦合到DC总线415。取决于不定可用电源30的性质，DC总线接口单元430可以简单地将不定可用电源30连接到DC总线415而不进行电压转换，或者DC总线接口单元430可以提供例如DC/DC或AC/DC转换功能。
图5示出配置成提供诸如图4的系统400的系统的功率转换模块510a、510b、510c的组合。模块501a、510b、510c分别包括通过DC总线515耦合的第一转换器单元512和第二转换器单元514，以及可以用于耦合到电池或其它电源的DC总线接口单元516。第一转换器单元512、第二转换器单元514和DC总线接口单元516分别包括其中可以安装激活的开关单元511以实现半桥电路的电路系统。模块510a、510b、510c也可包括电感器、电容器、电流传感器、接触器和熔丝。
第一和第二模块510a、510b配置成用作并联的UPS，第一转换器单元512配置成用作耦合到AC输入端总线501的整流器，并且第二转换器单元514配置成用作耦合到AC输出端总线502的逆变器。第一和第二模块510a、510b的DC总线接口单元516配置成提供耦合到电池总线503的DC/DC转换器。
第三模块510c配置成提供用于经由光伏(PV)总线505连接PV电源的接口。第三模块510c的第二转换器单元514配置成用作逆变器，其输出端在AC输出端总线502处与第一和第二模块510a、510b并联。第三模块的第一转换器单元512是闲置的，比如它可以在操作上被去激活（deactivated）或者其激活的装置和未激活的（passive）部件可以被去除(depopulate)。如图所示，激活的部件可以从第三模块510c的DC总线接口单元516去除以允许其DC总线515直接连接到PV总线505。
还提供了包括静态开关520的旁路电路。静态开关520耦合到旁路总线504，该旁路总线504可以连接到与AC输入端总线501相同的AC源。图5中示出的模块化配置允许使用共同功率转换模块，同时支持PV源与用作UPS的第一和第二模块510a、510c的DC总线515的一定程度的隔离。
图6示出根据本发明主题的另外实施例的模块化UPS系统600。系统600使用如图4所示的第一和第二模块403、404，只是模块404配置成经由第二模块404的第一转换器单元410，而不是经由DC总线接口单元430，从不定可用电源30提供电力。取决于不定可用电源30的性质，第二模块404的第一转换器单元410可以用作整流器或者用作DC/DC转换器。总线接口单元430可以用于连接一个或多个另外的电池40。
在图和说明书中，已经公开了本发明主题的示例性实施例。尽管特定术语被使用，它们仅仅是在通用和描述性含义上被使用，而不是用于限制的目的，本发明主题的范围由下述权利要求限定。

Claims (17)

1.一种不间断电源(UPS)系统，包括：
配置成耦合到AC电源的AC输入端；
配置成耦合到负载的AC输出端；
UPS电路，其包括耦合到所述AC输入端的第一转换器电路、耦合到所述AC输出端的第二转换器电路以及将所述第一转换器电路耦合到所述第二转换器电路的DC总线；
第三转换器电路，其具有耦合到所述AC输出端的输出端以及配置成从不定可用电源接收电力的输入端；以及
控制电路，其在操作上与所述UPS电路和所述第三转换器电路关联，并且配置成协作控制所述UPS电路和所述第三转换器电路，以便选择性地将电力从所述AC电源和所述不定可用电源传递到所述负载。
2.权利要求1的UPS系统，其中所述UPS电路的所述DC总线包括耦合到辅助电源的第一DC总线，其中所述第三转换器电路包括第二DC总线和将该DC总线耦合到所述AC输出端的逆变器，并且其中所述第一DC总线和所述第二DC不共同连接到所述辅助电源。
3.权利要求1的UPS系统，其中所述不定可用电源经由第四转换器电路和DC总线耦合到所述第三转换器电路的输入端。
4.权利要求3的UPS系统，其中所述第四转换器电路能够选择性地配置成用作AC/DC转换器电路和DC/DC转换器电路。
5.权利要求4的UPS系统，其中所述UPS电路和所述第三转换器在相应的第一和第二功率转换模块中实施，所述第一和第二功率转换模块均包括通过DC总线耦合的一对转换器单元。
6.权利要求5的UPS系统，其中第一功率转换模块配置成提供耦合到所述AC输入端的整流器和耦合到所述AC输出端的逆变器，其中所述第二功率转换模块配置成提供耦合到所述AC输出端的逆变器，并且其中所述第二功率转换模块的DC总线配置成耦合到所述不定可用电源。
7.一种不间断电源(UPS)系统，包括：
配置成耦合到AC电源的AC输入端；
配置成耦合到负载的AC输出端；以及
多个功率转换模块，每个功率转换模块包括第一转换器单元、第二转换器单元以及将第一转换器单元耦合到第二转换器单元的DC总线，其中所述多个功率转换模块的各第二转换器单元的输出端共同耦合到所述AC输出端，其中所述多个功率转换模块中的第一功率转换模块的第一转换器单元具有耦合到所述AC输入端的输入端，并且其中所述多个功率转换模块中的第二功率转换模块的DC总线耦合到不定可用电源。
8.权利要求7的UPS系统，其中所述第二功率转换模块的第一转换器单元是闲置的。
9.权利要求8的UPS系统，其中每个所述功率转换模块包括DC总线接口单元，并且其中第二功率转换模块的DC总线接口单元配置成将DC总线耦合到所述不定可用电源。
10.权利要求7的UPS系统，其中第二功率转换模块的第一转换器单元具有耦合到不定可用电源的输入端，并且其中第二功率转换模块的DC总线耦合到辅助电源。
11.权利要求7的UPS系统，其中所述多个功率转换模块的第二转换器单元配置成用作逆变器，并且其中所述第一功率转换模块的第一转换器单元配置成用作整流器。
12.权利要求7的UPS系统，其中所述多个功率转换模块的第一和第二转换器单元均能够配置成提供起作用的半桥电路。
13.一种方法包括：
用多个功率转换模块构成UPS系统，每个功率转换模块包括第一转换器单元、第二转换器单元和将第一转换器单元耦合到第二转换器单元的DC总线；
将所述多个功率转换模块的各第二转换器单元的输出端共同耦合到AC输出端；
将所述多个功率转换模块中的第一功率转换模块的第一转换器单元的输入端耦合到AC电源；以及
将所述多个功率转换模块中的第二功率转换模块的DC总线耦合到不定可用电源。
14.权利要求13的方法，包括去激活第二功率转换模块的第一转换器单元。
15.权利要求14的方法，其中每个所述功率转换模块包括DC总线接口单元，并且其中将所述多个功率转换模块中的第二功率转换模块的DC总线耦合到不定可用电源包括经由第二功率转换模块的DC总线接口单元将第二功率转换模块的DC总线耦合到所述不定可用电源。
16.权利要求13的方法，其中将所述功率转换模块中的第二功率转换模块的DC总线耦合到不定可用电源包括将该第二功率转换模块的第一转换器单元的输入端耦合到所述不定可用电源并且还包括将该第二功率转换模块的DC总线耦合到辅助电源。
17.权利要求13的方法，包括将所述多个功率转换模块的各第二转换器单元用作逆变器以及将第一功率转换模块的第一转换器单元用作整流器。
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