CN102957196A

CN102957196A - 逆变器和充电器一体模块化h桥串级ups单/三相系统

Info

Publication number: CN102957196A
Application number: CN2012104090296A
Authority: CN
Inventors: 杜仲
Original assignee: Nanjing Boshi Shanghui Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Boshi Shanghui Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2013-03-06

Abstract

本发明是逆变器和充电器一体模块化H桥串级UPS单/三相系统，其结构包括UPS逆变/充电控制主机、N个A电池逆变器模块、N个B电池逆变器模块、N个C电池逆变器模块、充电电感、切换开关和三相负载；优点：1）解决了用多个低压模块不使用变压器来组态成单一220V/380V电网电压系统的问题；2）监测和控制UPS系统中每一个小的电池单元的充放电问题，解决高压串联电池组电池单元不平衡的问题；3）解决了单相系统和三相系统都可以使用单一模块来组态实现的问题；4）解决了不同品牌的电池可以在一个系统中混用的问题；5）使用逆变器从电网上直接给电池充电，检测到每一个H桥模块的工作和故障状态等。

Description

逆变器和充电器一体模块化H桥串级UPS单/三相系统

技术领域

本发明是逆变器和充电器一体化的模块化H桥串级UPS单相/三相系统，属于电力电子逆变器系统技术领域。

背景技术

从国际和中国市场的搜索结果来看，还没有发现有逆变器和充电器一体化的模块化H桥串级UPS单相/三相系统产品。因此，我们是第一家逆变器和充电器一体化的模块化H桥串级UPS产家。

传统的UPS系统采用的是传统的6管全桥逆变器，使用的是IGBT功率器件和高频率PWM调制控制。其缺陷包括：1）在大功率条件下运行需要进行强制水冷/风冷，并且需要较大的滤波器来滤除谐波。2）如果电池电压较低，传统的UPS产品还需要一个比较笨重的升压变压器来提高输出电压，和电网负载的电压相匹配。3）UPS产品定型之后，不可以修改，不能够用单一的模块来进行单相或者三相应用系统的组态。4）必须要有独立的电池充电器来给电池充电，不能使用逆变器来给电池充电。

发明内容

本发明提出的是一种逆变器和充电器一体化的模块化H桥串级UPS单/三相系统，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，使用模块化的H桥来构成UPS逆变器和充电器。

本发明的技术解决方案：逆变器和充电器一体化的模块化H桥串级UPS三相负载三相充电系统，其特征是结构包括第一UPS逆变/充电控制主机、第一N个A电池逆变器模块、第一N个B电池逆变器模块、第一N个C电池逆变器模块、第一充电电感、第一切换开关和A、B、C三相负载，其中第一UPS逆变/充电控制主机的控制信号输出/输入端端与第一N个A电池逆变器模块的信号输入/输出端对应相接，第一第N个A电池逆变器模块的信号输出端通过第一切换开关与三相电网中的A相电网上的第一A充电电感器和第一A相负载的信号输入端相接；第一第N个B电池逆变器模块的信号输出端通过第一切换开关与三相电网中的B相电网上的第一B充电电感器和第一B相负载的信号输入端相接；第一第N个C电池逆变器模块的信号输出端通过第一切换开关与三相电网中的C相电网上的第一C充电电感器和第一C相负载的信号输入端相接。

本发明的有益效果：1）传统UPS逆变器必须使用高压IGBT/MOSFET等器件来输出高电压，或者使用低压器件和变压器来输出高压。本产品解决了用多个低压模块不使用变压器来组态成单一220V/380V电网电压系统的问题；2）传统UPS逆变器使用高压串联电池组来输出高压，对高压电池组充电的主要问题是电池单元之间的平衡问题。本产品可以监测和控制UPS系统中每一个小的电池单元的充放电问题，可以很好的解决高压串联电池组电池单元不平衡的问题；3）传统UPS没有在现场组态单相系统和三相系统的功能，本产品解决了单相系统和三相系统都可以使用单一模块来组态实现的问题；4）传统UPS逆变器在串连电池单元时，必须使用相同的电池单元，否则会降低整个UPS系统的效率或者UPS系统不能够正常工作，本产品解决了不同品牌的电池可以在一个系统中混用的问题；5）传统UPS需要单独的电池充电器，不使用逆变器从电网上直接给电池充电。本发明使用逆变器从电网上直接给电池充电，不需要另外的电池充电器。本设备向外供电时，H桥执行逆变器功能，电池电能通过H桥逆变成交流后向负载供电；在不向外供电，并且需要向UPS电池充电时，H桥执行充电器功能，电网电能通过H桥控制后向电池充电；使用模块化的H桥来构成UPS逆变器/充电器。系统可以检测到每一个H桥模块的工作和故障状态，非常方便UPS系统的日常维护和检修；使用低压功率MOSFET来建造H桥逆变器，不使用昂贵的高压IGBT；本产品使用模块的组态可以输出50/60Hz，120/220V单相和208/380V三相电压；本产品使用接近基波频率的器件开关频率，器件的开关损耗和导通损耗很小，冷却的要求很小，解决传统逆变器的冷却问题；本系统的总体输出谐波很小，只需要很小的滤波器就可以达到谐波的质量要求，解决传统逆变器的滤波器问题；本产品只需要自然冷却或者强制风冷，不需要水冷系统。

附图说明

图1是电池逆变/充电模块结构示意图。

图2是多个H桥的级连连接结构示意图。

图3是三相负载三相充电系统结构框图。

图4是三相负载单相充电系统结构框图。

图5是单相负载单相充电系统结构框图。

具体实施方式

对照附图1，电池逆变/充电模块的结构有模块化H逆变桥有四个单一的60V功率MOSFET，即S1第一MOSFET，S2第二MOSFET，S3第三MOSFET，S4第四MOSFET；四个单一的60V功率MOSFET间的连接关系是：串接后的S1第一MOSFET、S3第三MOSFET与串接后的S2第二MOSFET、S4第四MOSFET并联；工作时，通过控制S1第一MOSFET，S4第四MOSFET导通，S2第二MOSFET，S3第三MOSFET断开来输出正电压；通过控制S2第二MOSFET，S3第三MOSFET导通，S1第一MOSFET，S4第四MOSFET断开来输出负电压；通过控制S1第一MOSFET，S2第二MOSFET导通，S3第三MOSFET，S4第四MOSFET断开来输出零电压；或者通过控制S1第一MOSFET，S2第二MOSFET断开，S3第三MOSFET，S4第四MOSFET导通来输出零电压。

对照附图2，其结构是第一个模块化H逆变桥的正信号输出端与第二个模块化H逆变桥的负信号输出端相接成级联连接。

对照附图3，三相负载三相充电系统的结构包括第一UPS逆变/充电控制主机、第一N个A电池逆变器模块、第一N个B电池逆变器模块、第一N个C电池逆变器模块、第一充电电感、第一切换开关和A、B、C三相负载，其中第一UPS逆变/充电控制主机的控制信号输出/输入端端与第一N个A电池逆变器模块的信号输入/输出端对应相接，第一第N个A电池逆变器模块的信号输出端通过第一切换开关与三相电网中的A相电网上的第一A充电电感器和第一A相负载的信号输入端相接；第一第N个B电池逆变器模块的信号输出端通过第一切换开关与三相电网中的B相电网上的第一B充电电感器和第一B相负载的信号输入端相接；第一第N个C电池逆变器模块的信号输出端通过第一切换开关与三相电网中的C相电网上的第一C充电电感器和第一C相负载的信号输入端相接；

在充电时，切换开关把逆变器的输出通过充电电感连接到三相电网。这时，控制逆变器的三相输出频率和三相电网频率相同但是逆变器的三相输出相位角滞后三相电网电压一个角度，同时控制逆变器的输出电压幅度，就可以把电网电能直接向电池充电。为了在充电时保持各个电池组之间的平衡，电池组之间的充电脉宽的控制采用周期轮换法，单个充电周期各个电池组之间不平衡，但是多个周期的电池组充电总体平衡。

对照附图4，三相负载单相充电系统结构包括第二UPS逆变/充电控制主机、第二N个A电池逆变器模块、第二N个B电池逆变器模块、第二N个C电池逆变器模块、第二充电电感、第二切换开关和A、B、C三相负载，其中第二UPS逆变/充电控制主机的控制信号输出/输入端端与第二N个A电池逆变器模块的信号输入/输出端对应相接，第二第N个A电池逆变器模块的信号输出端通过第二切换开关与第一单相电网上的第二A充电电感器和第二A相负载的信号输入端相接；第二第N个B电池逆变器模块的信号输出端通过第二切换开关与第一单相上的第二B充电电感器和第二B相负载的信号输入端相接；第二第N个C电池逆变器模块的信号输出端通过第二切换开关与第一单相上的第二C充电电感器和第二C相负载的信号输入端相接；

在充电时，切换开关把逆变器的输出通过充电电感连接到单相电网。这时，控制逆变器的三个输出频率和单相电网频率相同但是逆变器的三个输出相位角滞后单相电网电压一个角度，同时控制逆变器的输出电压幅度，就可以把电网电能直接向电池充电。这时，逆变器的三个输出是三个同频同相的单相输出。逆变器的中线和单相电网的中线连接。为了在充电时保持各个电池组之间的平衡，电池组之间的充电脉宽的控制采用周期轮换法，单个充电周期各个电池组之间不平衡，但是多个周期的电池组充电总体平衡。

对照附图5，单相负载单相充电系统的结构包括第三UPS逆变/充电控制主机、第三N个A电池逆变器模块、第三N个B电池逆变器模块、第三N个C电池逆变器模块、第三充电电感、第三切换开关和第二单相负载，其中第三UPS逆变/充电控制主机的控制信号输出/输入端端与第三N个A电池逆变器模块的信号输入/输出端对应相接，第三第N个A电池逆变器模块的信号输出端通过第二切换开关与单相电网上的第三A充电电感器和第二单相负载的信号输入端相接。

逆变控制，主控制器向所有模块同时发出PWM脉宽调制控制命令，所有的模块同步响应逆变控制命令。

通讯技术，整个系统的组成是一个主从控制系统，主机用CAN总线或者其他通讯总线向系统中所有的逆变模块发出逆变指令，同时接收模块发送回来的逆变状态信息和电池电压信息，主机通过模块的信息和根据应用系统的要求，自动调节逆变控制指令。逆变同步信号和逆变频率使用脉冲数字信号发出，和CAN总线的通信信号独立。主机控制器和模块化逆变器都使用单片机来实现控制和通讯。

储能电池的监测，每一个H桥逆变器模块在接收主机命令的同时，通过CAN通讯总线或者其他通讯总线向主机报告电池的电压/电流信号。指示电池和逆变/充电系统的工作是否正常。

电池充电管理，UPS系统不需要向每一个连结到逆变器模块的电池组提供独立的电池充电管理系统。系统在电池电力不足时通过逆变充电器向电池组充电，在电池组满的情况下断开逆变充电器，保护电池。电池充电是在H桥逆变的状态下控制总体输出电压滞后电网电压一定相位角，这样电网电能就会被电池吸收。

本发明使用逆变器从电网上直接给电池充电，不需要另外的电池充电器。如图3，图4，图5所示。

本发明用低压MOSFET，单片机来建造模块化的H逆变桥，并组态成UPS逆变器系统，这种系统包括一个主控制器和多个模块，但是整个系统只有单一的交流输出，每一个模块只完成部分逆变功能；如图1，图2。图3，图4，图5所示。

本发明使用多个模块的不同组态来实现单相系统充电/单相系统逆变，单相系统充电/三相系统逆变，三相系统充电/三相系统逆变功能；如图1，图2，图3，图4，图5所示

本产品使用的输出电压等级可以通过模块个数来控制；如图3，图4，图5结构，输出电压等级由模块个数决定。

本产品可以是在线UPS产品（电压频率和相位和电网电压同步），也可以是离线UPS产品；如见图3，图4，图5所示，在线UPS和离线UPS的电路系统结构一样，功能由软件决定。

本产品使用可以直接连接超级电容器等储能装置；如图3，图4，图5所示，如果把电池换成超级电容器，会有相同的UPS功能。

本产品使用USB或者RS-485/422通讯系统。

Claims

1.逆变器和充电器一体化的模块化H桥串级UPS三相负载三相充电系统，其特征是结构包括第一UPS逆变/充电控制主机、第一N个A电池逆变器模块、第一N个B电池逆变器模块、第一N个C电池逆变器模块、第一充电电感、第一切换开关和A、B、C三相负载，其中第一UPS逆变/充电控制主机的控制信号输出/输入端端与第一N个A电池逆变器模块的信号输入/输出端对应相接，第一第N个A电池逆变器模块的信号输出端通过第一切换开关与三相电网中的A相电网上的第一A充电电感器和第一A相负载的信号输入端相接；第一第N个B电池逆变器模块的信号输出端通过第一切换开关与三相电网中的B相电网上的第一B充电电感器和第一B相负载的信号输入端相接；第一第N个C电池逆变器模块的信号输出端通过第一切换开关与三相电网中的C相电网上的第一C充电电感器和第一C相负载的信号输入端相接；

在充电时，切换开关把逆变器的输出通过充电电感连接到三相电网；这时，控制逆变器的三相输出频率和三相电网频率相同但是逆变器的三相输出相位角滞后三相电网电压一个角度，同时控制逆变器的输出电压幅度，就可以把电网电能直接向电池充电，为了在充电时保持各个电池组之间的平衡，电池组之间的充电脉宽的控制采用周期轮换法，单个充电周期各个电池组之间不平衡，但是多个周期的电池组充电总体平衡。

2.逆变器和充电器一体化的模块化H桥串级UPS三相负载单相充电系统，其特征是结构包括第二UPS逆变/充电控制主机、第二N个A电池逆变器模块、第二N个B电池逆变器模块、第二N个C电池逆变器模块、第二充电电感、第二切换开关和A、B、C三相负载，其中第二UPS逆变/充电控制主机的控制信号输出/输入端端与第二N个A电池逆变器模块的信号输入/输出端对应相接，第二第N个A电池逆变器模块的信号输出端通过第二切换开关与第一单相电网上的第二A充电电感器和第二A相负载的信号输入端相接；第二第N个B电池逆变器模块的信号输出端通过第二切换开关与第一单相上的第二B充电电感器和第二B相负载的信号输入端相接；第二第N个C电池逆变器模块的信号输出端通过第二切换开关与第一单相上的第二C充电电感器和第二C相负载的信号输入端相接；

在充电时，切换开关把逆变器的输出通过充电电感连接到单相电网；这时，控制逆变器的三个输出频率和单相电网频率相同但是逆变器的三个输出相位角滞后单相电网电压一个角度，同时控制逆变器的输出电压幅度，就可以把电网电能直接向电池充电，这时，逆变器的三个输出是三个同频同相的单相输出，逆变器的中线和单相电网的中线连接，为了在充电时保持各个电池组之间的平衡，电池组之间的充电脉宽的控制采用周期轮换法，单个充电周期各个电池组之间不平衡，但是多个周期的电池组充电总体平衡。

3. 逆变器和充电器一体化的模块化H桥串级UPS单相负载单相充电系统，其特征是结构包括第三UPS逆变/充电控制主机、第三N个A电池逆变器模块、第三N个B电池逆变器模块、第三N个C电池逆变器模块、第三充电电感、第三切换开关和第二单相负载，其中第三UPS逆变/充电控制主机的控制信号输出/输入端端与第三N个A电池逆变器模块的信号输入/输出端对应相接，第三第N个A电池逆变器模块的信号输出端通过第二切换开关与单相电网上的第三A充电电感器和第二单相负载的信号输入端相接。