CN104348217A - 配备蓄电池的不间断电源的储能系统及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了配备蓄电池的不间断电源(UPS)的储能系统及其驱动方法。该储能系统包括由第一电源为负载供电的商用电源单元，由第二电源为负载供电的蓄电池，用于监测商用电源单元内的断电状态的断电监测单元，用于判定蓄电池充电状态的充电/放电判定单元；以及用于控制所述商用电源单元及所述蓄电池的电源控制单元，以响应断电监测单元或充电/放电判定单元的输出，使得第一电源或第二电源为负载供电。通过降低白天的用电，增加了用电的电力储备率。

Description

配备蓄电池的不间断电源的储能系统及其驱动方法

相关申请的相互引用

本申请要求2013年7月30日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2013-0090288的韩国专利申请的优先权，并在此引用其所有内容以供参考。

背景技术

1.技术领域

本发明涉及配备蓄电池的不间断电源(UPS)的储能系统及其驱动方法，更特别地，涉及配备蓄电池的UPS的储能系统，其中利用用于UPS中的整流器和双向转换器，通过控制蓄电池的放电功率，将蓄电池的一些容量用作能量源，从而能够降低用户的耗电量，并且利用剩余容量作为应急情况下的备用用电，及其驱动方法。

2.相关技术的描述

近来，用于储存能量的储能系统(ESS)可以说是智能电网的核心。已研制出多种用于储能的装置。具有代表性的储存装置是，在供电需求小的夜间通过充电器在蓄电池中储存能量，以及在供电需求大时通过放电器释放所储存的能量。这通常称作系统关联型储能系统。

为了储能，基本上需要用于将交流电(AC)转换为直流电(DC)的转换器，以及用于将直流电(DC)转换为交流电(AC)的逆变器。在这种情形下，如果所用产品使用直流电(DC)作为电源，如蓄电池及超级电容器，那么也需要使用具有充电/放电功能的AC/DC转换器或双向转换器。在控制器的控制下，UPS可以大体上实现AC/DC转换及DC/AC转换，以及利用转换器实现充电/放电功能。进一步，还需要用于附加系统关联的附加系统。

UPS还具有一个功能，是为不间断设备由于UPS中的元件故障，如电力转换器及蓄电池，即，储能设备，无法执行常规功能的情形而准备的。

为了增加基于物理能量交换或化学能量转换的储能系统的使用，也做了不少努力。更特别的是，在连续即持续供能的储能系统技术的开发上做了很多努力。

蓄电池，取决于蓄电池的类型，具有根据充电和放电次数而减少使用寿命的特点。铅蓄电池通过检查和控制是有问题的，例如，由于构成蓄电池的化学物质的激活作用，蓄电池的终止电压的无规律性，以及未检查出终止单元发生腐蚀的变化，因此铅蓄电池在应急情况下处理无法操作。为此，锂蓄电池还具有一个功能，称作电池管理系统(BMS)，以防止过度充电造成的问题及损害。

尤其是，近来，由于商用电源在峰值负载下的供电短缺，加重了电力短缺。从电力需求管理的角度看，由于基于每个时间段计费的系统存在差异，诸如为消费者管理需求的应急发电机操作，例如电力计费管理，是有社会和经济必要的。

在这种现实中，通常，电力消费者拥有的UPS的蓄电池有能力在消费者确定的特定时间内稳定地提供消费者所要求的电力，但这种情况只有当在商用电源发生断电时才能使用。也就是说，现有的UPS利用蓄电池，只有在输入电源发生断电的状态下才能使用蓄电池的电力执行放电操作。即使发生瞬时断电，UPS会不可避免地用于计算机服务器及生产设备中，因为计算机服务器及生产设备需要许多时间来恢复应对瞬时断电。

专利文件1和2公开了解决技术问题的技术方案实施例。

例如，专利文件1公开了一种估算蓄电池剩余容量的方法，包括以下步骤：检查蓄电池是否处于第一连接状态；检查蓄电池是处于放电状态还是充电状态；如果检查的结果是，蓄电池处于连接状态，则测量蓄电池的电压；如果检查的结果是，蓄电池处于放电状态，则通过比较蓄电池电压与预设的稳定判断电压来判定蓄电池是否稳定；通过计算放电电流的量来计算电压降；利用计算出的电压降电压及测量的电压来计算开路电压；计算对应于所计算出的开路电压的初始剩余容量；利用初始剩余容量及预设的均衡(diequilibration)效率计算最终剩余容量。

再者，专利文件2公开了一种诊断老化状态的装置及其诊断方法，其中，通过将测量电流信号输入至电力转换装置的DC端的电解电容，测得ESR值或介质损耗角正切值(tanδ)。根据所测得的ESR值或介质损耗角正切值(tanδ)诊断电力转换装置是否发生故障或损坏，测量特性数据，如待测的每个蓄电池的内阻，使得可以同时测量并监控作为UPS的必备元件的蓄电池系统的老化状态，并且根据之前监测到的电力转换设备的老化或劣化，基于所测量的特性数据，可诊断复杂的异常状态。

但是，前述现有技术文件并未公开蓄电池在UPS中更高能效使用的技术，该UPS主要包括整流器(或转换器)、充电/放电单元(或双向转换器)、逆变器、旁路、控制板及蓄电池。

[现有技术文件]

[专利文件]

(专利文件1)申请号为10-1261149的韩国专利申请(公布于2013年4月29日)

(专利文件2)申请号为10-0998577的韩国专利申请(公布于2010年11月30日)

发明内容

相应地，本发明是为解决现有技术中出现的上述问题而做出的，并且本发明的目的是，提供配备蓄电池的UPS的储能系统及其驱动方法，其通过利用蓄电池，即，能量源，重复使用能量，从而能够降低耗电量，更经济地，使用户从降低耗电量中获益，以及能够最大限度提高生产率，同时将电力提供给用户。

本发明的另一目的是提供配备蓄电池的UPS的储能系统及其驱动方法，其能够通过控制放电来提高蓄电池的放电效率，使得特定量的蓄电池容量不会迅速释放。

本发明的另一目的是提供配备蓄电池的UPS的储能系统及其驱动方法，即使当正常提供商用电源时，其也能够有效处理需求管理及电力计费系统。

本发明的另一目的是提供配备蓄电池的UPS的储能系统及其驱动方法，其能够为负载供应稳定的电力，即使储能操作与问题，如由于双向转换器的影响导致直流链路(DC link)电压升高造成的直流链路(DC link)过电压报警，一起执行。

根据本发明的一个方面，包括在UPS中的储能系统包括：由第一电源为负载供电的商用电源单元；由第二电源为负载供电的蓄电池；用于监测该商用电源单元内的断电状态的断电监测单元；判定蓄电池充电状态的充电/放电判定单元；以及控制所述商用电源单元及该蓄电池的电源控制单元，以响应该断电监测单元或该充电/放电判定单元的输出，使得该第一电源或第二电源为负载供电。

根据本发明实施例的储能系统还包括用于设定负载操作时间的操作时间设定单元，其中，该电源控制单元根据该运行时间设定单元设定的运行时间执行控制，使得第一电源和第二电源均为负载供电。

在根据本发明实施例的储能系统中，电源控制单元执行控制，以响应充电/放电判定单元所判定的蓄电池充电状态，使得第一电源为蓄电池供电；以及电源控制单元执行控制，以响应断电监测单元所监测的断电状态，使得第一电源和第二电源均为负载供电。

在根据本发明实施例的储能系统中，UPS包括第一UPS和第二UPS，该第一UPS和第二UPS交替运行，以及当该第一UPS的蓄电池放电时，该第二UPS的蓄电池充电。

在根据本发明实施例的储能系统中，UPS包括第一UPS和第二UPS，并且第一UPS和第二UPS被同时驱动且同时充电。

在根据本发明实施例的储能系统中还包括用于显示蓄电池状态的显示单元，以及用于输出报警声或应急灯的报警单元，以响应所述显示单元所显示的状态。

根据本发明的一个方面，包括储能系统的不间断电源(UPS)的驱动方法包括以下步骤：(a)由断电监测单元及充电/放电判定单元，判定商用电源单元的状态及蓄电池的充电状态，用于将第一电源及第二电源为负载供电，(b)通过操作时间设定单元，设定负载的峰值时间段；以及(c)通过电源控制单元，在步骤(b)设定的峰值时间段内分配第一电源和第二电源，并且将第一电源和第二电源为负载供电。

在根据本发明实施例的UPS驱动方法中，步骤(c)包括：通过充电/放电判定单元计算蓄电池的剩余容量；以及通过电源控制单元执行控制，使得第二电源的供电是在蓄电池的必要剩余容量以外执行的，所述蓄电池的必要剩余容量需要为应急情况而保留

在根据本发明实施例的UPS驱动方法中，步骤(c)包括：通过电源控制单元，根据由充电/放电判定单元判定的蓄电池容量，周期性地供应第二电源。

在根据本发明实施例的UPS驱动方法中，步骤(a)包括：显示或通知由断电监测单元及充电/放电判定单元判定的商用电源单元的状态及蓄电池的操作状态。

在根据本发明实施例的UPS驱动方法中，步骤(a)至(c)由第一UPS和第二UPS重复执行。

在根据本发明实施例的UPS驱动方法中，步骤(a)至(c)由第一UPS和第二UPS同时执行。

附图说明

图1是根据本发明的实施例中配备蓄电池的不间断电源(UPS)的储能系统的示意图；

图2是方框图，示出了图1所示的主控板的结构；

图3是方框图，示出了根据本发明实施例的配备蓄电池的UPS的操作模式的各种类型；

图4是UPS的双向转换控制器的方框图，用于处理过度反应；

图5是曲线图，示出了过度反应的测试结果；

图6是用于商用电源及蓄电池负载共享的控制器的方框图；

图7是流程图，示出了根据本发明实施例的配备蓄电池的UPS的储能方法；以及

图8是流程图，示出了根据本发明实施例的一般操作模式。

具体实施方式

通过在说明书及附图中的技术公开，本发明的上述发明目的、其他发明目的以及新的技术特征将更清楚。

首先，本发明应用的UPS与包含在该UPS中的蓄电池之间的关系将在下文中描述。

UPS的蓄电池容量根据设定的最大放电时间来决定。

用于单相输出和三相输出的UPS的放电电流同样地由UPS容量和蓄电池使用电压来计算并决定。放电电流Id由方程式1来计算，基于UPS为100千伏安(KVA)。

在方程式1中，根据方程式1，假定UPS的断电补偿时间为30分钟并且使用铅蓄电池，根据蓄电池制造商的规格，在终止电压为1.75伏(V)时，使用容量为2伏(V)250安时(AH)240节电池。在这种情形下，假定断电补偿时间为1小时，根据蓄电池制造商的规格，使用容量为2伏(V)400安时(AH)240节电池。

例如，如果总电池容量的30％用于储能操作，并且总电池容量的剩余70％用作断电时的应急供电，则得到方程式2。

$\mathrm{AH}=\frac{250\mathrm{AH}\×30\%}{100}=75\mathrm{AH}---\left(2\right)$

在方程式2中，如果储能操作设定为2小时，则得到方程式3。

$\begin{array}{c}I=\frac{75\mathrm{AH}}{2H}=37.54A/H\\ I=37.5A\×0.74=27.8A/H\end{array}---\left(3\right)$

在方程式3中，0.74指蓄电池2小时放电效率为74％。如果蓄电池放电3小时，则放电效率增加至84％。也就是说，随着放电时间的增加，放电效率也更佳。根据蓄电池的原材料和制造商的不同，放电效率略有不同。

对于蓄电池储能操作为2小时，根据方程式3所需的电流为27.7安每时(A/H)。

UPS的容量及蓄电池的电压状态根据用户的不同而不同，但绝大多数用户使用的负载低于设备容量的50％。

如果用户使用的负载为50千瓦(KW)，

$\mathrm{Id}=\frac{50\mathrm{KW}}{1.75\×240\×0.96}=124A---\left(4\right)$

如上所述，所需的直流(DC)电为124安(A)。在方程式5中整流器所需的电力是根据124安(A)来计算的。

124A-27.7A＝96.3A  (5)

根据上述方程式，储能操作所需的电力在方程式6中计算得出。

27.8A×1.75×240＝11.68KW/H  (6)

如果用户在容量为100千伏安(KVA)的UPS内，使用了断电补偿时间为30分钟的蓄电池，还使用了50千瓦每时(KW/H)的负载，那么储能操作造成的电力下降可通过方程式6得到。

也就是说，用户可以增加蓄电池的利用率并通过储能操作保证断电时的应急供电，通过这种降能弥补使用蓄电池的部分安装成本，并且通过在白天减少用电来增加电源的电力储备率。

再者，如果为了增加断电补偿时间而增加蓄电池容量，电力将下降得更多。蓄电池的使用寿命可通过减少与使用寿命相关的放电次数来延长。

如上所述，蓄电池技术不断在进步并且原材料的利用也在持续增加。

然而，用于UPS中浮动充电的铅蓄电池的使用寿命预计为3至5年。该使用寿命根据建议使用蓄电池的温度条件(如：20～25℃)而变化。也就是说，如果用于浮动充电的铅蓄电池使用了3年，仅使用了断电补偿功能，开始出现电池故障，其中蓄电池的功能失效，从而使得蓄电池不能再用。

蓄电池技术在发展，并且UPS技术也在进步。如果根据本发明实施例的技术被移植，那么可以预计能量会得到更有效地利用。

首先，UPS的重要功能是在输入电源断电时为负载持续供电。如果在蓄电池放电操作期间输入电源出现断电，则继续执行放电操作。如果在蓄电池充电操作期间输入电源出现断电，则通过常规放电操作将电源持续为负载供电。如果输入电源恢复，则执行储能操作，通过判定剩余蓄电池容量来对蓄电池充电。

如果在储能操作期间UPS通过逆变器执行常规操作，则在任何情况下电源都持续为负载供电。如果逆变器不工作，则电源通过旁路为负载供电。

其次，在不间断电源的并行操作中，像单个操作一样执行储能操作，而额外的优势是不间断电源可交替执行它们的放电操作。也就是说，当其中一个不间断电源开始放电操作时，其他不间断电源执行常规操作。当其中一个不间断电源完成放电操作时，其开始充电操作并且其他不间断电源开始放电操作。

使用主要负载的用户可以使用许多个并联的不间断电源。在这种情形下，如果不间断电源逐个地执行放电操作，那么储能操作会执行更长的时间。相应地，蓄电池在白天放电之后，其充电所花的时间比使用单个UPS的时间更长，蓄电池的放电效率会增加，并且蓄电池的使用寿命将延长。

再者，如果UPS在白天重复执行储能操作，则蓄电池不可避免地要在白天充电。需要考虑一种充电方法用于在充电期间内使耗电降至最小。再者，根据蓄电池制造商推荐的方法需要对设计进行检查和执行，并且还需考虑失效蓄电池的原材料的重复利用。

根据本发明实施例在利用蓄电池的UPS中，主控板控制用于储能操作的整流器及充电器/放电器。

为了控制充电器/放电器，该主控板设定储能操作时间及操作起始时间。

对于储能操作，利用蓄电池的UPS根据用户所需的断电补偿时间对蓄电池容量进行设置。

再者，应用至本发明的蓄电池包括深循环(deep cycle)服务。

当设定蓄电池容量时，通过考虑蓄电池放电深度(％DOD)来设置放电量。随着放电量的增加，蓄电池的充电/放电循环会降低，从而使蓄电池的使用寿命降低。出于这一原因，例如，可执行这样的设计，使得仅总蓄电池容量的30％用于放电操作，而其剩余的70％用于断电和蓄电池的使用寿命的应急供电。

根据断电补偿时间的蓄电池容量是由UPS容量、逆变器效率、蓄电池终止电压及蓄电池数量来决定的。在这种情形下，蓄电池容量是根据蓄电池数据的计算出的电流来选择。

UPS的蓄电池容量是按100％的负载来选取的，但推荐的负载量为50％。绝大部分用户使用UPS容量的50％或更少。也就是说，断电补偿时间将比用户要求的时间更长，这取决于负载的使用。

对于储能操作，主控板设定了储能操作时间、起始时间及终止时间、蓄电池容量、蓄电池终止电压、蓄电池数量、蓄电池类型及蓄电池放电量。储能操作时间被分为早晨和下午，即，按电力高峰时间段划分。

当UPS处于正常操作状态时，即，当UPS向逆变器提供负载时，主控板根据相应值计算用于储能操作的蓄电池放电电流。

在这种情形下，当检查储能操作时间时，主控板将充电器改变为放电器，并根据双向转换器控制的电流极限值增加放电量。放电器执行放电直至达到蓄电池放电量极限值，并且将剩余电力通过整流器供应至负载。

再者，类似于蓄电池的放电特性，当蓄电池放电时，UPS执行储能操作。当蓄电池的放电特性异常时，UPS在显示屏及输出装置输出蓄电池异常报警以通知用户。通过这种蓄电池检查，使得断电引起的损失降至最小。放电操作的起始和终止也可通过信息发送给用户，使得用户可以检查UPS的状态。

随着放电时间增加，蓄电池具有更好的放电效率。通过考虑到这种更好的放电效率，对主控板进行设置。

当达到主控板内设定的终止时间时，释放双向转换器的电流极限值，从而放电器转换为充电模式并为蓄电池充电。再者，当达到主控板内设定的放电时间时，重复上述操作。上述操作在耗电量大的白天重复执行，并且在耗电量小的时间段内进行充电，从而使得耗电量降至最小。

再者，蓄电池的放电电压需要考虑到蓄电池的放电深度(％DOD)来进行设置。蓄电池的使用寿命由放电深度来决定。为了使蓄电池的使用寿命最长及用户对蓄电池的利用率最大化，蓄电池制造商考虑了放电深度来设置蓄电池的放电电压。

再者，为了应对可能出现的长时间断电，或用户端的电力系统设备故障导致可能出现的断电，执行这样的设计，使得蓄电池放电至达到一特定电压，而剩余的电压则为断电而准备。

本发明中使用到的蓄电池可以由铅(Pb)、镍(Ni)和锂(Li)作为主要原材料制成，并且蓄电池具有放电深度(％DOD)。

本发明的结构将在下文中参照附图进行描述。

图1是根据本发明的实施例中配备蓄电池的不间断电源(UPS)的储能系统的示意图。

如图1所示，本发明实施例中配备蓄电池的UPS包括第一UPS和第二UPS。第一UPS和第二UPS交替运行。可采用这样的结构：当第一UPS的蓄电池放电时，第二UPS的蓄电池在充电。更进一步，还可以采用这样的结构：第一UPS和第二UPS同时放电。

再者，图1中所示的元器件对应于在本发明的技术领域内常规使用的UPS的，并且包括整流器、逆变器、双向DC-DC转换器以及主控板。其中，该整流器用于接收商用交流输入(ACINPUT)电源并进行整流；逆变器用于将整流后的直流(DC)电转换为交流(AC)电；双向DC-DC转换器用于为电力存储装置(下文中称为“蓄电池”)充电，从而使用整流器整流后的直流(DC)电为能够充电/放电的蓄电池充电，或将逆变器的电力充入蓄电池。

主控板包括数字信号处理器(DSP)及现场可编程门阵列(FPGA)。主控板根据供电状态及用户设定的条件来控制整流器、逆变器及双向DC-DC转换器，也控制UPS的一般操作，如显示操作条件、运行状态及供电状态或接收来自用户的输入。

在本发明中，如图1所示，提供了第一UPS和第二UPS，以及旁路，如果UPS由于整流器、逆变器等元器件的故障而不能运转时，该旁路可用于为负载提供商用电源。由于旁路的结构及工作原理在本技术领域内是公知的，故本发明对此不作详细描述。

再者，如图1所示，第一UPS和第二UPS中每一个的元器件都包括整流器、逆变器及向蓄电池供电的双向DC-DC转换器，用于补充由商用电源或发电机供应的电压的不足，并且在发生断电时提供用电，正如本发明的技术领域内是通用的或公知的技术所公开的，例如在专利号为10-1211114或10-1247282的韩国专利中均有揭示，故本发明对此不作详细描述。

例如，每一个整流器、逆变器、充电器/放电器、及旁路中的电力转换半导体单元可以由下列任一种器件构成：绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、硅可控整流器(SCR)、可关断(GTO)晶闸管、及双极面结型晶体管(BJT)。特别是，整流器可设置为具有充电器/放电器功能，并且该整流器及充电器/放电器可分开设置及驱动。该整流器或充电器/放电器可以由开关元件构成，该开关元件具有适合于UPS容量的放电电流容量，该开关元件利用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、可关断(GTO)晶体管、及双极性晶体管(BJT)中的一种来实现高速切换，从而使得整流器或充电器/放电器起到一个准确且快速开关的作用。

图1中的主控板及主控板的操作模式的各种类型将参照图2和图3在下文中进行描述。

图2是方框图，示出了图1所示主控板的结构；图3是示意图，示出了根据本发明实施例的配备蓄电池的UPS的操作模式的各种类型。

如图2所示，根据本发明实施例的储能系统100包括在第一UPS和第二UPS的每一个之中。储能系统100包括由第一电源为负载供电10的商用电源单元20、由第二电源为负载供电10的蓄电池30、以及根据商用电源单元20和蓄电池30的状态控制供应至负载10的电源的主控板40。

根据本发明实施例的储能系统100还包括显示单元50及报警单元60。显示单元50用于显示蓄电池30的状态，例如，当蓄电池制造商提供的放电特性异常时，发出蓄电池异常报警。报警单元60用于告知用户储能系统100的状态，可以通过发出声音如警告声，例如，“蓄电池断电模式运行”或“断电状态”，或开启应急灯，如根据显示单元50上显示的状态，闪烁红色灯。

主控板40包括监测商用电源单元20内断电状态的断电监测单元41、判定蓄电池30充电状态的充电/放电判定单元42、及电源控制单元43，该电源控制单元43用于控制商用电源单元20及蓄电池30，使得根据断电监测单元41或充电/放电判定单元42的输出，将第一电源或第二电源为负载10供电。

主控板40还包括操作时间设定单元44，用于设定负载10上的储能操作时间。电源控制单元43进行控制，使得根据操作时间设定单元44上设定的操作时间将第一电源和第二电源为负载10供电。

主控板40包括具有计算功能的微控制器，和存储条件状态的存储装置。断电监测单元41、充电/放电判定单元42、电源控制单元43及操作时间设定单元44以这样一种方式运行：微控制器操作和控制存储在存储装置内的程序。

再者，电源控制单元43执行控制，使得根据充电/放电判定单元42内蓄电池的充电状态，将第一电源为蓄电池30供电；并且电源控制单元43执行控制，使得根据断电监测单元41内蓄电池的充电状态，将第二电源为负载10供电。

也就是说，如图3A所示(图中粗线表示电力潮流)，在正常操作模式下，即，一般操作状态，主控板40的电源控制单元43执行控制，使得通过商用电源单元20为负载10供电，且蓄电池30充电。也就是说，正常操作模式是这样一种状态，其中在使用UPS系统的用户处电力以电力潮流(粗线表示)运行。在这种状态下，电源控制单元43执行控制，使得第一电源(即，商用电源)为负载10供电，并且蓄电池30充电。

当蓄电池30完成充电时，即，如果根据充电/放电判定单元42中的充电状态的判定，确定蓄电池30不需要充电，如图3B所示(粗线表示电力潮流)，则电源控制单元43停止双向DC-DC转换器的充电操作并执行控制，使得第一电源为负载10供电。也就是说，电源控制单元43执行商用电源单一操作模式。

作为对比，如果断电监测单元41确定输入至UPS的是断电操作模式，如图3c所示(粗线表示电力潮流)，电源控制单元43执行控制，使得仅将第二电源为负载10供电，并且报警单元60发出“蓄电池断电模式运行”的声音给予警告。例如，根据用户设置，报警单元60可以给出多次警告。

根据本发明，在共享操作模式下，负载10由商用电源单元20的第一电源和蓄电池30的第二电源共同供电，如图3d(粗线表示电力潮流)所示，电源控制单元43执行控制，使得负载10在由操作时间设定单元44设定的峰值时间内由第一电源和第二电源共享并供电。

如图1所示整流器、转换器等的控制，将参照图4至图6在下文中进行描述。

图4是UPS的双向转换器的控制器的方框图，该控制器用于处理过度反应；图5是曲线图，示出了过度反应的测试结果；以及图6是用于商用电源和蓄电池负载共享的控制器的方框图。

为了根据负载变化增加过度反应，UPS要求通过双向转换器及电流控制器进行直流链路(DC link)电压转换。在本发明中，提供了双向转换控制器，如图4所示。

图4中的双向转换控制器将参照图5在下文中进行描述。参照图5A，当双向转换器执行放电操作时，根据负载变化的测试结果表明，当负载接通或断开时，直流链路电压变化。在这种情形下，在实际情况中UPS产生直流(DC)过压警报。图5B示出了通过控制双向转换控制器的增益值(GAIN)，直流链路电压的变化是下降的。如在测试中一般，利用双向转换器的电压和电流控制器、利用电压可以处理负载的变化。再者，对于储能操作还需要将能够控制供应至蓄电池30电力的电流控制器。当负载变化时，直流链路电压可通过控制器增加。因此，如果控制器通过控制增益值(GAIN)而控制直流链路电压的增加，可以执行储能操作，使得商用电源和蓄电池负载共享。

也就是，给出了应用至本发明的UPS的过度反应的测试条件。在测试条件中，当UPS正常运行时，蓄电池是连接的，并且通过改变负载可测量到恢复输出电压所花的时间。对于测试过度反应，可参照韩国工业标准(KS)C国际电工技术委员会(IEC)62040-35.3项的规定。韩国工业标准(KS)描述了测试方法，但结果值设置得更广泛至10％。这种过度反应是由制造商的规格来决定的。当负载突然变化50％并且其反应是在50毫秒(msec)之内时，根据本发明实施例的UPS的测试标准是在±5％之内。在这种情形下，双向转换器会受到如图5所示负载变化的影响，这可能会导致直流链路电压的增加造成的直流链路过压警报。为了防止这种问题的出现，即使执行了储能操作，也可以将稳态电源为负载供电。

共享蓄电池负载的控制器在下文中参照图6进行描述。

在图6中，根据与负载量、放电峰值时间段及蓄电池有关的容量，以及根据放电量、终止电压、放电电压和放电时间的蓄电池放电效率，由主控板40计算数值，该数值决定蓄电池放电电流值。

蓄电池放电电流值为I_{BAT(x)_ref}。该值根据蓄电池放电电流的参考值来控制。根据储能操作中的初始负载量(Pre_I_{LOAD_ref})和蓄电池放电电流值，所需的整流器参考电流值是I_{CON_IN}。

在这种情形下，当负载改变时，主控板40计算变化值I_{Diff_ref}，并利用UPS的整流器限流功能控制整流器的值I_{CON_ref}。

如上所述，主控板40通过连续计算来应对负载变化和断电。

其次，UPS根据计算的值来控制双向转换器放电(即，升压模式)的电流，并通过控制直流链路电压对蓄电池电压变化的反应，来控制对应于负载的变化的直流链路电压的增加，使得蓄电池的放电操作，也就是，储能操作，在预定的峰值时间段内执行。

根据本发明实施例的驱动UPS的方法将参照图7进行描述。

图7是流程图，示出了根据本发明实施例的配备蓄电池的UPS的操作方法，以及图8是流程图，示出了根据本发明实施例的一般操作模式。

首先，电力通过商用电源单元20的第一电源以一般操作状态为负载供电，并且在使用UPS系统的用户中电力潮流处于正常操作状态，即，蓄电池30充电的状态，如图3A所示。在这种状态下，第一电源为负载10供电并且蓄电池30充电。

主控板40的断电监测单元41判定第一电源是否正常。这一判定可以通过诊断整流器、逆变器、双向DC-DC转换器、以及蓄电池是否正常来作出，体现在步骤S10中，这在本发明的技术领域内是常规使用的并且已知的技术，例如，公开在专利号为10-121114或10-1247282的韩国专利文件中。在步骤S20，充电/放电判定单元42判定蓄电池充电状态，利用蓄电池终端电压测量技术，通过检测蓄电池30的终端电压来判定蓄电池30是否需要充电，该蓄电池终端电压测量技术公开在专利号为10-0386053或10-0989178的韩国专利文件中。

如果，判定的结果是，在步骤S30确定蓄电池30需要充电，则主控板40的电源控制单元43驱动双向DC-DC转换器进入充电模式，使得蓄电池30充电，与此同时，电力也供应至负载10。相应地，如图3A所示，蓄电池30由第一电源来充电，即，商用电源，在步骤S40为负载10及蓄电池30供电。

如果，判定的结果是，在步骤S30确定蓄电池30不需要充电，则停止双向DC-DC转换器的充电操作并且在步骤S50执行电源操作模式，如图3B或3D所示。步骤S50的电源操作模式包括商用电源单元20的单一操作模式及商用电源单元20和蓄电池30的一般操作模式。单一操作模式和一般操作模式将参照附图8在下文中描述。

之后，在步骤S60，断电监测单元41利用本领域内已知的电压传感器判定商用电源，即，第一电源，是否正常供电。如果，步骤S60的判定结果是，确定了商用电源，即，第一电源，不是正常供电，即，如图3c所示处于断电状态，则电源控制单元43驱动双向DC-DC转换器，使得在步骤S70蓄电池的电力，即，第二电源，通过蓄电池30供应至负载10。这种技术已知并常规使用在专利号为10-0386053或10-0989178的韩国专利文件中，例如，确定蓄电池剩余电量，检查负载10的耗电量及蓄电池的剩余容量，以及显示可供电时间。如果，步骤S60的判定结果是，确定了商用电源，即第一电源，是正常供电的，则执行步骤S50。

当步骤S70由断电监测单元41来执行时，通过报警单元60输出一种信号，例如“蓄电池断电模式运行”。

在步骤S50“商用电源及蓄电池负载共享操作模式”，商用电源单元20及蓄电池30均向负载10供电，这将参照附图8在下文中详细描述。

如果断电监测单元41和充电/放电判定单元42确定蓄电池不需要充电，商用电源是正常的，并且在步骤S50自诊断的结果是没有异常，则电源控制单元43判定时间段是否为UPS用户输入或设置的电力峰值时间段，这与使用者的负载10有关，通过步骤S51的操作时间设定单元44来输入或设置。

如果，在步骤S52该判定的结果是，确定了时间段是设置或输入的负载10的电力峰值时间段，则在步骤S53充电/放电判定单元42计算蓄电池30的剩余容量。

在步骤S53，充电/放电判定单元42计算当前负载电流及剩余容量，并接收“蓄电池的必要剩余容量”的范围，该范围由用户根据负载设备的条件输入，或者事先已设定，且需要在应急情况时必须保留。如果确定当前负载电流可以使用“可用的剩余蓄电池处理容量”而不是设定的剩余电池容量(例如，50％，该值也可以由用户改变以及为方便描述而随机设定，假定当断电时必须用来驱动用户设备的容量是50％)在峰值时间(可以设置为约2小时，也可以由使用者或商用供电网络运营商改变)来供电，则在步骤S54执行“剩余蓄电池容量峰值供电模式”。

步骤S54的剩余容量峰值供电模式的计算如下。这一实施例仅用于阐述本发明，而不局限于此。

例如，假定UPS容量为100千伏安(KVA)，负载设备容量为50千瓦(KW)，蓄电池额定电压为540伏(V)，电池数量对应为2伏(V)240节电池，电池终止电压为1.75伏(V)，并且逆变器电力变换效率为0.96，电池容量由用户要求的断电补偿时间来决定。

在本发明中，电源控制单元43控制蓄电池30的电量，使得当操作时间设定单元44设定的峰值时间为2小时，放电持续2小时，剩余30％电量。

以下计算示出了在前述条件下的另一实施例。

1)100千伏安(KVA)的最大放电电流的计算

2)蓄电池容量的选择

如果断电补偿时间为30分钟，则要求的电流为198安(A)，因为根据铅蓄电池的数据，200安时(AH)等于最大电流为173安(A)，而250安时(AH)等于最大电流为216安(A)。由于200安时(AH)不能满足规格需要，根据蓄电池制造商的蓄电池规格或根据用户的要求，可以选择2伏(V)250安时(AH)240节电池。

3)储能操作中蓄电池容量的30％

250AHx0.3＝75AH

75AH，即，250AH的30％，用于储能操作中，并且250AH的剩余70％用作应对断电的应急供电。

4)放电时间2小时(即，峰值电力时间)

75AH/2H＝37.5A，其中，37.5Ax0.74(在2小时放电时间内蓄电池放电效率为74％)＝27.7A/H(安/时)

用于储能操作的蓄电池电流需要27.7安每时(A/H)。如果放电时间增加，则蓄电池具有更高的放电效率(如，放电3小时为84％)。在这种情形下，则需要75AH/3H＝25A，即，因为25Ax0.84＝21A/H，每小时需要21A。

相应地，运行2小时的直流电总共＝27.7A x1.75V(终止电压)X240(电池数量)＝11.6KW/Hx2H＝23.2KW。

运行3小时的直流电总共＝21Ax1.75V(终止电压)x240(电池数量)＝8.8KW/Hx3H＝26.4KW。

如果在上述计算中储能操作时间增加，由于放电效率的提高，可得到许多的放电量。相应地，能量也会减少那么多。

5)当负载量为50千瓦(KW)时，根据下列计算，所需的直流(DC)电流是124安(A)。

$\mathrm{Id}=\frac{50000}{1.75\×240\×0.96}=124A$

6)所需的负载直流(DC)电

负载电流＝蓄电池电流+整流器电流

整流器电流＝负载电流-蓄电池电流

124A-27.7A＝96.3A：在2小时储能操作中所需的整流器电流

整流器电流＝负载电流-蓄电池电流

124A–21A＝103A：在3小时储能操作中所需的整流器电流

也就是说，在储能操作中蓄电池电流为27.7A，利用整流器电流限流功能，整流器输出96.3A，即，UPS的基本功能及放电操作是在峰值时间设定为2小时，根据所需的负载电流为124A执行的。

为提高蓄电池的放电效率，并且执行上文所述储能操作，控制器规定DC-DC转换器的蓄电池电流。

在计算的实施例中必要的剩余电池容量是250AH的70％，即，175AH。

在计算的实施例中可用的剩余电池容量是250AH的30％，即，75AH。

在步骤S53，充电/放电判定单元42计算当前负载电流及剩余蓄电池容量，并且在步骤S55，判定在当前峰值时间内，当前负载电流是否利用“可用剩余蓄电池容量”而不是“必要剩余蓄电池容量”来供电。

如果，步骤S55的判定结果是，确定了在当前峰值时间内，当前负载电流可以不利用可用剩余蓄电池容量向负载10供电，则充电/放电判定单元42计算电流量，该电流量可能在峰值时间内仅使用“可用剩余蓄电池容量”持续放电。

如图3D所示，“商用电源和蓄电池负载共享操作模式”，其中，利用商用电源执行放电，放电仅根据在峰值时间内计算的电流量来进行，并且步骤S56电流量将在峰值时间内由蓄电池持续供应。

如果，步骤S55判定的结果是，确定了在当前峰值时间内，当前负载电流可以不利用可用剩余蓄电池容量为负载10供电，则执行步骤S57的蓄电池充电模式。

在这种情形下，如果不供应负载电流，由用户设定的蓄电池负载共享比率可能小于总负载电流的1％，但这是由用户随机设定的。

步骤S57转至步骤S20，在步骤S20中，确定蓄电池的充电状态。

在步骤S56，电源控制单元43计算流经负载10的电流及在特定循环中的剩余蓄电池容量，该特定循环是由用户设置的特定循环，例如，通过计算蓄电池容量及用户设备特性的过程，由主控板40计算的循环，来判定在峰值时间内所计算的电流及剩余蓄电池容量是否能够持续供应，并在步骤S58根据判定的结果执行“基于循环的供电能力判定步骤”。

如果，步骤S58的判定结果是，确定了计算的电流及剩余蓄电池容量在峰值时间不能够供电，则程序转至步骤S57。

也就是说，为了执行如步骤S58的计算，根据负载及基于峰值电力时间负载上供电的变化，对整流器和DC-DC转换器进行控制。为了防止由于蓄电池使用了一段时间或蓄电池温度的蓄电池能量降低，造成蓄电池持续过度放电，相应于可用剩余蓄电池容量设定蓄电池电压，根据已设定的电压和峰值时间设定值之中的任一先达到的值来停止储能操作，通过控制整流器将电力供应至负载，并且DC-DC转换器从放电模式切换至充电模式。

在商用电源和蓄电池负载共享操作模式下，步骤S56，充电/放电判定单元42及电压控制单元43周期性地计算剩余蓄电池容量及负载电流，根据计算的剩余蓄电池容量及负载电流，计算在峰值时间内可能持续供应的电流，以及执行“时间电流控制操作模式”，在该模式下，在步骤S59，当前电流转换为可能供应的电流，并且在峰值时间内现有操作持续执行。

步骤S59终止之后，或每种模式在每个步骤都终止之后，在步骤S20充电/放电判定单元42通过步骤60确定蓄电池30的充电状态。

再者，为方便描述，单个UPS的操作已参照图7和图8进行了描述，而本发明还可以应用于两个UPS并行操作，如图1所示。

如上文所述，根据本发明实施例的配备蓄电池的UPS的储能系统及其驱动方法，具有以下优点：提高了蓄电池利用率，通过储能操作保证应对断电的应急电力，使用蓄电池的部分安装成本通过降低能量而弥补，并且通过减少白天的用电使得用电的电力储备率增加。

再者，根据本发明实施例的配备蓄电池的UPS的储能系统及其驱动方法，还具有以下优点：由于蓄电池容量增加，以便增加断电补偿时间，而使得电力进一步降低，蓄电池的使用寿命通过减少与蓄电池的使用寿命相关的放电次数而延长。

再者，根据本发明实施例的配备蓄电池的UPS的储能系统及其驱动方法，还具有以下优点：由于与单个UPS相比，本发明使用了第一UPS和第二UPS，蓄电池在白天放电后用于蓄电池充电的时间得到增加，蓄电池放电效率得到改善，并且蓄电池使用寿命得到延长。

再者，根据本发明实施例的配备蓄电池的UPS的储能系统及其驱动方法，还具有以下优点：通过减少白天的用电，增加了电力使用的电力储备率。

尽管本发明中一些示范性实施例以说明性目的进行了公开，在不脱离本发明所附权利要求书所公开的范围及构思的前提下，本领域技术人员可以预料到可能的各种变形、增加及替代方式。

Claims (12)

1.包括在不间断电源(UPS)中的储能系统，包括：

由第一电源为负载供电的商用电源单元；

由第二电源为负载供电的蓄电池；

监测所述商用电源单元内的断电状态的断电监测单元；

判定所述蓄电池充电状态的充电/放电判定单元；以及

控制所述商用电源单元及所述蓄电池的电源控制单元，以响应所述断电监测单元或所述充电/放电判定单元的输出，使得所述第一电源或第二电源为负载供电。

2.根据权利要求1所述的储能系统，进一步包括设定负载操作时间的操作时间设定单元，其特征在于，所述电源控制单元根据所述操作时间设定单元设定的操作时间执行控制，使得所述第一电源和第二电源均为负载供电。

3.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述电源控制单元执行控制，以响应所述充电/放电判定单元所判定的蓄电池充电状态，使得第一电源为蓄电池供电；以及

所述电源控制单元执行控制，以响应所述断电监测单元所监测的断电状态，使得第一电源和第二电源均为负载供电。

4.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于：

UPS包括第一UPS和第二UPS，

所述第一UPS和第二UPS交替运行，以及

当所述第一UPS的蓄电池放电时，所述第二UPS的蓄电池充电。

5.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于：

UPS包括第一UPS和第二UPS，以及

所述第一UPS和第二UPS同时驱动且同时充电。

6.根据权利要求1所述的储能系统，进一步包括：

用于显示蓄电池状态的显示单元，以及

用于输出报警声或应急灯的报警单元，以响应所述显示单元所显示的状态。

7.包括储能系统的不间断电源(UPS)的驱动方法，所述方法包括以下步骤：

(a)由断电监测单元及充电/放电判定单元，判定商用电源单元的状态及蓄电池的充电状态，使第一电源及第二电源为负载供电，

(b)由操作时间设定单元，设定负载的峰值时间段；以及

(c)由电源控制单元，在步骤(b)设定的峰值时间段内分配第一电源和第二电源，并且将第一电源和第二电源为负载供电。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括：

由充电/放电判定单元计算蓄电池的剩余容量；以及

由电源控制单元执行控制，使得第二电源的供电是在蓄电池的必要剩余容量以外执行的，所述蓄电池的必要剩余容量需要为应急情况而保留。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括：通过电源控制单元，根据由充电/放电判定单元判定的蓄电池容量，周期性地供应第二电源。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括：显示或通知由断电监测单元及充电/放电判定单元判定的商用电源单元的状态及蓄电池的操作状态。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)至(c)由第一UPS和第二UPS重复执行。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)至(c)由第一UPS和第二UPS同时执行。