CN104701969A - 不间断电源和不间断电源系统 - Google Patents

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S.科隆比
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    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially

Abstract

本发明公开一种用于不间断电源(UPS)的方法和系统。所述UPS包括三相高功率变压器、配置用于调节/产生一组DC链路电压的有源/无源整流器，以及配置用于使用所述DC链路电压产生AC电压的一组级联逆变器。所述UPS还包括一组双向电池转换器，所述一组双向电池转换器配置用于当来自AC主电源的电力可用时使备用电池组充电，并且当所述AC主电源电压落在预定范围之外时，使所述备用电池组放电以产生三相AC电压。所述UPS进一步包括旁路开关，所述旁路开关配置用于当所述UPS处于旁路操作模式时将所述AC主电源直接电联接至负载，并且通过所述一组双向电池转换器和所述变压器将所述备用电池组电联接至所述负载。

Description

不间断电源和不间断电源系统
技术领域
本发明涉及电源，并且更具体地，涉及用于中压电池备用不间断电源的方法和系统。
背景技术
不间断电源(UPS)用于许多应用中，如用于数据中心和医院中来向负载提供优质电力，即使当AC主电源电压中存在停机或故障时也没有任何中断。随着数据中心的大小增加，通过低电压(例如，480V)UPS为关键负载供电是一个挑战，因为随着在此相对低电压下电力需求的提高，电流量值显著增大，甚至达到低电压开关设备的极限。以相对较高电压如中压(例如，4.16kV或13.8kV)处理所需电力允许UPS的载流要求降低。因此，UPS(例如，4.16kV或13.8kV)中的中压转换就提高操作效率和降低布线成本而言具有优点。另外，开关部件如绝缘栅双极晶体管(IGBT)会随着时间的推移在邻近额定电压和电流处退化。以低电流操作高电压额定IGBT还可改善UPS中部件的可靠性。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种不间断电源(UPS)，所述不间断电源(UPS)配置用于使用电串联联接的多个电力模块以相对中等电压供应相对高功率，所述UPS包括：三相高功率变压器；有源/无源整流器，配置用于执行调节一组DC链路电压和产生一组DC链路电压中的至少一种；一组级联逆变器，配置用于使用所述DC链路电压产生高交流(AC)电压；一组双向电池转换器，配置用于：当来自AC主电源的电力可用时，使备用电池组充电；并且当所述AC主电源电压落在预定电压范围之外时，使所述备用电池组放电，以便在所述三相高功率变压器的端子处产生三相AC电压；以及旁路开关，配置用于：当所述UPS处于旁路操作模式时，将所述AC主电源直接电联接至负载；并且通过所述一组双向电池转换器和所述变压器将所述备用电池组电联接至所述负载。
进一步的，所述UPS是双转换类型UPS。
进一步的，所述一组级联逆变器包括每相多个级联逆变器。
进一步的，所述一组级联逆变器包括一组级联中性点钳位(NPC)逆变器。
进一步的，所述备用电池组包括单个备用电池组和多个备用电池组中的至少一种。
进一步的，所述旁路开关配置用于通过所述一组双向电池转换器和所述变压器的初级绕组将所述备用电池组电联接至所述负载。
进一步的，所述旁路开关配置用于通过所述一组双向电池转换器和所述三个多绕组变压器中的每个的初级绕组将所述备用电池组电联接至所述负载。
根据本发明的另一个方面，提供一种不间断电源(UPS)系统，包括：包括AC主电源开关的AC主电源，所述AC主电源配置用于执行通过旁路开关向负载供应电力和通过双转换UPS向所述负载供应电力中的至少一种，所述AC主电源开关和所述旁路开关的位置组合限定所述UPS系统的操作模式，其中：当两个开关均闭合时，所述UPS系统处于旁路操作模式，当所述AC主电源开关断开并且所述旁路开关断开或闭合时，所述UPS系统处于电池操作模式；并且当所述AC主电源开关闭合并且所述旁路开关断开时，所述UPS系统处于正常操作模式；一种不间断电源(UPS)，包括：三相高功率变压器；整流器，配置用于产生和调节一组DC链路电压；一组级联逆变器，配置用于使用所述DC链路电压产生高交流(AC)电压；以及一组双向电池转换器，配置用于：当来自AC主电源的电力可用时，使备用电池组充电；并且当所述AC主电源电压超过预定阈值范围时，使所述备用电池组放电，以便在所述三相高功率变压器的端子处产生三相AC电压。
进一步的，所述旁路开关配置用于：当所述UPS处于旁路操作模式时，将所述AC主电源直接电联接至负载；并且通过所述一组双向电池转换器和所述变压器将所述备用电池组电联接至所述负载。
进一步的，所述旁路开关配置用于通过所述一组双向电池转换器和所述变压器的初级绕组将所述备用电池组电联接至所述负载。
根据本发明的又一个方面，提供一种操作不间断电源(UPS)系统的方法包括为UPS选择正常操作模式、电池操作模式和旁路操作模式中的一种，其中在所述正常操作模式中，所述方法包括通过所述UPS的整流器和一组逆变器将来自AC主电源的电力供应至负载，并且使用作为有源整流器操作的电池转换器来维持备用电池组上的电荷。在所述电池操作模式中，所述方法包括通过UPS的整流器和一组逆变器将来自备用电池组的电力通过双向电池转换器供应至负载。在所述旁路操作模式中，所述方法包括通过旁路开关将来自AC主电源的电力直接供应至负载。
附图说明
图1至图6示出本说明书中所描述的方法和装置的示例实施例。
图1是基于三相高功率变压器的中压不间断电源(MV-UPS)系统的示意图。
图2是根据本发明的示例实施例的在正常操作模式下通过UPS系统的功率流的示意图。
图3是根据本发明的示例实施例的在旁路操作模式下通过UPS系统的功率流的示意图。
图4是根据本发明的示例实施例的在电池操作模式下通过UPS系统的功率流的示意图。
图5是根据本发明的示例实施例的在反馈操作模式下通过UPS系统的功率流的示意图。
图6是根据本发明的示例实施例的UPS系统的替代实施例的示意图。
尽管各种实施例的具体特征可能在某些附图中进行了显示，但并未在其他附图中显示，这仅仅是出于方便的考量。任何附图的任何特征可参考任何其他附图的任何特征和/或结合任何其他附图的任何特征要求保护。
除非另作说明，否则本说明书中提供的附图用于示出本发明实施例的特征。可以相信这些特征适用于包括本发明一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意图包括所属领域中的普通技术人员已知的实施本说明书中公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
以下详细描述通过举例的方式而不是通过限制的方式说明本发明的实施例。可设想，本发明一般应用于在工业、商业和住宅应用中提供增强可用性的电力的实施例。
本说明书中描述基于三相高功率变压器的中压(MV)不间断电源(UPS)系统的实施例。在各种实施例中，所述UPS系统包括调节一组DC链路电压的有源或无源整流器、使用所述DC链路电压并产生高AC电压的一组级联中性点钳位(NPC)逆变器、用于当AC主电源存在时使电池组充电并且当AC主电源电压低或接近零时使电池组放电并在变压器端子处产生三相AC电压的一组双向电池转换器。在本发明的实施例中，电池组可为单个电池组或多个组。所述UPS系统进一步包括旁路开关，所述旁路开关在UPS处于旁路模式时将AC主电源直接连接至负载。在操作中，UPS的操作模式可由使用者手动地或通过以下方式自动地选择：例如但不限于，控制器、保护设备或计算机实现的控制系统。
当处于正常操作模式并且AC主电源电压是标称的(nominal)时，UPS在双转换模式下操作。整流器从AC主电源汲取功率并调节DC链路电压。NPC逆变器被这样控制，以使得它们在其端子处产生调节后(regulated，为“经过调节的”含义)三相AC电压，不管施加到所述端子的是平衡或不平衡的线性或非线性负载。控制电池转换器来使电池组充电。
当处于电池操作模式并且AC主电源电压不是标称的时，UPS转变至电池操作模式。在此操作期间，主电源断路器断开，电池转换器被控制成作为逆变器操作并且它们在变压器的端子处产生标称调节后AC电压。在此操作期间，电池转换器之一作为主逆变器操作，并且其他转换器作为将功率或电流推动至由所述主逆变器产生的AC电压的从逆变器进行操作。
当处于旁路操作模式并且主逆变器106或整流器102发生故障或由于计划维护被保护起来时，UPS转变至旁路操作模式。AC主电源断路器(CB)接通。旁路开关(通过任何手段来实现，例如，半导体器件、机电器件)接通。整流器和逆变器切断(无选通脉冲(gate pulse))并且负载隔离器开关关断。负载直接由AC主电源供电。
电池操作模式具有额外的自由度。在电池操作模式期间，代替通过整流器和逆变器为负载供电，可直接通过旁路开关将电力引导至负载。这具有以下优点：(a)由于在电池模式中功率处理级的数量减少，因此相同大小的电池可提供延长的备用时间，以及(b)当主整流器/逆变器发生故障时，所述操作提供冗余。可注意到，在这种操作期间，至整流器和逆变器的选通脉冲关断(类似于旁路操作)并且隔离器关断以避免使整流器/逆变器通电。
当主逆变器发生故障时，仍可维持负载功率，从而提供额外的操作冗余并且提高可用性。在电池操作模式期间，由于功率处理级的数量从三个(电池转换器+整流器+逆变器)减少至一个(电池转换器+旁路)时，因此电力向负载的传递更为高效。这为相同大小的电池组提供了额外的负载备用时间。
本说明书中所描述的MV-UPS的一个技术优点在于它改进了UPS中的冗余，这有利于主整流器/逆变器模块故障状况期间的继续操作，因为旁路开关使得有可能隔离发生故障的主整流器/逆变器而不中断至负载的电力。MV-UPS还提高了效率，因为使用电池操作模式避免了多转换级，并且对于相同的电池组，电池模式可增加提供给负载的备用时间。
以下描述参考附图，其中，在没有相反表示的情况下，不同附图中的相同数字代表相似的元素。
图1是基于三相高功率变压器的中压不间断电源(MV-UPS)系统100的示意图。在所述示例实施例中，UPS系统100包括以电串联级联的多个低电压低功率模块。UPS系统100还包括产生和调节一组DC电压链路104的有源或无源整流器102。当使用有源整流器时，调节DC电压链路104以应对线路和负载变化。在各种实施例中，有源或无源整流器102可在例如但不限于闸流管、脉冲有源整流器和二极管中具体化。
一组串联级联的中性点钳位(NPC)逆变器106使用DC链路电压来产生高AC电压以供输出至负载108。一组双向电池转换器110配置用于当来自AC主电源114通过AC主电源断路器116供应的电力在可允许标称范围之内时，使相应电池组112充电，并且当AC主电源114电压在所述可允许阈值范围之外时，使电池组112放电以在变压器118的端子处产生三相AC电压。电池组112可为单个电池组或多个组。定位在变压器118与整流器102之间的隔离器和熔丝器件120提供隔离功能以及针对逆变器模块122输入的过电流保护。每个逆变器模块122包括DC链路104和逆变器106。当UPS系统100处于旁路模式时，旁路开关124将AC主电源直接连接至负载。负载隔离器和熔丝器件126隔离并保护负载108免受电故障损坏。
图2是根据本发明的示例实施例的在正常操作模式下通过UPS系统100的功率流的示意图。在正常操作模式下，UPS系统100在双转换模式下操作，AC主电源断路器116闭合并且旁路开关124断开。来自AC主电源114的电力通过AC主电源断路器116流至每个变压器118。在所述示例实施例中，变压器118将电力分配至相应电池转换器110和相应隔离器和熔丝器件120。电池转换器110维持相应电池上的电荷，并且隔离器和熔丝器件120保护有源整流器102和逆变器模块122的输入。整流器102向DC链路104供应DC电力，逆变器106使用所述DC电力产生高电压AC电力而用于负载108。
在正常操作模式下，输出电压、频率和相位被控制为几乎等于AC主电源电压、频率和相位，以使得UPS系统100可转变至旁路操作模式进行维护而不会影响负载108。在另一个实施例中，输出电压被控制为预定可编程值并且只有输出频率和相位被控制为近似等于AC主电源频率和相位。
图3是根据本发明的示例实施例的在旁路操作模式下通过UPS系统100的功率流的示意图。当隔离器和熔丝器件120、有源整流器102、逆变器模块122或变压器118中任一个发生故障或由于计划维护被保护起来时，UPS系统100转变至旁路操作模式。AC主电源CB 116闭合。可使用半导体器件实现的旁路开关124接通。有源整流器102和逆变器106切断(无选通脉冲)，并且可具体化为电路断路器的负载隔离器和熔丝器件126关断。在旁路操作模式期间，负载108直接由AC主电源114供电。
图4是根据本发明的示例实施例的在电池操作模式下通过UPS系统100的功率流的示意图。当AC主电源114的电压在允许范围之外时，UPS系统100转变至电池操作模式。在电池模式期间，AC主电源CB 116断开，电池转换器110被控制成作为逆变器操作并且配置用于在变压器118的端子处产生标称调节后AC电压。当如图4中所示使用多个变压器和电池转换器时，在电池模式期间，电池转换器110之一作为主导相应变压器118处的电压的主逆变器进行操作，并且其他电池转换器110作为将功率或电流推动至由所述主逆变器产生的AC电压的从逆变器进行操作。整流器102向DC链路104供应DC电力，逆变器106使用所述DC电力产生高电压AC电力而用于负载108。
图5是根据本发明的示例实施例的在反馈操作模式下通过UPS系统100的功率流的示意图。当AC主电源114的电压在可允许范围之外并且例如隔离器和熔丝器件120、整流器102、DC链路104或逆变器106中任一UPS部件不工作时，UPS系统100可转变至反馈操作模式。在反馈模式期间，AC主电源CB 116断开并且旁路124闭合或导通。电池转换器110被控制成作为逆变器操作并且配置用于在变压器118的端子处产生标称调节后AC电压。电池转换器110之一可作为主导相应变压器118处电压的主逆变器进行操作，并且其他电池转换器110可作为将功率或电流推动至由主逆变器产生的AC电压的从逆变器进行操作。整流器102、DC链路104和逆变器106切断(无选通脉冲)，并且负载隔离器和熔丝器件126关断。在反馈操作模式中，负载108是通过电池转换器110和变压器118从电池112直接供电。
图6是根据本发明的示例实施例的UPS系统600的替代实施例的示意图。在所述示例实施例中，UPS系统600包括单个-多绕组变压器602，所述变压器602在第一初级绕组606处从AC主电源604接收AC电力，或在第二初级绕组610处从电池供电子系统608接收AC电力。至负载612的电力可从逆变器组件614供应或通过旁路开关组件616从AC主电源604直接供应。每个次级绕组618联接至逆变器组件614的单独列(train)620。在所述示例实施例中，逆变器组件614包括六列620，每列包括三相二极管桥式整流器622、DC链路624和级联H桥式逆变器626。
在操作期间，UPS系统600在以下方面基本类似于UPS系统100进行操作：至负载612的电力可来自AC主电源604或当AC主电源604不可用时可来自电池供电子系统608。电力被引导通过变压器602和逆变器组件614。至负载612的电力也可通过旁路开关组件616来自AC主电源604。
此外，电力可从电池供电子系统608通过第二初级绕组610、第一初级绕组606和旁路开关组件616供应至负载612。在这种模式下，逆变器组件614和AC主电源604被保护起来和/或隔离开来。
以上描述的供电方法和不间断供电系统的实施例提供了一种用于提高所述不间断系统的可靠性、可用性和效率的具有成本效益且可靠的手段。更具体地，本说明书中所描述的方法和系统有利于通过可基于UPS部件的可用性和/或健康状况而选择的多个路径而向负载输送电力。此外，上述方法和系统有利于提高UPS系统在电池操作模式期间的效率，以便延长在AC主电源不可用时的时间段期间的电池寿命。因此，本说明书中所描述的方法和系统有利于以具有成本效益且可靠的方式向负载提供电力。
本说明书使用各个实例来描述本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种不间断电源(UPS)(100)，所述不间断电源(UPS)(100)配置用于使用电串联联接的多个电力模块(122)以相对中等电压供应相对高功率，所述UPS包括：
三相高功率变压器(118)；
有源/无源整流器(102)，配置用于执行调节一组DC链路(104)电压和产生一组DC链路(104)电压中的至少一种；
一组级联逆变器(106)，配置用于使用所述DC链路电压产生高交流(AC)电压；
一组双向电池转换器(110)，配置用于：
当来自AC主电源(114)的电力可用时，使备用电池组(112)充电；并且
当所述AC主电源电压落在预定电压范围之外时，使所述备用电池组放电，以便在所述三相高功率变压器的端子处产生三相AC电压；以及
旁路开关(124)，配置用于：
当所述UPS处于旁路操作模式时，将所述AC主电源直接电联接至负载(108)；并且
通过所述一组双向电池转换器和所述变压器将所述备用电池组电联接至所述负载。
2.如权利要求1所述的UPS，其中所述UPS(100)是双转换类型UPS。
3.如权利要求1所述的UPS，其中所述一组级联逆变器(106)包括每相多个级联逆变器。
4.如权利要求1所述的UPS，其中所述一组级联逆变器(106)包括一组级联中性点钳位(NPC)逆变器。
5.如权利要求1所述的UPS，其中所述备用电池组(112)包括单个备用电池组和多个备用电池组中的至少一种。
6.如权利要求1所述的UPS，其中所述旁路开关(124)配置用于通过所述一组双向电池转换器(110)和所述变压器(118)的初级绕组将所述备用电池组(112)电联接至所述负载(108)。
7.如权利要求1所述的UPS，其中所述旁路开关(124)配置用于通过所述一组双向电池转换器(110)和所述三个多绕组变压器(118)中的每个的初级绕组将所述备用电池组(112)电联接至所述负载(108)。
8.一种不间断电源(UPS)系统(100)，包括：
包括AC主电源开关(116)的AC主电源(114)，所述AC主电源配置用于执行通过旁路开关(124)向负载(108)供应电力和通过双转换UPS向所述负载(108)供应电力中的至少一种，所述AC主电源开关和所述旁路开关的位置组合限定所述UPS系统的操作模式，其中：
当两个开关均闭合时，所述UPS系统处于旁路操作模式，
当所述AC主电源开关断开并且所述旁路开关断开或闭合时，所述UPS系统处于电池操作模式；并且
当所述AC主电源开关闭合并且所述旁路开关断开时，所述UPS系统处于正常操作模式；
一种不间断电源(UPS)(100)，包括：
三相高功率变压器(118)；
整流器(102)，配置用于产生和调节一组DC链路电压；
一组级联逆变器(106)，配置用于使用所述DC链路电压产生高交流(AC)电压；以及
一组双向电池转换器(110)，配置用于：
当来自AC主电源(114)的电力可用时，使备用电池组(112)充电；并且
当所述AC主电源电压超过预定阈值范围时，使所述备用电池组放电，以便在所述三相高功率变压器(118)的端子处产生三相AC电压。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述旁路开关(124)配置用于：
当所述UPS处于旁路操作模式时，将所述AC主电源(114)直接电联接至负载(108)；并且
通过所述一组双向电池转换器(110)和所述变压器(118)将所述备用电池组(112)电联接至所述负载。
10.如权利要求8所述的UPS系统(100)，其中所述旁路开关(124)配置用于通过所述一组双向电池转换器(110)和所述变压器(118)的初级绕组将所述备用电池组(112)电联接至所述负载(108)。
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