CN104704706B - 具有多个独立静态开关的ups - Google Patents

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Abstract

一种不间断电源UPS(200a，200b)，包括：框架(210)；至少一个AC输入端，其被配置为耦合到至少一个外部电源(A)；以及至少一个AC输出端，其被配置为耦合到至少一个外部负载(20a)。所述UPS还包括电力转换电路(211，212，214，213)，其具有耦合到所述至少一个AC输出端的输出端，所述电力转换电路被配置为选择性地从第一(A)和第二(10)电源提供电力。所述UPS还包括第一(215)和第二(216)静态开关，它们被配置为将所述至少一个AC输入端与所述至少一个AC输出端相耦合和去耦；以及控制电路(217)，其被配置为协作地控制所述电力转换电路以及所述第一和第二静态开关。

Description

具有多个独立静态开关的UPS
技术领域
本发明主题涉及电力转换装置和方法，更具体地说，涉及不间断电源(UPS)装置和方法。
背景技术
UPS系统通常用于诸如数据中心、医疗中心和工业设施之类的安装以提供备用电力，以便在主要设施电源出现故障时维持操作。这些UPS系统通常具有“在线”配置，其包括通过DC链路耦合的整流器和逆变器，DC链路还被耦合到诸如电池、燃料电池或其它储能装置之类的辅助电源。还可以使用其它配置，例如备用和在线交互式配置。UPS系统可以具有模块化结构，其包括两个或更多UPS模块，每个UPS模块例如可以包括整流器、逆变器和DC/DC转换器，DC/DC转换器用于与电池或其它DC电源对接。所述模块通常被设计为并行操作以便提供可伸缩的电力容量，例如，所述模块可以被共同耦合到AC电源、DC电源(例如，电池)和/或负载。
可以以各种不同的冗余配置来配置使用UPS的电源系统(例如用于数据中心应用的那些电源系统)，以便增加可靠性和可用性。各种冗余UPS布置例如在Edelen等人的第7,265,458号美国专利中描述。
如图1中所示，UPS可以用于被称为“A-B”的配置。UPS 110可以具有第一AC输入端101和第二AC输入端102，第一AC输入端101耦合到包括整流器112和逆变器114的电力转换链，第二AC输入端102耦合到充当旁路的半导体静态开关116。UPS 110还可以包括DC/DC转换器118，其在整流器112和逆变器114之间耦合到DC链路，并且被配置为耦合到电池10。
UPS 110的AC输入端101、102可以均被耦合到第一电源A。UPS 110的AC输出端103可以被耦合到单独双开关组件120的第一静态开关122。双开关组件120的第二静态开关124可以被耦合到第二AC电源B，其可以是另一个UPS。双开关组件120的输出端被耦合到关键负载130。如果电源A出现故障，则UPS 110可以从其电池提供电力。如果UPS 110出现故障，则可以经由双开关组件120的第二静态开关124，从第二电源B为负载130提供服务。
发明内容
本发明主题的某些实施例提供一种不间断电源(UPS)，所述UPS包括：框架；至少一个AC输入端，其由所述框架支持并且被配置为耦合到至少一个外部电源；以及至少一个AC输出端，其由所述框架支持并且被配置为耦合到至少一个外部负载。所述UPS还包括电力转换电路，其由所述框架支持并且具有耦合到所述至少一个AC输出端的输出端，所述电力转换电路被配置为选择性地从第一和第二电源提供电力。所述UPS还包括：第一和第二静态开关，它们由所述框架支持并且被配置为将所述至少一个AC输入端与所述至少一个AC输出端相耦合和去耦；以及控制电路，其由所述框架支持并且被配置为协作地控制所述电力转换电路以及所述第一和第二静态开关。
所述电力转换电路可以包括：整流器，其具有耦合到所述至少一个AC输入端的输入端；DC链路，其耦合到所述整流器的输出端；以及逆变器，其具有耦合到所述DC链路的输入端和耦合到所述至少一个AC输出端的输出端。在某些实施例中，所述控制电路可以被配置为同时闭合所述第一静态开关和打开所述第二静态开关，以便支持提高效率的操作模式。所述框架可以包括外壳，所述外壳包含所述电力转换电路以及所述第一和第二静态开关。
某些实施例提供一种系统，所述系统包括：多个UPS，每个UPS包括：框架；至少一个AC输入端，其由所述框架支持并且被配置为耦合到至少一个外部电源；至少一个AC输出端，其由所述框架支持并且被配置为耦合到至少一个外部负载；电力转换电路，其由所述框架支持并且具有耦合到所述至少一个AC输出端的输出端；第一和第二静态开关，它们由所述框架支持并且被配置为将所述至少一个AC输入端与所述至少一个AC输出端相耦合和去耦；以及控制电路，其由所述框架支持并且被配置为协作地控制所述电力转换电路以及所述第一和第二静态开关。所述系统还包括第一和第二AC电源，它们耦合到所述多个UPS的所述第一和第二静态开关中的相应静态开关。所述多个UPS可以包括多个第一UPS，并且所述第二AC电源可以包括至少一个第二UPS。所述多个UPS中的相应UPS可以被耦合到相应负载。
其它实施例提供一种系统，所述系统包括：UPS，所述UPS包括：框架；至少一个AC输入端，其由所述框架支持并且被配置为耦合到至少一个外部电源；至少一个AC输出端，其由所述框架支持并且被配置为耦合到至少一个外部负载；电力转换电路，其由所述框架支持并且具有耦合到所述至少一个AC输出端的输出端；第一和第二静态开关，它们由所述框架支持并且被配置为将所述至少一个AC输入端与所述至少一个AC输出端相耦合和去耦；以及控制电路，其由所述框架支持并且被配置为协作地控制所述电力转换电路以及所述第一和第二静态开关。所述系统还包括第一和第二负载，它们耦合到所述第一和第二静态开关中的相应静态开关。
在某些实施例中，所述第一静态开关可以被耦合在AC电源与所述第一负载之间，并且所述第二静态开关可以被耦合在所述第一静态开关与所述第二负载之间。在其它实施例中，所述第一静态开关可以被耦合在AC电源与所述第一负载之间，并且所述第二静态开关可以被耦合在所述AC电源与所述第二负载之间。
附图说明
图1是示出常规配电系统配置的示意图；
图2是示出根据本发明主题的某些实施例的不间断电源(UPS)的示意图；
图3-7是示出根据本发明主题的各种实施例的配电系统的示意图；
图8是示出根据某些实施例的UPS的物理配置的正视图。
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。但是，本发明主题可以以多种不同形式实现，并且不应该被解释为限于在此给出的实施例；而是，提供这些实施例以便本公开将彻底和完整，并且将向所属技术领域的技术人员完全传达本发明主题的范围。在附图中，相同的编号指相同的元件。将理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以被直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。如在此使用的，术语“和/或”包括一个或多个列出的关联项目的任何和全部组合。
在此使用的术语只是为了描述特定的实施例并且并非旨在作为本发明主题的限制。如在此使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在同样包括复数形式，除非另外明确指出。还将理解，当在此说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了声明的特性、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但是并不排除一个或多个其它特性、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组合的存在或增加。
除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本发明主题所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如在常用字典中定义的那些术语应该被解释为具有的含义与其在说明书和相关技术领域的上下文中的含义一致，并且不应该以理想化或过于正式的意义来解释，除非在此明确如此定义。
图2示出根据本发明主题的某些实施例的UPS 200。UPS 200包括框架210。框架210支持至少一个AC输入端201和至少一个AC输出端202，至少一个AC输入端201用于连接到至少一个外部AC电源，至少一个AC输出端202用于连接到至少一个外部负载。可以例如使用插入型连接器、端接条(terminal strips)、接线片(wire lugs)等提供此类连接。UPS 200还包括也由框架210支持的电力转换电路，该电力转换电路包括整流器211和逆变器212。UPS200还包括由框架210支持的DC/DC转换器213、第一静态开关215、第二静态开关216和关联的控制电路217。
整流器211被耦合到至少一个AC输入端201，并且被配置为从在至少一个AC输入端201处提供的AC电源，在DC链路214上产生DC电压。逆变器212被耦合到DC链路214和至少一个AC输出端202，并且被配置为从DC链路214上的DC电压，在至少一个AC输出端202处产生AC电压。DC/DC转换器213也被耦合到DC链路214，并且被配置为与电池10对接，电池10在此被示出为位于UPS 200的外部。在某些实施例中，DC/DC转换器213可以被省略，并且可以提供电池10与DC链路214之间的直接连接。在某些实施例中，电池10可以被包括在UPS 200中，即，可以由公共框架支持。
第一静态开关215被耦合到至少一个AC输入端201和至少一个AC输出端202，并且在控制电路217的控制下，在它们之间提供可切换路径。同样，第二静态开关216被耦合到至少一个AC输入端201和至少一个AC输出端202，并且在控制电路217的控制下，在它们之间提供可切换路径。如图所示，第一和第二静态开关215、216可以使用反并联的晶闸管(例如，可控硅整流器(SCR))实现，但将理解，第一和第二静态开关215、216可以使用其它半导体布置和/或机械开关装置实现。尽管图2的UPS 200可以针对整流器211、逆变器212以及第一和第二静态开关215、216提供相应的外部连接，但将理解，可以针对这些组件的子集提供公共外部连接。例如，整流器211和第一静态开关215可以在内部连接，以便可以针对整流器211和第一静态开关215两者使用单个外部连接。同样，逆变器212和第一静态开关215可以在内部连接，以便可以针对逆变器212和第一静态开关215两者使用单个外部连接。
控制电路217被配置为以协作方式，控制整流器211、逆变器212、DC/DC转换器213以及第一和第二静态开关215、216。例如，在整流器211、逆变器212或耦合到整流器211的AC电源出现故障时，控制电路217可以操作第一和第二静态开关215、216之一，以便为电流提供到达负载20的备选路径。控制电路217还可以操作第一和第二静态开关215、216之一，以便支持提高效率的操作模式，在该模式中，绕过整流器211和逆变器212以便将电力直接提供给负载20，并且逆变器212以备用或活动滤波器模式操作以便提供电池备用电力和/或电力调节。将理解，一般而言，控制电路217可以使用模拟电路、数字电路或其组合实现。控制电路217例如可以包括一个或多个数据处理设备(例如微处理器或微控制器)，连同用于驱动整流器211、逆变器212以及第一和第二静态开关215、216的电力转换组件的电路。
如在此描述的，UPS(例如图2的UPS 200)是作为单个单元配置的单一分立组件，而不是通过单元外部的布线(例如，松散走线的电缆或导管或电缆槽中的电缆)互连的物理上独立的单元的集合。在图2中，UPS 200被示出为包括框架210，其在概念上使用边框示出。在某些实施例中，框架210可以是支持结构，例如外壳或壳体或一组外壳，该组外壳以提供单一结构的方式结合或以其他方式附接。所述外壳或壳体可以打开、关闭，或者可以具有打开和关闭的部分和/或可以经由门或类似部件进入的部分。所述外壳或壳体可以包含诸如支柱、承轨、内部支架之类的组件，它们用于支持UPS的电子组件，例如图2的UPS 200的整流器211、逆变器212、DC/DC转换器213和其它电子组件。此类框架的一个实例在图8中示出，该图示出具有单一框架810的UPS 800，框架810包括多个柜式部分812a、812b、814、816a、816b、816c，它们结合以便形成结构单元。UPS 800用于说明目的，并且将理解，可以在某些实施例中使用其它框架布置。
图3示出根据某些实施例的示例性使用图2的UPS 200以便提供电源冗余。第一和第二UPS 200a、200b具有其整流器211和逆变器212，整流器211耦合到第一AC电源A，逆变器212耦合到相应负载20a、20b。第一UPS 200a和第二UPS 200b的第一静态开关215也被耦合到第一AC电源A，而第一UPS 200a和第二UPS 200b的第二静态开关216被耦合到第二电源B。将理解，第一静态开关215与整流器211和逆变器212之间的耦合可以在UPS 200a、200b的外部和/或内部，如上面参考图2讨论的那样。
可以操作具有静态旁路的某些UPS以便提供高效模式，其中使旁路路径闭合，从而允许电力直接从UPS输入端传递到UPS输出端而不通过整流器/逆变器链，因此减少与这些组件的操作关联的损耗。例如当AC输入端满足电力质量准则，并且整流器/逆变器链被置于备用和/或活动滤波器状态时，可以使用这种模式。在这种状态下，如果AC输入端停止满足这些电力质量准则，则可以重新接合整流器/逆变器链。这种高效操作模式的实例例如在Faria等人的第6,295,215号美国专利中描述。
沿着图3中所示的线路的布置可以尤其有利，以便提供冗余电源，同时还支持高效模式。参考图3，当以在线模式操作第一UPS 200a或第二UPS 200b时，第一和第二静态开关215、216打开。如果需要转移到高效旁路模式，则控制电路217可以闭合第一静态开关215，因此绕过整流器211和逆变器212。在该模式下，逆变器212可以沿着上面讨论的线路，以备用和/或活动滤波模式操作。第二静态开关216为控制电路217提供能力，以便在第一AC电源A出现故障时，从高效模式转变到备用第二AC电源B。因为在单个UPS中，对第一和第二静态开关215、216的控制与对整流器211和逆变器212的控制集成，所以可以更平稳和/或可靠地执行该操作，因为可能不需要与外部开关或其它下游设备的协作。
根据某些实施例的UPS还可以有利地用于隔离的冗余和其它电力系统布置。例如，如图4中所示，电力系统可以包括第一、第二和第三UPS 200a、200b、200c，每个UPS包括整流器211、逆变器212、DC/DC转换器213以及第一和第二静态开关215、216。UPS 200a、200b、200c的整流器211和第一静态开关215被耦合到第一电源A。UPS 200a、200b、200c的第二静态开关216被耦合到第四UPS 300的输出端。第四UPS 300的整流器311被配置为耦合到第一电源A，以便在整流器211和/或逆变器213或第一、第二和第三UPS 200a、200b、200c中的一个或多个出现故障时，可以经由第四UPS 300的整流器311和逆变器312以及第一、第二和第三UPS 200a、200b、200c中的受影响的一个或多个UPS的第二静态开关216传递电力。如果在采用该配置时第一电源A出现故障，则可以经由第四UPS 300的逆变器312以及第一、第二和第三UPS 200a、200b、200c中的受影响的一个或多个UPS的第二静态开关216，从与第四UPS300关联的电池提供电力。如果第四UPS 300的整流器311和/或逆变器312出现故障，则可以闭合第四UPS 300的静态开关315，从而允许电力从备用电源B传递到第一、第二和第三UPS200a、200b、200c的第二静态开关216。
将理解，根据本发明主题的某些实施例的UPS可以有利地用于其它电力系统布置，以便例如使能从单个UPS为单独负载提供电力。图5示出以下应用：其中上面参考图2讨论的第一UPS 200被耦合到第一电源A和第一负载20a。第二UPS 500被耦合到第二电源B和第二负载20b，第二UPS 500包括耦合到DC链路514的整流器511、逆变器512以及DC/DC电池转换器513。静态开关515被配置为绕过整流器511和逆变器512。第二电源B被耦合到整流器511和静态开关515，并且第二负载20b被耦合到逆变器512和静态开关515。
第一UPS 200的整流器211被耦合到第一电源A，而逆变器212被耦合到第一负载20a。第一UPS 200的第一静态开关215被耦合到第一电源A，并且被耦合到第一负载20a和第一UPS 200的第二静态开关216。第一UPS 200的第二静态开关216也被耦合到第二负载20b。该布置允许第一UPS 200经由第二静态开关216，从逆变器212或第一电源A为第二负载20b提供电力。第二静态开关216还可以用于从第二UPS 500，即，从逆变器512或经由静态开关515，为第一负载20a提供电力。
图6示出UPS 200沿着上面参考图2讨论的线路的进一步应用。整流器211被耦合到电源A，而逆变器212被耦合到第一负载20a。第一静态开关215被连接在电源A与第一负载20a之间，而第二静态开关216被耦合在电源A与第二负载20b之间。第一负载20a例如可以是需要UPS冗余的关键负载，而第二负载20b例如可以是不需要UPS保护的非关键负载。
图7示出UPS 200沿着上面参考图2讨论的线路的另一个应用。整流器211被耦合到电源A，而逆变器212被耦合到第一负载20a。第一静态开关215被耦合在电源A与第一负载20a之间。第二静态开关216被耦合在逆变器212和第一静态开关215与第二负载20b之间。在某些情况下，例如当UPS 200以在线和/或电池模式操作并且没有足够的容量为第一负载20a和第二负载20b两者供电时，该布置可以允许去除第二负载20b。
将理解，图3-7的电力系统布置用于例示目的，并且可以以其它方式使用根据其它实施例的UPS。
在附图和说明书中，公开了本发明主题的示例性实施例。尽管采用了特定的术语，但它们仅用于一般和描述意义而不用于限制，本发明主题的范围由以下权利要求限定。

Claims (12)

1.一种不间断电源，包括：
框架，其是所述不间断电源的支持结构；
第一，第二和第三AC输入端，其由所述框架支持并且可分别和独立地耦合到不同的电源；
第一，第二和第三AC输出端，其由所述框架支持并且可分别耦合到不同的负载；
电力转换电路，其由所述框架支持并且具有耦合到所述第一AC输出端的输出端，所述电力转换电路耦合到所述第一AC输入端并且被配置为向所述第一AC输出端提供电力；
第一静态开关，由所述框架支持并且被配置为选择性地将所述第二AC输入端耦合到所述第二AC输出端；
第二静态开关，由所述框架支持并且被配置为选择性地将所述第三AC输入端耦合到所述第三AC输出端；
控制电路，其由所述框架支持并且被配置为协作地控制所述电力转换电路以及所述第一和第二静态开关；
其中，所述不间断电源是作为单个单元配置的单一分离组件，使得所述电力转换电路，所述第一和第二静态开关，以及所述控制电路被容纳在单个外壳中。
2.根据权利要求1所述的不间断电源，其中所述电力转换电路包括：
整流器，其具有耦合到所述第一AC输入端的输入端；
DC链路，其耦合到所述整流器的输出端；以及
逆变器，其具有耦合到所述DC链路的输入端和耦合到所述第一AC输出端的输出端。
3.根据权利要求2所述的不间断电源，其中所述控制电路被配置为同时闭合所述第一静态开关和打开所述第二静态开关，以便支持提高效率的操作模式，其中，所述电力转换电路被旁路。
4.一种不间断电源系统，包括：
多个不间断电源，每个不间断电源包括：
框架，其是所述不间断电源的支持结构；
第一，第二和第三AC输入端，其由所述框架支持并且可分别和独立地耦合到不同的电源；第一，第二和第三AC输出端，其由所述框架支持并且可分别耦合到不同的负载；
电力转换电路，其由所述框架支持并且具有耦合到所述第一AC输出端的输出端；
第一静态开关，由所述框架支持并且被配置为选择性地将所述第二AC输入端耦合到所述第二AC输出端；
第二静态开关，由所述框架支持并且被配置为选择性地将所述第三AC输入端耦合到所述第三AC输出端；以及
控制电路，其由所述框架支持并且被配置为协作地控制所述电力转换电路以及所述第一和第二静态开关；以及
第一和第二AC电源，它们耦合到所述多个不间断电源的所述第一和第二静态开关中的相应静态开关；
其中，所述不间断电源是作为单个单元配置的单一分离组件；并且，
其中，所述框架包括外壳，在所述外壳中设置所述电力转换电路，所述第一和第二静态开关，以及所述控制电路。
5.根据权利要求4所述的不间断电源系统，其中所述多个不间断电源包括多个第一不间断电源，并且其中所述第二AC电源包括至少一个第二不间断电源。
6.根据权利要求4所述的不间断电源系统，其中所述多个不间断电源中的相应不间断电源被耦合到相应负载。
7.根据权利要求4所述的不间断电源系统，其中所述电力转换电路包括：
整流器，其具有耦合到所述第一AC输入端的输入端；
DC链路，其耦合到所述整流器的输出端；以及
逆变器，其具有耦合到所述DC链路的输入端和耦合到所述第一AC输出端的输出端。
8.根据权利要求7所述的不间断电源系统，其中所述控制电路被配置为同时闭合所述第一静态开关和打开所述第二静态开关，以便支持提高效率的操作模式，其中，所述逆变器和所述整流器被旁路。
9.一种不间断电源系统，包括：
不间断电源，其包括：
框架，其是所述不间断电源的支持结构；
第一，第二和第三AC输入端，其由所述框架支持并且可分别和独立地耦合到不同的电源；
第一，第二和第三AC输出端，其由所述框架支持并且可分别耦合到不同的负载；
电力转换电路，其由所述框架支持并且具有耦合到所述第一AC输出端的输出端；
第一静态开关，由所述框架支持并且被配置为选择性地将所述第二AC输入端耦合到所述第二AC输出端；
第二静态开关，由所述框架支持并且被配置为选择性地将所述第三AC输入端耦合到所述第三AC输出端；以及
控制电路，其由所述框架支持并且被配置为协作地控制所述电力转换电路以及所述第一和第二静态开关；以及
第一和第二负载，它们耦合到所述第一和第二静态开关中的相应静态开关；
其中，所述不间断电源是作为单个单元配置的单一分离组件；并且，
其中，所述框架包括外壳，在所述外壳中设置所述电力转换电路以及所述第一和第二静态开关。
10.根据权利要求9所述的不间断电源系统：
其中所述第一静态开关被耦合在AC电源与所述第一负载之间；以及
其中所述第二静态开关被耦合在所述第一静态开关与所述第二负载之间。
11.根据权利要求9所述的不间断电源系统：
其中所述第一静态开关被耦合在AC电源与所述第一负载之间；以及
其中所述第二静态开关被耦合在所述AC电源与所述第二负载之间。
12.根据权利要求9所述的不间断电源系统，其中所述电力转换电路包括：
整流器，其具有耦合到所述第一AC输入端的输入端；
DC链路，其耦合到所述整流器的输出端；以及
逆变器，其具有耦合到所述DC链路的输入端和耦合到所述第一AC输出端的输出端。
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