CN104737413B - 利用模式相关接地的ups系统与方法 - Google Patents

Abstract

UPS系统包括逆变器电路，该逆变器电路具有耦接到DC连接的输入和被配置成耦接到负载的输出；和联动开关(例如，接触器)，该联动开关被配置成将DC连接耦接到DC电源并且将DC连接从DC电源解耦，以及将逆变器电路的中性点耦接到接地节点并且将逆变器电路的中性点从接地节点解耦。联动开关可被配置为当DC连接耦接到DC电源时将中性点耦接到接地节点，以及当DC连接从DC电源解耦时将中性点从接地节点解耦。

Description

利用模式相关接地的UPS系统与方法

技术领域

本发明主题涉及电力转换设备及方法，并且更特别地涉及不间断电源(UPS)设备及方法。

背景技术

UPS系统通常在诸如数据中心，医疗中心和工业设施的设施中使用。可在这样的设施中使用UPS系统以在主公用电源故障的情况下提供备用电源来维持运行。这些UPS系统通常具有包括整流器和由DC连接耦接的逆变器的“在线”配置，该DC连接还耦接到诸如电池，燃料电池或其他能量存储装置的辅助电源。同样可以使用诸如待机和在线互动式配置的其它配置。UPS系统可具有包括两个或多个UPS模块的模块结构，每一个UPS模块例如可包括整流器，逆变器和DC/DC转换器以便连接到电池或其他DC电源。模块通常被设计为并联运行以提供可扩展的功率容量，例如，模块可共同耦接到AC电源，DC电源(例如电池)和/或负载。

电力质量通常是电力用户，特别是诸如数据中心应用的与关键电力应用相关的那些电力应用的关注点。数据中心应用在传统上使用大的基于变压器的UPS系统。然而，与基于变压器的设计相关联的增加能量成本、高实际产业成本和环境问题已经促使无变压器设计的发展。在基于变压器和无变压器的UPS设计中所使用技术的区别在诸如使用三线服务应用的特定应用中是关注点。

诸如9395Power Xpert^TM UPS的传统无变压器UPS，可包括被配置为耦接到AC源和降压逆变器的升压整流器，该降压逆变器通过DC总线耦接到整流器输出并且为负载产生AC输出。该布置允许没有输出变压器运行。单独的DC/DC转换器可将电池连接到DC总线，并且调节来自电池的DC电压变化。可使用额外的转换器以通过将零序调整到与三个输出相位之和的三分之一相等来生成中性点。

UPS可从参考接地的电源，诸如具有其中性点结合到地的Y形次级的源变压器来馈送。由于UPS输出与输入源共享相同的参考平面，因此当UPS从输入源向负载提供电力时，UPS输出中性点的接地可能不是必需的。然而，如果由于例如公用电力丧失而移除UPS输入源，则逆变器可从未接地电池源供电。这可允许UPS关于接地输出到“浮动”。

可能并不期望具有未接地输出的无变压器UPS的运行。NEC不兼容问题及投诉对于用户或系统设计者可产生一定级别的不确定性。当无变压器UPS在电池模式下运行时，未接地输出可响应于可导致某些不期望的系统冲突的输出响应于相对地故障而不跳闸下游的过电流保护装置。例如，如果在电力复位后故障依旧存在，下游断路器可能似乎无预警地跳闸。未接地输出也可引起关于过电压条件的关注，因为其提高了输出三相电压空间可移位或从接地离开到可威胁额定电压不是该电压的下游器件的级别的可能性。这些关注的问题一般与基于变压器的UPS无关，因此用户和/或顾问可能对使用无变压器UPS有顾虑。

用于避免使用无变压器UPS的该问题的方法是从输入源到无变压器UPS的逆变器中性点运行中性导体，因而无论在线或电池供电时使UPS输出为接地系统。此方案可在大多数运行条件下提供可接受的结果，但可能承担与在相对长的距离上运行额外中性导体相关联的巨大安装费用。

发明内容

本发明主题的一些实施例提出一种包括逆变器电路的UPS系统，该逆变器电路具有耦接到DC连接的输入和被配置为耦接到负载的输出。系统进一步包括联动开关，该联动开关被配置为将DC连接耦接到DC电源并且将逆变器电路的中性点耦接到接地节点，以及将DC连接从DC电源解耦并且将逆变器电路的中性点从接地节点解耦。此联动开关可被配置为当DC连接耦接到DC电源时，将中性点耦接到接地节点，并且当从DC电源解耦DC连接时，将中性点从接地节点解耦。

在一些实施例中，联动开关可包括接触器，该接触器具有第一组触点和第二组触点，该第一组触点被配置成将DC连接耦接到DC电源并且将DC连接从DC电源解耦，该第二组触点被配置成将中性点耦接到接地节点并且将中性点从接地节点解耦。第二组触点可被配置为经由电阻器将中性点耦接到接地节点。第二组触点可被配置成经由电路保护装置将中性点耦接到接地节点。

进一步的实施例提出一种UPS系统，该UPS系统包括具有被配置成耦接到AC电源的输入的整流器电路，耦接到整流器电路的输出的DC连接，以及具有耦接到DC连接的输入和被配置为耦接到外部负载的输出的逆变器电路。该系统进一步包括接触器，该接触器被配置为当DC连接被耦接到DC电源时将逆变器电路的中性点耦接到本地接地，并且当将DC连接从DC电源解耦时将中性点从本地接地解耦。

在一些实施例中，接触器可包括第一组触点和第二组触点，该第一组触点被配置为将DC连接耦接到DC电源并且将DC连接从DC电源解耦，该第二组触点被配置为将中性点耦接到本地接地并且将中性点从本地接地解耦。在一些实施例中，第二组触点可被配置成经由电阻器将中性点耦接到接地节点。在一些实施例中，第二组触点可被配置为经由电路保护装置将逆变器的中性点耦接到接地节点。

在更进一步的实施例中，UPS系统包括共同耦接到AC电源，DC电源和负载的第一和第二UPS单元。第一和第二UPS单元中的至少一个被配置为当第一和第二UPS单元将电力从DC电源传输到负载时将其中性点耦接到本地接地，以及当第一和第二UPS单元将电力从AC源传输到负载时将中性点从本地接地解耦。

第一和第二UPS单元可包括共同相连的DC连接。第一UPS单元可被配置为当第一和第二UPS单元将电力从DC电源传输到负载时将中性点耦接到本地接地，并且当第一和第二UPS单元将电力从AC源传输到负载时将其DC连接从DC源解耦。第二UPS单元可被配置为当第一和第二UPS单元将电力从AC源传输到负载时将其DC连接耦接到DC源。第二UPS单元可被配置为当第一和第二UPS单元将电力从AC源传输到负载时对DC电源充电。

第一UPS单元可包括整流器电路、DC连接、逆变器电路以及接触器，该整流器电路具有被配置成耦接到AC电源的输入，该DC连接耦接到整流器电路的输出，该逆变器电路具有耦接到DC连接的输入和被配置为耦接到外部负载的输出，该接触器被配置为当DC连接耦接到DC电源时将逆变器电路的中性点耦接到本地接地，以及当DC连接从DC电源解耦时将由中性点从本地接地解耦。接触器可包括第一组触点和第二组触点，该第一组触点被配置成将DC连接耦接到DC电源并且将DC连接从DC电源解耦，该第二组触点被配置成将逆变器电路的中性点耦接到本地接地并且将逆变器电路的中性点从本地接地解耦。第二组触点可被配置为经由电阻器将逆变器电路的中性点耦接到接地节点。第二组触点可被配置为经由电路保护装置被配置成将逆变器电路的中性点耦接到接地节点。第一和第二UPS单元可无需使用输出隔离变压器而被耦接到负载。

附图说明

图1-4是示出根据本发明主题的各种实施例的UPS系统的原理图。

图5是示出根据本发明主题的进一步实施例的模块UPS系统的原理图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明主题的具体示例性实施例。然而，本发明主题可以许多不同的形式实施并且不应被解释为限于在本文中陈述的实施例；相反，提供这些实施例以使本公开透彻和完整，并且将向本领域技术人员全部传达发明主题的范围。在附图中，相同的数字指示相同的元件。将理解的是，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，它可直接的连接或耦接到其它元件或可存在中介元件。此处使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目中的任意和所有组合。

此处使用的术语的目的在于仅描述特定实施例而非限制发明主题。如此处使用的，除非另外明确陈述，单数形式的“一”、“一个”和“所述”旨在同样包括复数形式。将进一步理解的是，术语“包括”，“包含”当在本说明书中使用时，特指所述功能，整数，步骤，操作，元件和/或部分的存在，但不排除一个或多个其它功能，整数，步骤，操作，元件，部件和/或其组合的存在或附加。

除非另外定义，在本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明主题所属领域的普通技术人员的普遍理解的相同意义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的术语应当被理解为具有与说明书的上下文中及相关领域中它们的意义一致的意义，并且除非在本文中明确定义，将不能以理想化或过度正式的形式来理解。

图1示出根据本发明主题的一些实施的UPS系统100。UPS系统100包括整流器电路110和通过DC连接115耦接的逆变器电路120。整流器电路110被配置成耦接到诸如主公共电力的AC电源。逆变器电路120被配置成使用三线连接耦接到负载20。如所示出的，附加接地导体可从负载20穿到UPS系统100的本地接地。UPS系统100进一步包括DC/DC转换器电路130，其被配置成将电池10通过接口接合到DC连接115以在耦接到整流器电路110的AC电源故障的情况下提供辅助电力。系统100同样包括联动开关140，其被配置成将电池10耦接到DC/DC转换器电路130并且将电池10从DC/DC转换器电路解耦。控制电路150控制整流器电路110，逆变器电路120，DC/DC转换器电路130以及联动开关140。

根据一些实施例，联动开关140同样被配置成将逆变器电路120的中性点N耦接到UPS系统100的本地接地并且将逆变器电路120的中性点N从UPS系统100的本地接地解耦以与电池10到DC/DC转换器电路130的连接同步。通常，中性点N是针对由逆变器电路120产生的相电压定义或另外提供中性参考的节点。例如在一些实施例中，中性点N可由针对逆变器电路120的相位输出的输出电容的公共连接提供，该中性连接点提供相电压调节的参考。在一些实施例中，中性点可以是“合成的”或可用于相似相电压参考功能的其他中性参考。合成的或其它中性参考例如在Tracy等人的美国专利No.7,088,061中讨论，其整体内容通过引用并入本文。

联动开关140被配置为使得当电池10连接到DC/DC转换器电路130时将逆变器中性点N连接到本地接地。当电池10与DC/DC转换器电路130断开时，将逆变器中性点N从本地接地解耦。以这种方式，当UPS系统100以其中UPS输出可能潜在浮动的电池供电模式运行时，逆变器电路120的相输出以UPS系统100处的本地接地为参考，以防止逆变器电路120的相输出相对于接地而浮动。当UPS系统100以正常模式运行时，将从耦接到整流器电路110的AC源接收电力，该到本地接地的连接断开，因为逆变器电路120的相输出通过经由逆变器电路120和整流电路110到AC源的连接以接地为参考。

参考图2，根据一些实施例，沿着在图1中示出的线的接地布置可使用包含三组触点A，B，C的接触器140’实现。第一和第二组触点A，B用于将电池10连接到DC/DC转换器电路130，同时第三组触点C用于提供逆变器中性点N的选择性本地接地连接。由于相对简化和控制鲁棒性，该布置可能特别有利。特别的是，由于接触器140’的联动确保电池和接地连接以协调方式产生，所以控制电路150不需要独立控制电池和接地连接。因此例如不存在用于控制分离中性点到接地连接电路的分离电子信令的需求。虽然这种布置在由AC源对UPS系统100供电的同时可经由DC/DC转换器电路130阻止电池10的充电，但是可提供单独的充电器以为电池10充电。

如图3中所示，诸如熔断器150的电路保护装置可串联地与接触器140’耦接以在例如高电流故障情况下接地连接的触点组C。如图4所示，故障保护也可采用使用具有与接地连接触点C串联耦接电阻器160的图2的接触器布置实现的电阻接地方案来提供。

沿着上述的线的模式相关的选择性中性点接地布置可有利地在使用并联耦接的多个UPS转换器单元或模块的UPS应用中使用。参考图5，UPS系统500可包括并联连接到电池10和负载20的多个UPS模块200a，200b，…，200j。每一个UPS模块200a，200b，…，200j包括整流器电路110，逆变器电路120，DC/DC转换器电路130和如上所述的接触器140’。并联的UPS模块200a，200b，…，200j的逆变器中性点N连接到一起。至少一个UPS模块200a被配置成经由其接触器140’提供逆变器中性点N的本地接地连接，同时多个UPS模块200a，200b，…，200j中的其它UPS模块并不如此配置。

利用这种布置，本地接地UPS模块200a可用于提供如上所述的选择性中性点接地，同时没有这种本地中性点接地的UPS模块可用于经由它们的DC/DC转换器电路130向电池10充电，因此排除附加电池充电器的需求。例如，当系统500以在线模式运行时，其中经由整流器电路110和逆变器电路120将电力从输入AC源传输，中性点接地UPS单元200a的触点140’可保持开启，防止中性点N到本地接地的连接，同时其他UPS单元200b，…，200j的接触器140’可闭合，允许从UPS单元200b，…，200j的DC连接对电池10充电。当UPS系统500转为电池供电时，中性点接地UPS单元200a的接触器140’可闭合，允许所有UPS单元200a，200b，…，200j以将电力从电池10传输到负载20，同时将中性点N连接到本地接地。

由本地接地UPS 200a采用的中性点接地可沿着参考图3和4如上讨论的线为电阻性或熔合的。同样将理解的是，多种实施例可提供单元或模块的区分数字，该单元或模块的区分数字提供本地中性点接地和没有这种接地的单元或模块。

在附图和说明书中，已经公开本发明主题的示例性实施例。虽然采用具体术语，但是它们以一般和描述性方式使用并且并不用于限制目的，本发明主题的范围通过下列权利要求限定。

Claims (18)

1.一种UPS系统，包括：

逆变器电路，其具有耦接到DC连接的输入和被配置成耦接到负载的输出；以及

联动开关，其被配置为将所述DC连接耦接到DC电源并且将所述DC连接从DC电源解耦，以及被配置为将所述逆变器电路的中性点耦接到接地节点并且将所述逆变器电路的中性点与所述接地节点解耦。

2.根据权利要求1的系统，其中所述联动开关被配置成当所述DC连接耦接到所述DC电源时将所述中性点耦接到所述接地节点，并且当所述DC连接从所述DC电源解耦时将所述中性点从所述接地节点解耦。

3.根据权利要求1的系统，其中所述联动开关包括具有第一组触点和第二组触点的接触器，该第一组触点被配置成将所述DC连接耦接到所述DC电源并且将所述DC连接从所述DC电源解耦，该第二组触点被配置成将所述中性点耦接到所述接地节点并且将所述中性点从所述接地节点解耦。

4.根据权利要求3的系统，进一步包括电阻器，并且其中所述第二组触点被配置成经由所述电阻器将所述中性点耦接到所述接地节点。

5.根据权利要求3的系统，进一步包括电路保护装置，并且其中所述第二组触点被配置成经由所述电路保护装置将所述中性点耦接到所述接地节点。

6.根据权利要求1的系统，进一步包括电阻器，并且其中所述联动开关被配置成经由所述电阻器将所述中性点耦接到所述接地节点。

7.一种UPS系统，包括：

整流器电路，其具有被配置成耦接到AC电源的输入；

DC连接，其耦接到所述整流器电路的输出；

逆变器电路，其具有耦接到所述DC连接的输入和被配置成耦接到外部负载的输出；以及

接触器，其被配置为当所述DC连接被耦接到DC电源时将所述逆变器电路的中性点耦接到本地接地，并且当将所述DC连接从所述DC电源解耦时将所述中性点从所述本地接地解耦。

8.根据权利要求7的系统，其中所述接触器包括第一组触点和第二组触点，该第一组触点被配置为将所述DC连接耦接到所述DC电源并且将所述DC连接从所述DC电源解耦，该第二组触点被配置成将所述中性点耦接到本地接地并且将所述中性点从所述本地接地解耦。

9.根据权利要求8的系统，进一步包括电阻器，并且其中所述第二组触点被配置成经由所述电阻器将所述中性点耦接到所述接地节点。

10.根据权利要求8的系统，进一步包括电路保护装置，并且其中所述第二组触点被配置成经由所述电路保护装置将所述逆变器的中性点耦接到所述接地节点。

11.一种UPS系统，包括：

共同耦接到AC电源，DC电源和负载的第一UPS单元和第二UPS单元，其中所述第一UPS单元和所述第二UPS单元中的至少一个被配置为当所述第一UPS单元和所述第二UPS单元将电力从所述DC电源传输到所述负载时将其中性点耦接到本地接地，以及当所述第一UPS单元和所述第二UPS单元将电力从所述AC源传输到所述负载时将所述中性点从所述本地接地解耦。

12.根据权利要求11的系统，其中所述第一UPS单元和所述第二UPS单元包括共同连接的DC连接，其中所述第一UPS单元被配置为当所述第一UPS单元和所述第二UPS单元将电力从所述DC电源传输到所述负载时将所述中性点耦接到所述本地接地，以及当所述第一UPS单元和所述第二UPS单元将电力从所述AC源传输到所述负载时将其DC连接从所述DC源解耦，并且其中所述第二UPS单元被配置为当所述第一UPS单元和所述第二UPS单元将电力从所述AC源传输到所述负载时将其DC连接耦接到所述DC源。

13.根据权利要求12的系统，其中所述第二UPS单元被配置为当所述第一UPS单元和所述第二UPS单元将电力从所述AC源传输到所述负载时对所述DC电源充电。

14.根据权利要求12的系统，其中所述第一UPS单元包括:

整流器电路，其具有被配置成耦接到AC电源的输入；

DC连接，其耦接到所述整流器电路的输出；

逆变器电路，其具有耦接到所述DC连接的输入以及被配置成耦接到外部负载的输出；以及

接触器，其被配置为当所述DC连接耦接到DC电源时将所述逆变器电路的中性点耦接到本地接地，并且当所述DC连接从所述DC电源解耦时将所述中性点从所述本地接地解耦。

15.根据权利要求14的系统，其中所述接触器包括第一组触点和第二组触点，该第一组触点被配置成将所述DC连接耦接到所述DC电源并且将所述DC连接从所述DC电源解耦，该第二组触点被配置成将所述逆变器电路的中性点耦接到所述本地接地并且将所述逆变器电路的中性点从所述本地接地解耦。

16.根据权利要求15的系统，进一步包括电阻器，并且其中所述第二组触点被配置成经由所述电阻器将所述逆变器电路的中性点耦接到所述接地节点。

17.根据权利要求15的系统，进一步包括电路保护装置，其中所述第二组触点被配置成经由所述电路保护装置将所述逆变器电路的中性点耦接到所述接地节点。

18.根据权利要求15的系统，其中所述第一UPS单元和所述第二UPS单元无需使用输出绝缘变压器而耦接到所述负载。