CN105379052B - 使用可变配置模块的ups系统和方法 - Google Patents

使用可变配置模块的ups系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种系统包括：可安装不间断电源(UPS)模块的多个模块位置，以及被配置成选择性支持在多个模块位置处安装的模块的待机UPS和在线UPS的操作的控制电路。系统可包括多个UPS模块，该多个UPS模块安装在多个模块位置中并且包括被配置成操作为待机UPS的至少一个UPS模块。多个UPS模块可进一步包括被配置成操作为在线UPS的至少一个UPS模块。UPS模块可共享公共架构，该公共架构包括可安装子模块的子模块位置，以及被配置成支持具有不同功能的在子模块位置的子模块的操作的电路。

Description

使用可变配置模块的UPS系统和方法
技术领域
本发明主题涉及电力转换设备和方法，并且更特别地涉及不间断电源(UPS)设备和方法。
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装置中使用。UPS系统可在这种装置中使用以提供备用电力，以在主公用电源故障情况下保持操作。UPS系统可具有包括两个或更多UPS模块的模块化结构，该UPS模块中的每一个可包括例如整流器、逆变器以及用于以接口连接到电池或其它DC电源的DC/DC转换器。模块通常被设计成并联操作以提供可扩展电力容量，例如模块可共同耦接到AC源、DC源(例如电池)和/或负载。这种模块化UPS系统的示例是伊顿公司的Power Xpert 9395UPS系统，其可被配置成包括两个或更多个不间断电力模块(UPM)，该不间断电力模块中的每一个包括具有耦接到公共DC总线的整流器、逆变器和电池转换器的双转换UPS电路。
随着web服务和云计算的出现，大型数据中心已经激增。一些更新的大型数据中心占用数百万平方英尺并且容纳数十万的服务器。通常由本地电网供电，这些中心可包括备用电源系统，该备用电源系统包括UPS和柴油电气备用发电机，以在失去公用电力时支持继续操作。对于这种设施，能量消耗是主要关注点，因为一些设施接近100MW的水平。对于这种设施，甚至几个百分点的效率可转变成显著的费用。
用于改善UPS效率的技术已被开发。例如，一些双转换UPS系统支持高效率或“经济”模式，其中当输入AC源满足某些标准时旁通整流器和逆变器。增加数据中心能量效率(诸如例如在Krieger等人的美国专利No.7,886,173、Whitted等人的美国专利No.7,560,831以及Sarti的美国专利No.8,344,546中描述的那些)的其它解决方案包括避免传统UPS架构的使用的冗余电力分配技术。
发明内容
本发明主题的一些实施例提供一种系统，该系统包括：多个模块位置，其被配置用于不间断电源(UPS)模块的安装；以及控制电路，其被配置成选择性支持在多个模块位置处安装的模块的待机UPS和在线UPS的操作。系统可包括多个UPS模块，该多个UPS模块安装在多个模块位置并且包括被配置成操作为待机UPS的至少一个UPS模块。多个UPS模块可进一步包括被配置成操作为在线UPS的至少一个UPS模块。
在一些实施例中，多个UPS模块可共享公共架构，该公共架构包括可安装子模块的子模块位置，以及被配置成支持将子模块位置的子模块操作为用于在线UPS操作的整流器或作为用于待机UPS操作的旁路开关的电路。UPS模块每一个可包括电感器组件，该电感器组件耦接到子模块位置，并且被配置成当将在子模块位置安装的子模块操作为整流器时操作为能量存储装置以及被配置成当将在子模块位置安装的子模块操作为旁路开关时操作为电流限制器。
进一步的实施例提供了UPS系统，该UPS系统包括：多个UPS模块位置；以及至少一个UPS模块，其安装在多个UPS模块位置的相应至少一个UPS模块位置处。该至少一个UPS模块包括逆变器子模块和被配置成选择性旁通逆变器子模块的开关子模块。该至少一个UPS模块可被配置成支持待机模式的UPS操作，其中电力经由在第一状态的开关子模块从外部AC源提供给耦接到至少一个UPS模块的负载，并且电力经由在第二状态的逆变器子模块从电池提供给负载。
开关子模块可安装在被配置成可互换支持各种类型子模块的子模块位置中，该各种类型子模块提供与开关子模块相比至少一个不同的功能。各种子模块可包括整流器子模块。
在一些实施例中，至少一个UPS模块可包括第一UPS模块，该第一UPS模块安装在UPS模块位置的第一UPS模块位置处并且包括逆变器子模块和开关子模块，并且系统可进一步包括第二UPS模块，该第二UPS模块安装在UPS模块位置的第二UPS模块位置处并且包括逆变器子模块和整流器子模块。开关子模块和整流器子模块可安装在相应的第一和第二UPS模块中的公共子模块位置中。
在一些实施例中，至少一个UPS模块可包括：第一UPS模块，其处于UPS模块位置的第一UPS模块位置处并且被配置成耦接到第一AC源；以及第二UPS模块，其处于UPS模块位置的第二UPS模块位置处并且被配置成耦接到第二AC源。第一和第二UPS模块可被配置成耦接到相应的第一和第二负载。
在一些实施例中，系统包括：多个UPS模块位置；以及第一和第二UPS模块，其安装在多个UPS模块位置的相应第一和第二UPS模块位置处，并且具有被配置成耦接到数据中心设备机架的相应第一和第二电源输入的相应第一和第二电力输出。第一和第二UPS模块中的至少一个UPS模块包括逆变器子模块和被配置成选择性旁通逆变器模块的开关子模块。
在一些实施例中，第一和第二UPS模块两者可被配置成提供待机模式的UPS操作，以及第一和第二UPS模块可被配置成从相应的第一和第二AC源接收电力。系统可进一步包括至少一个计算机设备机架，该至少一个计算机设备机架具有连接到第一和第二UPS模块的第一和第二电力输出中的相应电力输出的第一和第二电力输入。
在进一步的实施例中，第一UPS模块可被配置成支持待机模式的操作，以及其中第二UPS模块可别配置成支持在线模式的UPS操作。系统可进一步包括耦接到第一UPS模块的至少一个第一计算机设备机架和耦接到第二UPS模块的至少一个第二计算机机架。
附图说明
图1是示出根据一些实施例的UPS系统的示意图。
图2是根据一些实施例的模块UPS系统的正视图。
图3是示出根据一些实施例的具有被配置为旁通开关的桥接电路子模块的UPS模块的示意图。
图4是示出根据进一步实施例的具有被配置为旁通开关的SCR开关子模块的UPS模块的示意图。
图5是示出根据一些实施例的具有被配置成支持整流器操作的桥接电路子模块的UPS模块的示意图。
图6是示出根据一些实施例具有被配置成提供电力给公共负载的待机UPS模块的UPS系统的示意图。
图7是示出根据一些实施例具有在A/B配置中设置的待机UPS模块的UPS系统的示意图。
图8是示出根据进一步实施例的具有待机和在线UPS模块的UPS系统的示意图。
图9是示出根据一些实施例的从在A/B配置的模块化UPS系统到一排服务器机架的电力提供的示意图。
图10是示出根据进一步实施例的从模块化UPS的待机和在线模块到一排服务器机架的选择性电力提供的示意图。
图11是示出根据进一步实施例的UPS系统的示意图。
具体实施方式
现将参考附图描述本发明主题的具体示例性实施例。然而该发明主题可以许多不同形式体现并且不应当解释为限于在此阐述的实施例；而是提供这些实施例以使得该公开将充分和完整并且将向本领域的技术人员全面传达本发明主题的范围。在附图中，相同的标记指相同的元件。将理解的是，当元件指“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或可存在中间元件。如在此所用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联列表项目的任何和全部组合。
在此所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明主题。如在此所用，单数形式“一个”、“一”和“该”旨在也包括复数形式，除非另外明确陈述。应进一步理解，当术语“包括”、“包含”、“包括了”和/或“包含了”在本说明书中使用时，指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
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)具有与该发明主题所属的本领域技术人员所通常理解的相同含义。进一步将理解的是，诸如在通常使用的词典中定义的那些的术语应解释为具有与说明书上下文和相关技术中它们的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的形式来解释，除非在此明确这样定义。
图1示出根据一些实施例的UPS系统100。系统100包括以集成方式布置的多个UPS模块110。例如，如在图2中所示，UPS模块110'可包括被配置成结合以形成集成UPS系统100'的相应模块化机壳。如同样在图2中示出，UPS系统100'可包括诸如可容纳在附加机壳120中的附加部件。这种部件可包括例如监测、通信和用户接口电路、旁通开关、断路器等。将理解的是，除了在图2中所示的配置之外的模块化物理配置可在一些实施例中使用。例如，并非利用被配置成结合如在图2中所示的一起使用的机壳，根据一些实施例的模块化UPS系统可包括系统底座或类似结构，其被配置成接收UPS模块和在限定的槽、隔间和/或底座的其它结构中的其它部件。
再次参考图1，至少一个UPS模块110可被配置成操作为待机(或“离线”)UPS，该待机UPS选择性地从AC源(例如公用电力或发电机)直接向连接到UPS模块110的负载提供AC电力，并在AC源的故障的情况下，从诸如一个或多个电池的辅助电源提供电力。如图所示，UPS可包括多个子模块，该多个子模块例如包括逆变器子模块112和开关子模块114。逆变器子模块112可被配置成从由诸如电池或电池组的备用电源供应的DC电力生成用于传递给负载的AC电力。电池可包括在UPS系统100中和/或可以位于UPS系统100的外部并且由电缆或其它导体与其连接。开关子模块114可以被配置成提供在AC源和负载之间的可切换旁通路径。UPS模块110中的每一个UPS模块110可以如此配置，或UPS模块110中的其它UPS模块110可被配置成使用不同的子模块配置来提供其它的UPS操作模式，诸如在线(“双转换”)模式。
根据一些实施例，诸如图1的UPS模块110的UPS模块可共享公共架构，该公共架构可被配置成提供待机、在线和/或其它模式的UPS操作。图3示出UPS模块300，该UPS模块300具有包括第一、第二和第三电感器组件310、320、330以及第一、第二和第三桥接电路子模块340、350、360的模块化布置。如图所示，桥接电路子模块340、350、360中的每一个可被配置为在半桥支路布置中耦接的开关装置(例如IGBT)。应该理解的是，桥接电路子模块340、350、360可以每一个包括一个以上的半桥支路以支持单相或三相操作。
第二桥接电路子模块350经由第二电感器组件320耦接到UPS模块300的AC输出，并且被配置成结合第二电感器组件320提供逆变器操作。第三桥接电路子模块360与第二桥接电路子模块350共享DC总线连接，并且结合第三电感器组件操作为DC/DC电池转换器。
第一桥接电路子模块340被配置成提供旁路开关功能。第一桥接电路子模块340可提供在UPS模块300的AC输入和UPS模块300的AC输出之间相对低损耗的旁通路径，以使得在正常情况下，将AC电力传递给负载而无需在UPS系统300内的转换。第一电感器组件310与第一桥接电路子模块340串联耦接。控制电路370被配置成控制桥接电路子模块340、350、360和UPS模块300的其它部件。
图4示出用于待机UPS模块400的替代布置。UPS模块400包括电感器组件310、320、330和逆变器和电池转换器桥接电路子模块350、360，如参考图3在上面所述。然而，代替图3的桥接电路子模块340，UPS模块400包括使用基于SCR的静态开关子模块340'实现的旁路开关。控制电路370'可被配置成监测和控制静态开关子模块340'和UPS模块400的其它部件。
参考图5，在线(双转换)UPS模块500可以使用与在图3和图4中示出的待机模块相同的子模块架构。在线UPS模块500中，第二和第三桥接电路子模块350、360仍然被配置成提供逆变器和电池转换器操作，而不是配置成操作为旁路开关，结合作为升压整流器的第一电感器组件，第一桥接电路子模块340被配置成支持操作，所述升压整流器与第二和第三桥接电路子模块350、360共享DC总线连接。
如以上所指出的，如上所述的UPS模块300、400、500可以共享公共架构，其允许模块在UPS系统中灵活使用以支持待机、在线和其它操作方案。应当理解的是，UPS模块300、400、500例如可以使用可替换子模块，诸如可例如在诸如UPS模块内预定的机械/电气结构中的指定位置中可互换安装的桥接电路子模块340和SCR子模块340'。这种位置例如可以被配置成提供用于子模块的可插入或其它柔性电连接。在该位置中安装的子模块可以使用常见形状系数、控制电路和冷却系统。例如，UPS模块的控制电路可被配置成灵活支持在给定子模块位置中的不同类型子模块的操作。因为图3至图5的控制电路370、370'、370"可以使用公共控制电路来实现，该公共控制电路可例如使用软件和/可重新配置的硬件来灵活配置，以支持在各种子模块位置中的不同类型子模块的操作。控制电路370、370'、370"例如可以包括例如接触器和/或用于控制在UPS模块的子模块和其它部件之间的连接的其它装置。
支持各种操作而到子模块、来自子模块以及在子模块内的电互连配置(例如作为旁路开关或整流器)可以通过手动改变布线和/或通过致动开关装置(例如接触器)来实现，以提供支持所需用途的互连。在一些实施例中，子模块本身可以重新配置以通过子模块内的布线变化和/或开关致动来执行各种功能。例如，在一些实施例中，桥接电路子模块可以重新配置以提供用于图3和图5的子模块340、340'所述的旁路开关和整流器的操作模式。
根据一些实施例的模块化UPS系统可用于提供灵活的UPS系统布置。例如，参考图6，UPS系统600可以包括参考图3沿着上述线的第一和第二待机UPS模块300a、300b。如图所示，第一和第二UPS模块300a、300b可以共同耦接到负载和电池。诸如公用电力源和本地发电机(例如柴油/电气发电机组)的相应AC源可以耦接到第一和第二UPS模块300a、300b的相应一个UPS模块以提供源冗余。在正常情况下，电力可经由第一UPS模块300a的旁路开关子模块340从AC公用电力直接供应给负载。在公用电力源故障时，负载可由第一UPS模块300的逆变器子模块350承载，直到本地发电机上线并且将负载转移到第二UPS模块300b的开关模块340。该布置可以支持相对高的效率操作，因为电力可从AC源直接供应给负载，而不穿过双转换整流器/逆变器的组合。
图7示出使用第一和第二待机UPS模块300a、300b的UPS系统700，该第一和第二待机UPS模块300a、300b被配置成支持诸如可能与在数据中心应用中的双电力输入机架一起使用的“A/B”双电力配置。一些服务器机架配置有设计为从独立电源馈送的冗余双电源(“A”和“B”)。第一待机UPS模块300a可耦接到“A”源并且被配置成提供电力给一个或多个机架的“A”电力输入，而第二待机UPS模块300b可以耦接到“B”源并且被配置成提供电力给一个或多个机架的“B”电力输入。这种布置在图9中示出，其示出沿着在图7中示出的线的UPS系统700的第一和第二UPS模块300a、300b到一排服务器机架910的连接。UPS系统700可以支持用于AC源和机架电源的冗余，其中备用电池可用于UPS模块300a、300b的任一个。这种布置可同样支持相对高效率的操作，因为电力可从AC源直接供应给负载，而不穿过双转换整流器/逆变器的组合。
根据一些实施例的UPS系统同样可以支持待机和在线UPS模块的组合。图8示出包括沿着在图3中示出的线的待机UPS模块300和沿着在图5中示出的线的在线UPS模块500的UPS系统800。第一源和第一负载耦接到待机UPS模块300。第二源和第二负载耦接到在线UPS模块500。第一源和第二源可以相同或不同。
用于UPS系统800的示例应用在图10中示出，其中待机UPS模块300提供电力给第一机架1010a，而在线UPS模块500提供电力给第二机架1010b。第一机架1010a例如可以容纳执行不太关键的计算任务的服务器，和/或可以被镜像，或诸如在一些云计算应用的情况下，通过计算位于别处的资源以其它方式备用。对于这种负载，减少集合能量消耗可以比给定的机架/服务器的可靠性/可用性更加重要。待机UPS布置可以在与在线配置相比的电力路径中减少亏损部件的数量，同时仍提供备用电力容量。第二机架1010b可以容纳执行更关键任务的服务器，对于该更关键任务，可靠性和可用性更重要，其需要额外的电力调节和在线UPS配置可以提供的其它性能特征。UPS系统800同样可以包括单独的静态旁路开关，以提供用于在线UPS模块500的旁路容量。这种旁路开关例如可以用于支持更高的效率模式，在该效率模式中旁路用来当源处于额定参数内时向负载提供降低损耗的路径。
UPS模块300的模块化架构可以提供在传统的直接反馈布置中不可用的额外好处。例如，用作在线UPS模块配置的能量存储装置的电感器组件310可以用作在待机UPS模块配置中的电流限制器。此外，用于在线UPS模块配置的整流器控制的电流和/或电压传感器和监视器可以是双目的的，以提供在待机UPS模块配置中的电流和/或电压监测。在一些实施例中，使用桥接电路子模块作为用于待机UPS操作的旁路开关同样可以得到机会，用于比在传统的直接馈送配置中可用的电源输入的更精密控制。
图11示出具有根据进一步实施例的模块化架构的UPS系统1100。UPS系统1100包括可以放置UPS模块1110的多个UPS模块位置。例如，如参考图2在上面解释的，UPS模块1110可以是被配置成结合以形成集成单元或可以被配置成安装在槽或在公共底座中类似结构中的机壳状组件。UPS系统进一步包括至少一个辅助模块1120。辅助模块1120可被配置成接受可以基于UPS模块1110的功能需求来选择的功能子模块。例如，如果一个或多个UPS模块1110是待机UPS模块，则辅助模块1120例如可以具有在其中安装的一个或多个并发维护子模块1124，其可以包括允许待机UPS模块与电源和/或负载选择性断开同时使系统1100中的其它UPS模块1110继续操作的断路器和/或其它装置。如进一步所示，辅助模块1120同样可以被配置成接受支持诸如静态旁路开关子模块1122的在线UPS模块的操作的一个或多个子模块。
在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的示例性实施例。尽管利用了特定术语，但它们仅在一般和描述性的意义中使用，并不用于限制的目的，本发明主题的范围由以下权利要求限定。

Claims (21)

1.一种UPS系统，包括：
多个模块位置，其每一个被配置为可互换地接受在线不间断电源(UPS)模块和待机UPS模块；以及
控制电路，其被配置成选择性支持在所述多个模块位置处安装的UPS模块的待机UPS和在线UPS的操作。
2.根据权利要求1所述的UPS系统，进一步包括多个UPS模块，所述多个UPS模块安装在所述多个模块位置中并且包括被配置成操作为待机UPS的至少一个UPS模块。
3.根据权利要求2所述的UPS系统，其中所述多个UPS模块进一步包括被配置成操作为在线UPS的至少一个UPS模块。
4.根据权利要求2所述的UPS系统，其中所述多个UPS模块共享公共架构，所述公共架构包括可安装子模块的子模块位置，以及被配置成支持将在所述子模块位置中的子模块操作为用于在线UPS操作的整流器或作为用于待机UPS操作的旁路开关的电路。
5.根据权利要求4所述的UPS系统，其中所述UPS模块每一个包括电感器组件，所述电感器组件耦接到所述子模块位置，并且被配置成当将在所述子模块位置中安装的子模块操作为整流器时操作为能量存储装置以及被配置成当将在所述子模块位置中安装的子模块操作为旁路开关时操作为电流限制器。
6.根据权利要求4所述的UPS系统，其中所述子模块位置被配置成具有在其中安装的提供相应不同的功能的子模块。
7.根据权利要求4所述的UPS系统，其中所述子模块位置被配置成具有在其中安装的多功能子模块。
8.一种UPS系统，包括：
多个UPS模块位置；以及
至少一个UPS模块，其安装在所述多个UPS模块位置中的相应至少一个UPS模块位置处，所述至少一个UPS模块包括逆变器子模块和被配置成选择性旁通所述逆变器子模块的开关子模块，其中至少一个所述子模块安装在子模块位置，其被配置为可互换地支持提供不同功能的各种类型子模块。
9.根据权利要求8所述的UPS系统，其中所述至少一个UPS模块被配置成支持待机模式的UPS操作，其中电力经由在第一状态的所述开关子模块从外部AC源提供给耦接到所述至少一个UPS模块的负载，并且电力经由在第二状态的所述逆变器子模块从电池提供给所述负载。
10.根据权利要求8所述的UPS系统，其中所述开关子模块安装在被配置成可互换支持各种类型子模块的子模块位置中，所述各种类型子模块提供与所述开关子模块相比至少一个不同的功能。
11.根据权利要求10所述的UPS系统，其中所述各种类型子模块包括整流器子模块。
12.根据权利要求10所述的UPS系统，进一步包括被配置成控制在所述子模块位置中的子模块以支持不同功能的控制电路。
13.根据权利要求10所述的UPS系统，其中所述至少一个UPS模块包括第一UPS模块，所述第一UPS模块安装在所述UPS模块位置中的第一UPS模块位置处并且包括所述逆变器子模块和所述开关子模块，并且所述至少一个UPS模块进一步包括第二UPS模块，所述第二UPS模块安装在所述UPS模块位置中的第二UPS模块位置处并且包括逆变器子模块和整流器子模块，其中所述开关子模块和所述整流器子模块安装在相应的第一和第二UPS模块的公共子模块位置中。
14.根据权利要求8所述的UPS系统，其中所述至少一个UPS模块包括：
第一UPS模块，其处于所述UPS模块位置中的第一UPS模块位置处并且被配置成耦接到第一AC源；以及
第二UPS模块，其处于所述UPS模块位置中的第二UPS模块位置处并且被配置成耦接到第二AC源。
15.根据权利要求14所述的UPS系统，其中所述第一和第二UPS模块被配置成耦接到相应的第一和第二负载。
16.根据权利要求8所述的系统，其中所述至少一个UPS模块包括电感器组件，所述电感器组件耦接到所述开关子模块并且被配置成操作为电流限制器。
17.一种UPS系统，包括：
多个UPS模块位置；以及
第一和第二UPS模块，其安装在所述多个UPS模块位置中的相应第一和第二UPS模块位置处，并且具有被配置成耦接到数据中心设备机架的相应第一和第二电源输入的相应第一和第二电力输出，其中所述第一和第二UPS模块中的至少一个UPS模块包括逆变器子模块和配置成选择性旁通所述逆变器子模块的开关子模块，并且其中至少一个所述子模块安装在子模块位置，其被配置为可互换地支持提供不同功能的各种类型子模块。
18.根据权利要求17所述的UPS系统，其中所述第一和第二UPS模块两者被配置成提供待机模式的UPS操作，以及其中所述第一和第二UPS模块被配置成从相应的第一和第二AC源接收电力。
19.根据权利要求18所述的UPS系统，进一步包括至少一个计算机设备机架，所述至少一个计算机设备机架具有连接到所述第一和第二UPS模块的所述第一和第二电力输出中的相应电力输出的第一和第二电力输入。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一UPS模块被配置成支持待机模式的操作，以及其中所述第二UPS模块被配置成支持在线模式的UPS操作。
21.根据权利要求20所述的UPS系统，进一步包括耦接到所述第一UPS模块的至少一个第一计算机设备机架和耦接到所述第二UPS模块的至少一个第二计算机机架。
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