CN105406583A - 不间断电源系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不间断电源系统，包括蓄电池，还包括：监测电路，用于监测市电是否正常，并在市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时输出第二监测信号；可控开关，可控开关的输入端用于与市电连接，可控开关的输出端通过公共连接点与负载连接；可控开关的控制端与监测电路连接；以及变流器，可控开关在第一监测信号的控制下导通，在第二监测信号的控制下断开；变流器在第一监测信号的控制下进行无功和谐波补偿；变流器在第二监测信号的控制下输出电流以供负载正常工作。上述不间断电源系统的能效指数较高且能够满足负载持续工作的供电需求。本发明还涉及一种不间断电源系统的控制方法。

Description

不间断电源系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电网控制领域，特别是涉及一种不间断电源系统及其控制方法。
背景技术
随着近年来数据中心电源负荷的快速增长，能效指标要求越来越高。对应于高密度数据中心的不间断电源系统(UninterruptiblePowerSystem，UPS)，不仅要为IT设备供电，还要为保证IT设备运行的辅助设备如空调等供电，电源需求持续增加。传统的数据中心供电方式一般采用基于双变换技术的在线式UPS电源。在线式UPS的主要缺点是在强电网供电环境下的电能损耗较大，运行成本高，因此不能满足数据中心高质量供电的需求。
发明内容
基于此，有必要提供一种能效指数较高且能够满足负载持续工作供电需求的不间断电源系统。
还提供一种不间断电源系统的控制方法。
一种不间断电源系统，包括蓄电池，还包括：监测电路，用于监测市电是否正常，并在所述市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时输出第二监测信号；可控开关，包括输入端、输出端以及控制端；所述可控开关的输入端用于与市电连接，所述可控开关的输出端通过公共连接点与负载连接；所述可控开关的控制端与所述监测电路连接；以及变流器，连接于所述公共连接点和所述蓄电池之间；所述可控开关在所述第一监测信号的控制下导通，在所述第二监测信号的控制下断开；所述变流器在所述第一监测信号的控制下根据负载电流中的无功和谐波分量输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿；所述变流器在所述第二监测信号的控制下输出电流以供负载正常工作。
在其中一个实施例中，所述变流器包括无功和谐波电流提取电路；所述无功和谐波电流提取电路包括顺次连接的直流量转换电路、低通滤波器、基波量转换电路以及相减器；所述直流量转换电路的输入端与公共连接点连接；所述直流量转换电路的输入端还与所述相减器的输入端连接；所述直流量转换电路用于接收负载电流并将负载电流转换成含有低频纹波的直流量；所述低通滤波器用于对所述具有低频纹波的直流量进行过滤；所述基波量转换电路用于将过滤后的直流量转换成负载电流基波分量；所述相减器用于将所述负载电流基波分量减去负载电流得到无功和谐波补偿电流值；所述变流器根据所述无功和谐波补偿电流值输出补偿指令值；所述蓄电池还用于根据所述补偿指令值对所述变流器的直流侧供电，从而使得所述变流器输出相应的无功和谐波补偿电流至公共连接点。
在其中一个实施例中，所述变流器为双向变流器；所述监测电路还用于对所述蓄电池的电压或者剩余容量进行实时监测并输出电压值或者剩余容量值；所述不间断电源系统还包括比较电路；所述比较电路分别与所述监测电路、所述双向变流器连接；所述比较电路用于判断所述电压值或者所述剩余容量值是否低于预设值，并在所述电压值或者所述剩余容量值低于预设值时控制所述双向变流器由逆变状态转为整流状态对所述蓄电池充电。
在其中一个实施例中，所述比较电路包括比较器；所述比较器的第一输入端与所述监测电路连接，用于接收所述电压值或者所述剩余容量值；所述比较器的第二输入端作为参考电压或者参考剩余容量输入端；所述比较器的输出端与所述双向变流器连接。
在其中一个实施例中，所述监测电路通过对市电的三相电压进行实时监测来判断市电是否正常。
在其中一个实施例中，还包括电抗器；所述电抗器的输入端与所述可控开关的输出端连接；所述电抗器的输出端用于与负载连接。
在其中一个实施例中，还包括旁路开关；所述旁路开关分别与市电、负载连接；所述旁路开关用于在所述不间断电源系统需要进行维修时导通从而由市电直接向负载供电。
在其中一个实施例中，还包括控制电路；所述控制电路用于获取接入负载的重要级别，并根据各负载的重要级别对供电进行分配。
一种不间断电源系统的控制方法，包括步骤：监测市电是否正常；若市电正常则控制可控开关导通，由市电向负载供电并控制变流器根据负载电流中的无功和谐波分量输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿；若市电异常则控制所述可控开关断开，并控制所述变流器输出电流以供负载正常工作。
在其中一个实施例中，所述监测市电是否正常的步骤中，若市电正常，则还包括步骤：实时监测蓄电池的电压或者剩余容量；判断所述蓄电池的电压值或者剩余容量值是否低于预设值；若是则控制变流器由逆变状态转为整流状态对蓄电池充电。
上述不间断电源系统及其控制方法，可以在市电正常时由市电供电并通过变流器根据负载电流中的无功和谐波分量输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿，从而对PCC点电能质量进行改善，进而具有较高的能效指数。并且在市电异常时，可控开关断开从而通过蓄电池对变流器直流侧供电，，确保负载在市电异常时仍能够在不间断电源系统的供电下正常工作，稳定性较好，能够满足负载持续工作的供电需求。
附图说明
图1为一实施例中的不间断电源系统的电路框图；
图2为图1中的变流器中的无功和谐波电流提取电路的原理框图；
图3为图1中的不间断电源系统并网运行时对PCC点电能质量改善的示意图；
图4为图1中的不间断系统由并网工作模式切换至离网工作模式时的效果示意图；
图5为一实施例中的不间断电源系统的控制方法的流程图；
图6为另一实施例中的不间断电源系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为一实施例中的不间断电源系统的电路框图，该不间断电源系统包括蓄电池110、监测电路120、可控开关130以及变流器140。
蓄电池110用于存储电能，从而可以向外输出电能以供给负载进行正常工作。蓄电池110可以采用不间断电源系统领域常用的电池类型来实现。
监测电路120用于对市电进行监测，从而根据监测情况判断市电是否正常。具体地，监测电路120通过对市电的三相电压进行监测来判断市电是否正常。在本实施例中，市电正常是指市电的电压处于稳定状态，不会发生急剧变化(短时间内电压有较大的提升或者下降)且能够正常输出给负载进行供电；市电异常则是指市电的电压处于不稳定状态或者中断(即不能正常输出给负载供电)状态。监测电路120在监测到市电正常时输出第一监测信号，并在市电异常时输出第二监测信号。
可控开关130连接于市电和负载之间，用于控制市电和负载之间的连接。具体地，可控开关130包括输入端、输出端和控制端。可控开关130的输入端与市电连接。可控开关130的输出端通过公共连接点(PCC)与负载连接。可控开关130的控制端则与监测电路120连接。可控开关130用于接收监测电路120输出的第一监测信号和第二监测信号，并根据接收到的监测信号进行相应的操作。可控开关130在接收到第一监测信号时导通，从而使得市电与负载连接，由市电向负载供电。此时不间断电源系统进入并网工作模式。可控开关130在接收到第二监测信号时断开，从而断开市电与负载之间的连接，避免市电异常对负载造成的危害。此时不间断电源系统进入离网工作模式。
变流器140连接于PCC点和蓄电池110之间。变流器140用于对蓄电池110的输出进行处理，并根据监测电路120的监测结果对输出进行控制。具体地，变流器140在第一监测信号的控制下根据负载电流iload中的无功和谐波分量输出无功和谐波补偿电流以对PCC点处的电能质量进行改善，从而抵消PCC点负载电流iload中的无功和谐波部分(负载电流iload一般可分解为基波电流iUPSf和谐波加无功电流iUPSh，即：iload＝iUPSf+iUPSh)，最终使得市电电流igrid只含有有功分量，因此消除了无功和谐波电流对电网的危害，可以使得公共连接点PCC的电能质量得到较好的改善进而提高了电网的能效指数。并且通过无功和谐波补偿，PCC点的负载电流iload波形变为纯正弦波，相电流和相电位可以一致，因此也在一定程度上改善了负载的供电质量。在本实施例中，变流器140中设置有无功和谐波电流提取电路，用于提取出负载电流iload中的无功和谐波电流值。图2为变流器140中的无功和谐波电流提取电路的原理框图。参见图2，无功和谐波电流提取电路包括直流量转换电路210、低通滤波器220、基波量转换电路230以及相减器240。其中，直流量转换电路210、低通滤波器220、基波量转换电路230以及相减器240顺次连接。直流量转换电路210的输入端与PCC点连接。直流量转换电路210的输入端还与相减器240的输入端连接。具体地，负载电流iload先经过直流量转换电路210将负载电流转换为含有低频纹波的直流量Iloadh，再通过低通滤波器220滤波成纯净的直流量Iload。然后基波量转换电路230的作用将直流量Iload转换成负载电流基波分量iUPSf，最后负载电流中的基波分量iUPSf通过相减器240的作用减去负载电流iload得到需要补偿的无功和谐波补偿电流值，即：
iUPSf－iload＝iUPSf－(iUPSf+iUPSh)＝－iUPSh。
变流器140只需要将-iUPSh注入电网和PCC点负载电流iload中的无功和谐波电流部分iUPSh相抵消，进而可以实现PCC点负载电流iload和PCC点的电压正弦化、单位功率因数的效果。
图3为不间断电源系统并网运行时对PCC点电能质量改善的示意图。在t0时刻之前，不间断电源系统没有并入电网，由市电给负载供电，负载电流iload等于市电电流igrid，即iload＝igrid。此时，市电电能质量较差，负载某一相的电流中含有谐波，波形畸变较为严重，同时PCC点处该相的相电压超前负载相电流，即负载电流中无功分量也比较大。在t0时刻，不间断电源系统投入，并入电网，变流器140输出无功和谐波补偿电流对PCC点进行无功和谐波补偿，但是其并不输出有功电流。此时负载电流iload等于UPS并网前的市电电流igrid(UPS并网前，市电电流igrid＝iload＝iUPSf+iUPSh)和不间断电源系统并网后的补偿电流iUPS(iUPS＝－iUPSh)之和，即
igrid+iUPS＝(iUPSf+iUPSh)+(-iUPSh)＝iUPSf。
因此补偿后，PCC点的负载电流iload波形变成纯正弦，相电流和相电压的相位一致。不间断电源系统输出电流iUPS抵消了负载电流中iload的无功和谐波部分，使得UPS并网后市电电流igrid只含有有功分量，减少了无功和谐波电流在电网中的流动，从而很好的完成了改善PCC点电能质量的功能，进而提高了电网的能效指数。
在一实施例中，监测电路120还用于对蓄电池110的电压或者剩余容量进行实时监测并输出电压值或者剩余容量值。在本实施例中，变流器140为双向变流器；不间断电源系统还包括比较电路(图中未示)。比较电路分别与监测电路120、变流器140连接。比较电路用于接收监测电路输出的电压值或者电容值并判断监测电路120输出的电压值或者剩余容量值是否低于预设值，并在低于预设值时控制变流器140由逆变状态转为整流状态对蓄电池110进行充电。当电压值或者剩余容量值大于或者等于预设值时，则变流器140不向蓄电池110充电。在一实施例中，监测电路120也可以同时对电压值和剩余容量值进行监测，从而在二者中的任意一个低于预设值或者二者均低于预设值时控制变流器140对蓄电池110进行充电。
参见图1，变流器140还用于在接收到第二监测信号时，即市电异常时，对蓄电池110的输出进行调整以输出负载电流供负载正常工作。此时，不间断电源系统进入离网工作模式。上述不间断电源系统可以从并网工作模式无缝切换至离网工作模式。在一实施例中，为确保重要负载能够正常工作，在离网工作模式时，不间断电源系统可以仅对重要负载进行供电，而停止向非重要负载供电。
图4为不间断系统由并网工作模式切换至离网工作模式时的效果示意图，在t0时刻之前，UPS电源系统并网运行，由市电给重要负载供电；同时变流器140从市电取电给蓄电池110充电，即igrid＝iload+iUPS。由于给蓄电池进行充电的充电电流iUPS很小，因此PCC点输出的负载电流iload几乎等于市电电流igrid。在t0时刻，不间断电源系统从并网工作模式切换至离网工作模式，市电电流igrid为零，变流器140从充电状态切换到逆变工作状态，由蓄电池110经变流器140给负载供电，此时负载电流iload完全等于UPS输出电流iUPS＇，即iload＝iUPS＇。
当市电电压恢复正常时，可控开关130将重新导通，由市电给负载供电，并根据负载需求进行无功及谐波补偿，改善PCC点的电能质量。
上述不间断电源系统，可以在市电正常时由市电供电并通过变流器140根据负载电流中的无功和谐波分量输出无功和谐波电流以进行无功和谐波补偿，从而能够改善公共连接点的电能质量，进而具有较高的能效指数。并且在市电异常时，可控开关130断开从而通过蓄电池110对变流器直流侧供电，确保负载在市电异常时仍能够正常工作，稳定性较好，能够满足负载持续工作的供电需求。
参见图1，上述不间断电源系统还包括电抗器150和旁路开关160。其中，电抗器150连接于可控开关130和负载之间，且变流器140的输出端连接于电抗器150和负载之间。电抗器150用于将市电和负载隔离开，确保电网侧电流的正弦化。旁路开关160连接于负载和市电之间，用于在不间断电源系统需要进行维修时导通从而由市电直接向负载供电，确保不间断电源系统异常时负载仍能够正常工作。
在一实施例中，上述不间断电源系统还包括控制电路。控制电路用户获取接入负载的重要级别，并根据各负载的重要级别对供电电能进行分配。具体地，控制电路可以根据重要负载的用电情况进行长期和短期的预测，从而对能量进行分配，以确保重要负载能够持续工作。
本发明还提供一种基于前述任一实施例中的不间断电源系统的控制方法。该控制方法的流程图如图5所示，包括以下步骤。
S510，判断市电是否正常。
如果市电正常则执行步骤S520，否则执行步骤S530。
S520，控制可控开关导通，由市电向负载供电并控制变流器根据负载电流中的无功和谐波分量输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿。
S530，控制可控开关断开，并控制变流器输出电流以供负载正常工作。
上述不间断电源系统的控制方法，可以在市电正常时由市电供电并通过变流器根据负载电流中的无功和谐波分量输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿，从而对PCC点电能质量进行改善，进而具有较高的能效指数。并且在市电异常时，可控开关断开从而通过蓄电池对变流器直流侧供电，确保负载在市电异常时仍能够正常工作，稳定性较好，能够满足负载持续工作的供电需求。
图6为另一实施例中的不间断电源系统的控制方法的流程图，该方法包括以下步骤。
S610，判断市电是否正常。
如果市电正常则执行步骤S620，否则执行步骤S670。
S620，控制可控开关导通，由市电向负载供电并控制变流器根据负载电流中的无功和谐波分量输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿。
S630，实时监测蓄电池的电压或者剩余容量。
S640，判断蓄电池的电压值或者剩余容量值是否低于预设值。
若蓄电池的电压值或者剩余容量值低于预设值，则执行步骤S650，否则执行步骤S660。
S650，控制变流器由逆变状态转为整流状态对蓄电池充电。
S660，不进行操作。
S670，控制所述可控开关断开，并控制所述变流器输出电流以供负载正常工作。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种不间断电源系统，包括蓄电池，其特征在于，还包括：
监测电路，用于监测市电是否正常，并在所述市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时输出第二监测信号；
可控开关，包括输入端、输出端以及控制端；所述可控开关的输入端用于与市电连接，所述可控开关的输出端通过公共连接点与负载连接；所述可控开关的控制端与所述监测电路连接；以及
变流器，连接于所述公共连接点和所述蓄电池之间；
所述可控开关在所述第一监测信号的控制下导通，在所述第二监测信号的控制下断开；所述变流器在所述第一监测信号的控制下根据负载电流中的无功和谐波分量输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿；所述变流器在所述第二监测信号的控制下输出电流以供负载正常工作。
2.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，所述变流器包括无功和谐波电流提取电路；所述无功和谐波电流提取电路包括顺次连接的直流量转换电路、低通滤波器、基波量转换电路以及相减器；所述直流量转换电路的输入端与公共连接点连接；所述直流量转换电路的输入端还与所述相减器的输入端连接；
所述直流量转换电路用于接收负载电流并将负载电流转换成含有低频纹波的直流量；
所述低通滤波器用于对所述具有低频纹波的直流量进行过滤；
所述基波量转换电路用于将过滤后的直流量转换成负载电流基波分量；
所述相减器用于将所述负载电流基波分量减去负载电流得到无功和谐波补偿电流值；所述变流器根据所述无功和谐波补偿电流值输出补偿指令值；
所述蓄电池还用于根据所述补偿指令值对所述变流器的直流侧供电，从而使得所述变流器输出相应的无功和谐波补偿电流至公共连接点。
3.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，所述变流器为双向变流器；所述监测电路还用于对所述蓄电池的电压或者剩余容量进行实时监测并输出电压值或者剩余容量值；
所述不间断电源系统还包括比较电路；所述比较电路分别与所述监测电路、所述双向变流器连接；所述比较电路用于判断所述电压值或者所述剩余容量值是否低于预设值，并在所述电压值或者所述剩余容量值低于预设值时控制所述双向变流器由逆变状态转为整流状态对所述蓄电池充电。
4.根据权利要求3所述的不间断电源系统，其特征在于，所述比较电路包括比较器；所述比较器的第一输入端与所述监测电路连接，用于接收所述电压值或者所述剩余容量值；所述比较器的第二输入端作为参考电压或者参考剩余容量输入端；所述比较器的输出端与所述双向变流器连接。
5.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，所述监测电路通过对市电的三相电压进行实时监测来判断市电是否正常。
6.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，还包括电抗器；所述电抗器的输入端与所述可控开关的输出端连接；所述电抗器的输出端用于与负载连接。
7.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，还包括旁路开关；所述旁路开关分别与市电、负载连接；所述旁路开关用于在所述不间断电源系统需要进行维修时导通从而由市电直接向负载供电。
8.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，还包括控制电路；所述控制电路用于获取接入负载的重要级别，并根据各负载的重要级别对供电进行分配。
9.一种不间断电源系统的控制方法，包括步骤：
监测市电是否正常；
若市电正常则控制可控开关导通，由市电向负载供电并控制变流器根据负载电流中的无功和谐波分量输出无功和谐波补偿电流以进行无功和谐波补偿；
若市电异常则控制所述可控开关断开，并控制所述变流器输出电流以供负载正常工作。
10.根据权利要求9所述的不间断电源系统的控制方法，其特征在于，所述监测市电是否正常的步骤中，若市电正常，则还包括步骤：
实时监测蓄电池的电压或者剩余容量；
判断所述蓄电池的电压值或者剩余容量值是否低于预设值；
若是则控制变流器由逆变状态转为整流状态对蓄电池充电。
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