CN105515167A - 一种不间断电源ups装置及其供电方法 - Google Patents

一种不间断电源ups装置及其供电方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种不间断电源UPS装置及其供电方法，该UPS装置包括太阳能电池和UPS模块，太阳能电池经过DC/DC变换器接入UPS的直流母线，实现单独由太阳能电池为负载供电或由太阳能电池和市电电网联合为负载供电，或者UPS装置包括联合为负载供电的至少一个UPS模块，对应每个UPS模块，UPS模块的整流器通过切换开关选择由市电电网或太阳能电池单独为负载供电。本发明实施例可以减掉太阳能逆变并网的环节，达到节能降耗的目的，并能减少设备投资。

Description

一种不间断电源UPS装置及其供电方法
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种不间断电源UPS装置及其供电方法。
背景技术
大功率不间断电源UPS主要应用于大型数据中心机房等，数据中心机房的能耗降低是行业关注的热点。UPS是从市电电网取电，通过整流器将交流电变换成直流，经过直流母线连接到逆变器，再经逆变器将直流电变换为交流电为负载供电。
为了保证市电电网断电时持续供电，直流母线还通过电池变换器连接蓄电池。市电电网供电过程中，在整流器的输出满足负载功率要求的情况下，控制电池变换器从直流母线中取电为蓄电池充电；在蓄电池充满电且不需要使用蓄电池为负载供电时关闭电池变换器；在市电电网断电时，控制电池变换器从蓄电池取电输出到直流母线上，经逆变器为负载供电。
目前为了降低大功率UPS的能耗，利用太阳能、风能等可再生能源供电是节能降耗的一大重要方法。通常的做法是将太阳能或风能发电，并通过相应的设备并入电网，再提供给用户使用。但将可再生能源逆变并网的环节需要专业的并网设备，增加了设备投资。
发明内容
本发明提供一种不间断电源UPS装置及其供电的方法，既可以降低能耗又可以减少设备投资。
本发明提供一种不间断电源UPS装置，包括：
太阳能电池，用于将太阳能转换为电能并储存；
UPS模块，包括整流器、DC/DC变换器、逆变器和控制器；
所述整流器输入端与电网连接，输出端通过直流母线与所述逆变器连接，控制端与所述控制器连接；
所述DC/DC变换器输入端与太阳能电池连接、输出端通过直流母线与逆变器连接，反馈端与控制器连接，将太阳能电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中，将变换后输出的直流电的电流值反馈到所述控制器；
所述逆变器在所述控制器的控制下，将直流母线中的直流电变换为交流电为负载供电；
所述控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池能够满足负载功率要求时，关闭整流器，确定太阳能电池不能满足负载功率要求时开启整流器，将电网中的交流电转换为直流电输出到直流母线上。
优选地，所述UPS装置还包括：
蓄电池；
所述UPS模块还包括：电池变换器，分别连接所述蓄电池、控制器和直流母线，根据控制器的控制将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中，或者从直流母线中取电为蓄电池充电；
所述控制器还用于根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池能够满足负载功率要求时，控制所述电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电，确定电网断电且确定太阳能电池不能满足负载功率要求时，控制所述电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中。
优选地，所述UPS装置还包括：
UPS旁路，分别与电网、逆变器和负载连接，检测到所述逆变器发生故障时，接通电网和负载的连接，否则断开电网和负载的连接。
本发明实施例还提供另一种不间断电源UPS装置，包括：
太阳能电池，用于将太阳能转换为电能并储存；
至少一个UPS模块，每个UPS模块包括整流器、逆变器和控制器；
所述整流器输入端通过切换开关选择与电网连接或与太阳能电池连接，输出端通过直流母线与所述逆变器连接，控制端与所述控制器连接；
所述逆变器在所述控制器的控制下，将直流母线中的直流电变换为交流电为负载供电；
所述控制器控制整流器通过切换开关选择与电网连接或与太阳能电池连接，所述整流器与电网连接时，将电网中的交流电转换为直流电输出到直流母线上，所述整流器与太阳能电池连接时，将太阳能电池输入的直流电变换后输出到直流母线上。
优选地，所述UPS装置还包括：
蓄电池；
每个UPS模块还包括：电池变换器，分别连接所述蓄电池、控制器和直流母线，根据控制器的控制将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中，或者从直流母线中取电为蓄电池充电；
所述控制器还用于确定整流器的电流输出能够满足负载功率要求时，控制所述电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电，整流器的电流输出不能满足负载功率要求时，控制所述电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中。
优选地，所述UPS装置还包括：
UPS旁路，分别与电网、每个UPS模块中的逆变器和负载连接，检测到任一UPS模块中的逆变器发生故障时，接通电网和负载的连接，否则断开电网和负载的连接。
本发明实施例还提供一种上述第一种UPS装置进行供电的方法，包括：
控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池能够满足负载功率要求时，关闭整流器，通过太阳能电池经DC/DC变换器和逆变器为负载供电；
控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池不能满足负载功率要求时开启整流器，通过电网经整流器、逆变器为负载供电，及通过太阳能电池经DC/DC变换器和逆变器为负载供电。
优选地，所述UPS装置还包括蓄电池；所述UPS模块还包括电池变换器，该方法还包括：
所述控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池能够满足负载功率要求时，控制所述电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电；
所述控制器确定电网断电且根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池不能满足负载功率要求时，控制所述电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中。
本发明实施例还提供一种上述第二种UPS装置的供电方法，包括：
通过至少一个UPS模块联合为负载供电；
每个UPS模块采用如下方式为负载供电：
UPS模块中的控制器控制整流器通过切换开关选择与电网连接，通过电网经整流器和逆变器为负载供电，或者选择与太阳能电池连接，通过太阳能电池经整理器和逆变器为负载供电。
优选地，所述UPS装置还包括蓄电池，每个UPS模块还包括电池变换器，该方法还包括：
UPS模块中的控制器确定整流器的电流输出能够满足负载功率要求时，控制所述电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电；
UPS模块中的控制器确定整流器的电流输出不能满足负载功率要求时，控制所述电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中。
优选地，所述UPS装置还包括UPS旁路，该方法还包括：
UPS旁路检测到任一UPS模块中的逆变器发生故障时，接通电网和负载的连接，否则断开电网和负载的连接。
利用本发明提供的UPS装置及其供电方法，具有以下有益效果：
将太阳能电池的电直接接入UPS模块的供电线路，经UPS模块的供电线路直接供电给负载使用，将能减掉太阳能逆变并网的环节，达到节能降耗的目的，并能减少设备投资。
附图说明
图1为本发明实施例提供的第一种UPS装置结构图；
图2为本发明实施例基于第一种UPS装置进行供电的方法流程图；
图3a为本发明实施例基于第一种UPS装置的工作模式1供电示意图；
图3b为本发明实施例基于第一种UPS装置的工作模式2供电示意图；
图3c为本发明实施例基于第一种UPS装置的工作模式3供电示意图；
图3d为本发明实施例基于第一种UPS装置的工作模式4供电示意图；
图3e为本发明实施例基于第一种UPS装置的工作模式5供电示意图；
图4为本发明实施例提供的第二种UPS装置结构图；
图5为本发明实施例基于第二种UPS装置进行供电的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明提供的UPS装置及其供电方法进行更详细地说明。
目前UPS模块中整流器输入端-整流器-逆变器-逆变器输出端所在的线路为供电线路，本发明实施例提供的装置将太阳能电池的电直接接入UPS模块的供电线路，经供电线路直接给负载使用。该方式可以减掉太阳能逆变并网的环节，达到节能降耗的目的，并能减少设备投资。
依据太阳能电池接入UPS模块供电线路位置的不同，本发明提供UPS装置及其供电方法的两种优选实施方式。
依照本发明UPS装置的优选实施方式一，提供一种UPS装置，如图1所示，包括：
太阳能电池1，用于将太阳能转换为电能并储存；
UPS模块2，包括整流器21、DC/DC变换器22、逆变器23和控制器24；
整流器21输入端与电网连接，输出端通过直流母线与逆变器23连接，控制端与控制器24连接；DC/DC变换器22输入端与太阳能电池1连接、输出端通过直流母线与逆变器23连接，反馈端与控制器24连接，用于将太阳能电池输入的直流电变换后输出到直流母线中，将变换后输出的直流电的电流值反馈到控制器24；逆变器23在控制器24的控制下，将直流母线中的直流电变换为交流电为负载供电；
控制器24根据DC/DC变换器22反馈的电流值确定太阳能电池1能够满足负载功率要求时，关闭整流器21，从而实现仅通过太阳能电池为负载供电，控制器24确定太阳能电池1不能满足负载功率要求时开启整流器21，将电网中的交流电转换为直流电输出到直流母线上，从而实现仅通过电网为负载供电(太阳能电池已耗尽储能电情况)，或者实现通过电网和太阳能电池联合为负载供电(太阳能电池未耗尽但不够用的情况)。
DC/DC变换器22对太阳能电池输入的电流进行变换的目的是，使变换后的电流尽可能满足负载功率的要求，包括电压电流的调整。
控制器24开启整流器21从电网中取电时，可以根据DC/DC变换器22输出的电流，控制整流器21对电网输入的交流的整流方式，具体方式这里不再详述。
本发明实施例提供的上述UPS装置，在太阳能电池有电且够用的情况下，单独由太阳能电池为负载供电，在太阳能电池有电但电不够用的情况下，通过太阳能电池和电网联合供电，在太阳能没有电的情况，才完全采用电网供电，因此最大程度地节省了电网的能耗，充分利用了可再生能源，且不需要相应的并网设备投资，仅需要加入一块DC/DC变换器即可，节省了硬件资源。
优选地，为了进一步保证不间断供电，如图1所示，该UPS装置还包括蓄电池3。UPS模块2还包括电池变换器25。
电池变换器25分别连接蓄电池3、控制器24和直流母线，根据控制器24的控制将蓄电池3输入的直流电变换后输出到直流母线中，或者从直流母线中取电为蓄电池充电。
本实施例控制器24还用于根据DC/DC变换器22反馈的电流值确定太阳能电池1能够满足负载功率要求时，控制电池变换器25从直流母线取电为蓄电池3充电，确定电网断电且确定太阳能电池1不能满足负载功率要求时，控制电池变换器25将蓄电池3输入的直流电变换后输出到直流母线中。
整流器21可以将整流后的电流值反馈到控制器24，从而控制器24可以根据整流器21反馈的电流值确定电网是否断电，还可以根据该电流值调整整流器21整流的幅度。如果电网断电且太阳能电池有电但不够用/太阳能电池没电时，通过控制电池变换器25，开始使用蓄电池3为负载供电，从而使不间断供电更加有保障。
优选地，为了进一步保证不间断供电，如图1所示，该UPS装置还包括UPS旁路4，分别与电网、逆变器23和负载连接，检测到逆变器23发生故障时，接通电网和负载的连接，由电网直接为负载供电，否则断开电网和负载的连接，由UPS模块2为负载供电。
本发明实施例提供一种基于上述UPS装置的供电方法，如图2所示，该方法包括：
步骤201，控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池是否能够满足负载功率要求，若是，执行步骤202，否则执行步骤203；
步骤202，关闭整流器，通过太阳能电池经DC/DC变换器和逆变器为负载供电；
步骤203，开启整流器，通过电网经整流器、逆变器为负载供电，及通过太阳能电池经DC/DC变换器和逆变器为负载供电。
本发明实施例提供的供电方法对应3种工作模式：
工作模式1
如图3a所示，当太阳能电池发电能满足负载的功率要求，控制器关闭整流器，将直接由太阳能电池板发电，经DC/DC变换器和逆变器给负载供电，电网是作为后备电源的。
工作模式2
如图3b所示，当太阳能电池有电但不能满足负载功率要求时，控制器开启整流器可由太阳能电池和电网联合供电给负载。市电经过整流器和逆变器给负载供电，太阳能电池经过DC/DC变换器和逆变器给负载供电。
优选地，在电网供电和太阳能电池联合供电过程中，控制器可以控制电池变换器从直流母线中取电为蓄电池充电。
工作模式3
如图3c所示，当太阳能电池没有电无法供电时，控制器开启整流器可由市电电网直接给负载供电。
优选地，在市电电网供电过程中，控制器可以控制电池变换器从直流母线中取电为蓄电池充电。
优选地，本发明实施例提供的方法还支持工作模式4和工作模块5。
工作模式4
如图3d所示，控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池能够满足负载功率要求时，控制电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电。
在太阳能电池电量够足的情况，在其单独为负载供电的过程中还可以实现为蓄电池充电。
工作模式5
UPS旁路检测到逆变器发生故障时，接通电网和负载的连接，通过UPS旁路为负载供电。
UPS旁路主要包括检测模块及开关，检测模块用于检测逆变器是否发生故障，开关用于实现电网与负载的连接和断开。
当然，本发明实施例提供的供电方法还支持如下工作模式：
控制器确定电网断电，且根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池不能满足负载功率要求(包括太阳能电池有电但不够用和太阳能电池没有电两种情况)时，控制电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到直流母线中，即由蓄电池和太阳能电池联合为负载供电或由蓄电池单独为负载供电。
依照本发明UPS装置的优选实施方式二，提供另一种UPS装置，如图4所示，包括：
太阳能电池，用于将太阳能转换为电能并储存；
至少一个UPS模块，每个UPS模块包括整流器、逆变器和控制器；
整流器输入端通过切换开关选择与电网连接或与太阳能电池连接，输出端通过直流母线与逆变器连接，控制端与控制器连接；
逆变器在控制器的控制下，将直流母线中的直流电变换为交流电为负载供电；
控制器控制整流器通过切换开关选择与电网连接或与太阳能电池连接，整流器与电网连接时，将电网中的交流电转换为直流电输出到直流母线上，所述整流器与太阳能电池连接时，将太阳能电池输入的直流电变换后输出到直流母线上。
优选地，上述多个UPS模块中的控制器相互连接，以协调控制UPS模块中其它各器件为负载供电。
本发明实施例中每个UPS模块可以独立工作，有多个UPS模块时，并联为负载供电。太阳能电池可直接接入各UPS模块的整流器，而不需要单独的DC/DC变换器，可以进一步节省硬件资源。
这种实施方案，虽然每个UPS模块同时接入市电电网和太阳能电池，但其通过切换开关选择接通市电电网或太阳能电池，在UPS装置内有多个UPS模块时，在太阳能电池的电量足够用时，至少有一个UPS模块使用太阳能电池为负载供电，从而可以节省电网的能耗。如图5所示，当UPS装置内有2个以上UPS模块时，模块可分别独立选择工作于市电电网或者由太阳能电池供电。
当UPS装置内只有一个UPS模块时，在太阳能电池的电量足够用时，优选选择太阳能电池为负载供电，从而可以节省电网的能耗。
优选地，本发明实施例中的切换开关为半导体开关器件，该半导体开关器件由控制器控制。
优选地，如图4所示，该UPS装置还包括：蓄电池。
每个UPS模块还包括：电池变换器，分别连接蓄电池、控制器和直流母线，根据控制器的控制将蓄电池输入的直流电变换后输出到直流母线中，或者从直流母线中取电为蓄电池充电。
本发明实施例中，控制器还用于确定整流器的电流输出能够满足负载功率要求时，控制电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电，整流器的电流输出不能满足负载功率要求时，控制电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到直流母线中。
因此，对于选择由太阳能电池供电的UPS模块，在太阳能电池的电量不够用时，可以选择联合蓄电池为负载供电，从而最大程度地利用可再生资源。
为了进一步保证不间断供电，优选地，所述UPS装置还包括：UPS旁路，分别与电网、每个UPS模块中的逆变器和负载连接，检测到任一UPS模块中的逆变器发生故障时，接通电网和负载的连接，否则断开电网和负载的连接。
本发明实施例还提供一种基于上述UPS装置的供电方法，包括：
通过至少一个UPS模块联合为负载供电；
每个UPS模块采用如下方式为负载供电：
UPS模块中的控制器控制整流器通过切换开关选择与电网连接，通过电网经整流器和逆变器为负载供电，或者选择与太阳能电池连接，通过太阳能电池经整理器和逆变器为负载供电。
优选地，所述UPS装置还包括蓄电池，每个UPS模块还包括电池变换器，该方法还包括：
UPS模块中的控制器确定整流器的电流输出能够满足负载功率要求时，控制电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电；
UPS模块中的控制器确定整流器的电流输出不能满足负载功率要求时，控制所述电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中。
优选地，所述UPS装置还包括UPS旁路，该方法还包括：
UPS旁路检测到任一UPS模块中的逆变器发生故障时，接通电网和负载的连接，否则断开电网和负载的连接。
本发明上述实施例提供的UPS装置，不管是太阳能电池经过DC/DC变换器接入UPS的直流母线的实现方式，还是UPS模块通过整流器直接接入太阳能电池的实现方式，均是基于将太阳能电池输出的电流进行变换后输出到直流母线上为负载供电的节能供电方式，第一种方式需要在硬件上增加DC/DC转换器，但可以实现的供电方式更灵活，第二方式不需要在硬件上增加电流变换器，直接利用UPS模块内的整流器对太阳能电池输出的直流电进行变换，但该方式不能与市电电网同时在一个UPS模块内为负载联合供电，适用于多个UPS模块联合为负载供电的情况。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种不间断电源UPS装置，其特征在于，包括：
太阳能电池，用于将太阳能转换为电能并储存；
UPS模块，包括整流器、DC/DC变换器、逆变器和控制器；
所述整流器输入端与电网连接，输出端通过直流母线与所述逆变器连接，控制端与所述控制器连接；
所述DC/DC变换器输入端与太阳能电池连接、输出端通过直流母线与逆变器连接，反馈端与控制器连接，将太阳能电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中，将变换后输出的直流电的电流值反馈到所述控制器；
所述逆变器在所述控制器的控制下，将直流母线中的直流电变换为交流电为负载供电；
所述控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池能够满足负载功率要求时，关闭整流器，确定太阳能电池不能满足负载功率要求时开启整流器，将电网中的交流电转换为直流电输出到直流母线上。
2.如权利要求1所述的UPS装置，其特征在于，所述UPS装置还包括：
蓄电池；
所述UPS模块还包括：电池变换器，分别连接所述蓄电池、控制器和直流母线，根据控制器的控制将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中，或者从直流母线中取电为蓄电池充电；
所述控制器还用于根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池能够满足负载功率要求时，控制所述电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电，确定电网断电且确定太阳能电池不能满足负载功率要求时，控制所述电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中。
3.如权利要求1所述的UPS装置，其特征在于，所述UPS装置还包括：
UPS旁路，分别与电网、逆变器和负载连接，检测到所述逆变器发生故障时，接通电网和负载的连接，否则断开电网和负载的连接。
4.一种不间断电源UPS装置，其特征在于，包括：
太阳能电池，用于将太阳能转换为电能并储存；
至少一个UPS模块，每个UPS模块包括整流器、逆变器和控制器；
所述整流器输入端通过切换开关选择与电网连接或与太阳能电池连接，输出端通过直流母线与所述逆变器连接，控制端与所述控制器连接；
所述逆变器在所述控制器的控制下，将直流母线中的直流电变换为交流电为负载供电；
所述控制器控制整流器通过切换开关选择与电网连接或与太阳能电池连接，所述整流器与电网连接时，将电网中的交流电转换为直流电输出到直流母线上，所述整流器与太阳能电池连接时，将太阳能电池输入的直流电变换后输出到直流母线上。
5.如权利要求4所述的UPS装置，其特征在于，所述UPS装置还包括：
蓄电池；
每个UPS模块还包括：电池变换器，分别连接所述蓄电池、控制器和直流母线，根据控制器的控制将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中，或者从直流母线中取电为蓄电池充电；
所述控制器还用于确定整流器的电流输出能够满足负载功率要求时，控制所述电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电，整流器的电流输出不能满足负载功率要求时，控制所述电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中。
6.如权利要求4所述的UPS装置，其特征在于，所述UPS装置还包括：
UPS旁路，分别与电网、每个UPS模块中的逆变器和负载连接，检测到任一UPS模块中的逆变器发生故障时，接通电网和负载的连接，否则断开电网和负载的连接。
7.一种基于权利要求1所述UPS装置进行供电的方法，其特征在于，包括：
控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池能够满足负载功率要求时，关闭整流器，通过太阳能电池经DC/DC变换器和逆变器为负载供电；
控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池不能满足负载功率要求时开启整流器，通过电网经整流器、逆变器为负载供电，及通过太阳能电池经DC/DC变换器和逆变器为负载供电。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述UPS装置还包括蓄电池；所述UPS模块还包括电池变换器，该方法还包括：
所述控制器根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池能够满足负载功率要求时，控制所述电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电；
所述控制器确定电网断电且根据DC/DC变换器反馈的电流值确定太阳能电池不能满足负载功率要求时，控制所述电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中。
9.一种基于权利要求4所述UPS装置的供电方法，其特征在于，包括：
通过至少一个UPS模块联合为负载供电；
每个UPS模块采用如下方式为负载供电：
UPS模块中的控制器控制整流器通过切换开关选择与电网连接，通过电网经整流器和逆变器为负载供电，或者选择与太阳能电池连接，通过太阳能电池经整理器和逆变器为负载供电。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述UPS装置还包括蓄电池，每个UPS模块还包括电池变换器，该方法还包括：
UPS模块中的控制器确定整流器的电流输出能够满足负载功率要求时，控制所述电池变换器从直流母线取电为蓄电池充电；
UPS模块中的控制器确定整流器的电流输出不能满足负载功率要求时，控制所述电池变换器将蓄电池输入的直流电变换后输出到所述直流母线中。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述UPS装置还包括UPS旁路，该方法还包括：
UPS旁路检测到任一UPS模块中的逆变器发生故障时，接通电网和负载的连接，否则断开电网和负载的连接。
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