CN105723588A - 不间断电源控制 - Google Patents

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Abstract

提供了控制不间断电源的系统和方法。在一个方面中，不间断电源包括配置成从第一电源接收输入功率的第一输入端、配置成从第二电源接收输入功率的第二输入端、向负载提供源于第一电源和第二电源中的至少一个的功率的输出功率的输出端、与第一输入端、第二输入端和输出端耦合的功率转换电路、以及与功率转换电路耦合的控制器。控制器配置成控制功率转换电路以提供在第一电压电平处的输出功率的输出电压，且控制功率转换电路以提供在大体上第二电压电平处的输出功率的输出电压。

Description

不间断电源控制
背景
发明领域
本发明的至少一个实施例大体上涉及不间断电源的控制。
相关技术的讨论
不间断电源(UPS)用于向许多不同类型的电子设备提供可靠电能。不间断电源调节被提供至负载的电能，并且能够在损失主电源的情况下(诸如在停电或节电条件期间)向负载提供备用电源。除了向负载提供电能之外，一些电能还用在UPS的操作中，降低UPS的总效率。
概述
本发明的至少一个方面针对不间断电源。不间断电源包括配置成从第一电源接收输入功率的第一输入端、配置成从第二电源接收输入功率的第二输入端、向负载提供源于第一电源和第二电源中的至少一个的功率的输出功率的输出端、与第一输入端、第二输入端和输出端耦合的功率转换电路，以及与功率转换电路耦合的控制器。控制器在第一操作模式中配置为控制功率转换电路以提供在大体上第一电压电平处的输出功率的输出电压，且在第二操作模式中配置为控制功率转换电路以提供在大体上第二电压电平处的输出功率的输出电压，其中第二电压电平小于第一电压电平。
在不间断电源中，控制器可在第二操作模式中被配置为在输出端处提供源自第二电源的功率。控制器可在第一操作模式中被配置为在输出端处提供仅源自第一电源的功率。控制器可被配置成生成负载的简档，且配置成基于简档设定第二电压电平。控制器可被配置成通过向负载输出标称电压、将标称电压改变已知量以及检测由负载消耗的电流中的变化来生成负载的简档。第二电源可以是电池，并且不间断电源可包括电池。控制器还可被配置成检测负载的容量已经改变了阈值量，以及响应于检测生成所改变的负载的更新的简档。控制器还可被配置成基于更新的简档修改第二电压。
在另一个方面，提供了用于控制不间断电源的方法，该不间断电源具有配置成从第一电源接收输入功率的第一输入端、配置成从第二电源接收输入功率的第二输入端、配置成向负载提供源于第一电源和第二电源中的至少一个的功率的输出功率的输出端。该方法包括在第一操作模式中控制不间断电源以提供在大体上第一电压电平处的输出功率的输出电压，以及在第二操作模式中控制不间断电源以在大体上第二电压电平处提供输出功率的输出电压，其中第二电压电平小于第一电压电平。
该方法还可包括在第二操作模式中在输出端处提供源自第二电源的功率。该方法还可包括在第一操作模式中在输出端处提供仅源自第一电源的功率，以及生成负载的简档且基于简档设定第二电压电平。生成简档可包括向负载输出标称电压、将标称电压改变已知量以及检测由负载消耗的电流中的变化。第二电源可以是电池，并且该方法还可包括在第二操作模式中向负载提供仅源自电池的功率。该方法还可包括检负载的容量已经改变了阈值量，以及响应于检测生成所改变的负载的更新的简档。
另一个方面针对不间断电源(UPS)系统，其包括配置成从第一电源接收输入功率的第一输入端、配置成从第二电源接收输入功率的第二输入端、配置成向负载提供源于第一电源和第二电源中的至少一个的功率的输出功率、以及用于控制UPS系统的输出电压的装置，其包括用于检测输出功率由第二电源提供且作为响应将UPS系统的输出电压降低至减少的电压电平的装置。
UPS还可包括用于检测负载的简档且用于基于简档调整所降低的功率电平的装置。在UPS中，第二电源可以是电池，并UPS可包括电池。UPS还可包括用于检测负载的特性中的变化并且基于变化更新简档的装置。
附图的简要说明
所附附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各个附图中所示的每个相同或近似相同的组件由相同的数字表示。出于清楚的目的，并不是每一个组件可在每一个附图中标注。在附图中：
图1是根据实施例的描绘示例不间断电源的功能性框图；
图2A是根据实施例的描绘示例不间断电源的功能性框图；
图2B是根据实施例的描绘示例不间断电源的功能性框图；
图3A是根据实施例的描绘示例不间断电源的功能性框图；
图3B是根据实施例的描绘示例不间断电源的功能性框图；以及
图4是根据实施例的显示示例过程的流程图。
具体描述
不间断电源(UPS)能够包括具有自适应逆变器调节器的逆变器，其能够将调节逆变器至负载的输出电压以延长电池的运行时间。输出的调节能够基于自适应逆变器调节器的设置的选择和负载的简档。通过将逆变器的输出均方根(RMS)电压降低在负载的可接受阈值内，能够延长电池的运行时间。
本文讨论的方法和装置的示例不被限制在以下描述中所阐述或所附附图中示出的组件的结构和布置的细节的应用中。该方法和装置能够在其他示例中实现且以各种方式来实践或执行。本文提供的特定实施方案的示例仅用于例证的目的且不旨在进行限制。特别地，连同任意一个或多个示例一起讨论的动作、组件、元件和特征不旨在排除任意其他示例中的类似作用。
另外，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的且不应被视为限制。对于本文中对系统和方法的示例、组件、元件或动作的任何单数引用可还涵盖包括复数的示例，并且本文中对于任何示例、组件、元件或动作的复数形式的任何引用也可涵盖包括仅单数的示例。以单数或复数形式的引用不旨在限制当前所公开的系统或方法、其组件、动作或元件。本文中“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型的使用意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及另外的项目。“或”的引用可以被视为包含的使得利用“或”描述的任意术语可以指示单个、多于一个以及全部的所描述术语中的任一个。
图1是描绘不间断电源(UPS)100的功能性框图100。不间断电源100包括诸如断路器/滤波器105的功率转换电路、整流器110、控制开关115、控制器120、备用电源125、逆变器130、诸如隔离变压器135的变压器以及旁通开关140。不间断电源100还包括至少一个输入端145和输出端150。输入端145将AC电源155(例如，电力网)与不间断电源100耦合，并且输出端150将不间断电源100与负载耦合。
图1的UPS100可以成为双转换式UPS。本文所描述的方面不被限制于双转换式UPS一起使用，而是同样可以与其他UPS拓扑一起使用。
在一个实施例中，断路器/滤波器105经由输入端145从AC电源155接收电能、将输入功率滤波、并且将滤波的功率提供至整流器110。整流器110将滤波的功率整流并且将整流功率提供至控制开关115。UPS100还能够包括功率因数校正电路，其能够包括整流器110和/或断路器/滤波器105。控制开关115从整流器110接收整流功率并且从备用电源125(诸如电池或燃料电池)接收DC功率。在控制器120的控制下，控制开关115将来自整流器110的功率提供至逆变器130。例如，在控制器120确定整流器110的输出功率在容差范围内时，控制器120改变控制开关115的状态以耦合整流器110和逆变器130。在一些实施例中，控制器120确定整流器110的输出功率例如在停电或节点条件期间处于容差范围之外。在这个示例中，控制器120操作开关115的控制以将来自备用电源125的DC功率直接地或经由诸如整流器110的中介组件提供至逆变器130。不间断电源100在AC电源155的故障期间经由备用电源125在输出端150提供电能以用于负载。
逆变器130从整流器110或备用电源125接收DC功率输出、将DC功率转换为AC功率、并且调节AC功率。在一些其中不间断电源100包括隔离变压器135的实施例中，逆变器130向隔离变压器135提供调节的AC功率。隔离变压器135增加或降低来自逆变器130的AC功率输出的电压，并且在不间断电源100和负载之间提供隔离。
在一些实施例中，旁通开关140将AC电源155或输入端145与输出端150耦合、将不间断电源100的至少一些组件绕开，(例如整流器110)以便在旁通操作模式中向输出端150提供功率。例如，当来自AC电源155的电能质量在容差范围内，或者当不间断电源100的整流器110或其他组件发生故障时，控制器120控制旁通开关140以在旁通模式中操作。在一些实施例中，控制器120根据输入功率的质量在各种模式中操作UPS100。例如，如果输入功率的质量在第一阈值之上则UPS100在旁通模式中运行，而如果输入功率的质量在第二阈值之下则UPS100靠备用电源运行。期望的是，在可能的情况下以旁通模式进行操作，因为其是最能源高效的。但是，如果功率的质量过低，则负载可能有损坏的危险。此外，低质量电能或电能质量的下降可以指示出电网故障更可能发生，在该情况中在电网故障之前由备用电源运行能够防止对负载的损害或电力中断。
在一些实施例中，控制器120包括至少一个处理器或其他逻辑设备。在一些实施例中，控制器120包括数字信号处理器(DSP)。控制器120还可以包括至少一个现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)或其他硬件、软件、固件或其组合。在各个实施例中，一个或多个控制器可以是UPS100的部分，或者在UPS100外部但与UPS100可操作地耦合。
UPS100包括自适应逆变器调节，其能够通过控制器120来执行。自适应逆变器调节能够具有多个设置，对于该设置用户能够设定设置的选择以改变逆变器调节的幅度。例如，设置的选择可以“关”、“低”、“中”和“高”中的一个。可以提供更多或更少的选择设置。更高的选择可以允许控制器120在更大程度上调节逆变器130以便潜在地延长备用电源125的运行时间更长的持续时间。控制器120能够通过将UPS100的输出电压降低到耦合至输出端150的负载可接受的参数内来延长备用电源125的运行时间。可接受的参数能够通过如下进一步描述的确定负载的简档来确定。
图2A是类似于UPS100的UPS200的操作的示例模式的功能性框图，并且相似的组件由相同的参考标号来标识。图2A显示了不具有自适应逆变器调节的在过载操作模式中运行的UPS200，诸如在将自适应逆变器调节的设置选择设定为“关”。UPS200向负载165提供电能，其能够包括多个负载组件。电能从AC电源155以及备用电源125二者接收。由于UPS200在过载模式中运行，因此UPS200经由整流器110从AC电源155接收UPS200的负载容量的110％。UPS200还经由DC/DC转换器160从备用电源125接收UPS200的负载容量的6％。UPS200向逆变器130提供两个电源总共116％。在图2A的示例中，自适应逆变器调节被关断，并且UPS200向负载165提供全部116％的所接收电能。在这个示例中，在一些点处，当备用电源是电池时，根据电池容量和负载的能耗，电池将要耗尽要求UPS进入旁通操作，或者如果AC电源不可用，则将UPS切断。
图2B是UPS200的另一个示例操作模式的功能性框图。图2B显示了如在图2A中所示的在过载模式中运行的UPS200，但其中自适应逆变器调节打开。在这个示例中，自适应逆变器调节设定到“高”。在一些实施例中，“低”可以对应于输出电压的2％的降低，“中”可以对应于输出电压的4％的降低，而“高”可以对应于输出电压的6％的降低。其他百分比以及更多或更少的设置选择可以选择。由于自适应逆变器调节被设定为“高”，因此逆变器130可以被调节以输出比图2A少6％的输出电压。因此，UPS200可以从AC电源155接收负载容量的110％，并且能够向负载供电而无需使用来自备用电源125的电能。在图2B的示例中，UPS可以继续向负载供电而需耗尽作为备用电源使用的电池。
图3A是UPS200的另一个示例操作模式的功能性框图。图3A显示了在备用电源操作模式中运行的UPS200，其不从AC电源155接收电能。此外，UPS200从备用电源125接收用于负载的电能的100％。UPS200在DC/DC转换器160处从备用电源125接收DC功率。DC/DC转换器160转换功率并且向逆变器130提供电能。由于UPS200在自适应逆变器调节关断的情况下运行，因此逆变器130将DC功率转换为AC功率并且向负载165提供完全的100％电压。由于备用电源125向负载165提供电力，因此备用电源将具有在备用电源125用完电能之前的特定运行时间。特定运行时间将取决于初始存储在备用电源125中的电量以及由负载165消耗的电量。
图3B是UPS200的另一个示例操作模式的功能性框图。图3B显示了如图3A中的在备用电源操作模式中运行的UPS200，但其中自适应逆变器调节设定为“高”。在一些实施例中，“高”设置导致输出电压的6％的降低。根据负载的类型，这种输出电压的降低不危及负载165的安全操作。还根据负载的类型，这种降低可以导致负载165所消耗电流的相应降低。例如，对于无源负载，输出电压的6％的降低可以导致负载165所消耗电流的6％的降低，使得备用电源125的运行时间能够增加12％或更多。
在一个实施例中，UPS200能够生成负载165的简档以确定将对应于自适应逆变器调节的设置中的每一个的、备用电源125的运行时间的增加。UPS200能够通过输出标称电压到负载165来生成负载简档。UPS100然后可以将输出至负载165的电压改变已知量，且然后测量由这个电压的变化所产生的电流中的变化。负载简档可以提供关于负载165是有源或无源或二者混合的信息。负载简档还可以用于基于对逆变器130做出的调整和输出电压来计算电池运行时间。
负载165的简档还可以用于配置选择设置中的每一个。例如，UPS200可以确定至负载165的RMS输入电压的最大安全降低并且基于最大安全降低改变选择设置中的每一个的百分比调整。在一些实施例中，UPS200可以将“高”设置设定为最大安全降低的一半并且相应地缩放其他设置。例如，如果负载165可以安全地接收少于10％的RMS电压，则UPS200可以将用于自适应逆变器调节的“高”设置设定为5％，并且相应地将“中”设置设定为3％，以及将“低”设置设定为1.5％。其他适当的算法可以用于设定选择设置，诸如具有对于“低”设置的最小百分比或其他这种因素。可选地或附加地，设置的百分比可以由用户或者是通过手动将设置输入UPS中或者通过UPS200的网络接口从远程计算机来配置。
在一些实施例中，负载165的简档可以受到在UPS200上设置的输出电流限制的影响。例如，如果负载165包括有源负载组件，则降低UPS200的输出电压能够导致负载165消耗的电流的增加。UPS200可以生成考虑了输出电流限制的负载简档和/或配置自适应逆变器调节的选择设置的百分比，以最大化备用电源125的运行时间而不会超出UPS输出电流限制。
在一些实施例中，负载简档可以用于确定备用电源125的运行时间的增加在阈值之下。例如，如果负载165主要包括有源负载组件，则备用电源125通过降低输出电压导致的运行时间的增加能够被最小化。诸如1％的阈值可以用于比较期望的运行时间增长。在一些实施例中，如果期望的运行时间增长没有满足阈值，则UPS100可以停止自适应逆变器调节。
在一些实施例中，基于负载简档和备用电源125的期望运行时间，备用电源125能够由较小的备用电源(诸如较小的电池)来替代。例如，如果来自备用电源125的运行时间的阈值量是负载165所期望的，如果期望的运行时间基于负载简档被充分延长，则仍然满足运行时间的阈值量的较小的电池能够被使用，从而允许UPS200使用更小空间和/或更小成本。
图4是UPS200的示例过程400的流程图。在动作402处，过程开始。在动作404处，UPS100确定自适应逆变器调节是否是作用的。自适应逆变器调节对于各种原因可以是不作用的，诸如选择设置设定为“关”，或期望的运行时间增长没有满足阈值，如之前所描述的。如果自适应逆变器调节是不作用的，则过程400可以在动作420处退出。如果自适应逆变器调节是作用的，则在动作406处UPS200确定UPS200是否在电池操作中运行。电池操作可以包括在其中来自备用电源125的电能被消耗的、UPS200的任何操作模式，无论电能是否还从AC电源155被接收。
如果UPS200没有在电池操作中运行，则过程400在动作420处退出。如果UPS200在电池操作中运行，则在动作408处UPS100确定负载简档是否已经被执行。如果负载简档还未被执行，则在动作410处UPS200生成负载简档。负载简档可以如上所述的被生成以确定期望的电池运行时间增长以及确定对于选择设置中的每一个的输出电压的百分比降低。
如果负载简档已经被执行，则UPS100可以确定耦合到UPS200的负载165是否已经改变了多于阈值量。例如，如果阈值量是10％，则UPS200可以确定负载165的容量是否已经改变了10％或更多。如果负载165已经改变了多于阈值量，则UPS200能够重新设定负载简档且再一次生成负载的简档。
如果负载没有改变至少阈值量，则在动作416处UPS200接收自适应逆变器调节设置的选择。基于设置的选择和负载的简档，在动作418处UPS200如上所述的调节逆变器130的输出RMS电压。在动作420处，过程400退出。
本文所描述的至少一些是可以与各种不同类型的UPS一起使用，包括在线、离线、线路交互、双转换式以及使用delta转换器的那些，以提供延长的运行时间能力同时仍然提供用于临界负载的足够的输出功率。根据实施例的UPS可作为单相或多相设备且在多个电压电平处操作。
如此描述了本发明的至少一个实施例的各个方面，应理解的是，各种替换、修改和改进对于本领域技术人员是容易想到的。这种替换、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，以上的描述和附图仅仅是举例说明。

Claims (20)

1.一种不间断电源，包括：
第一输入端，所述第一输入端配置成从第一电源接收输入功率；
第二输入端，所述第二输入端配置成从第二电源接收输入功率；
输出端，所述输出端配置成向负载提供源于所述第一电源和所述第二电源中的至少一个的功率的输出功率；
功率转换电路，所述功率转换电路与所述第一输入端、所述第二输入端和所述输出端耦合；以及
控制器，所述控制器与所述功率转换电路耦合，所述控制器配置成：
在第一操作模式中，控制所述功率转换电路以在大体上第一电压电平处提供所述输出功率的输出电压；
在第二操作模式中，控制所述功率转换电路以在大体上第二电压电平处提供所述输出功率的输出电压，其中所述第二电压电平小于所述第一电压电平。
2.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述控制器在所述第二操作模式中被配置为在所述输出端处提供源自所述第二电源的功率。
3.根据权利要求2所述的不间断电源，其中，所述控制器在所述第一操作模式中被配置为在所述输出端处提供仅源自所述第一电源的功率。
4.根据权利要求2所述的不间断电源，其中，所述控制器被配置成生成所述负载的简档，且配置成基于所述简档设定所述第二电压电平。
5.根据权利要求2所述的不间断电源，其中，所述控制器被配置成通过以下方式生成所述负载的所述简档：
向所述负载输出标称电压；
将所述标称电压改变已知量；以及
检测由所述负载消耗的电流中的变化。
6.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述第二电源是电池，并且其中所述不间断电源包括所述电池。
7.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述控制器还被配置成：
检测所述负载的容量已经改变了阈值量，以及
响应于所述检测，生成改变的负载的更新的简档。
8.根据权利要求7所述的不间断电源，其中，所述控制器还被配置成基于所述更新的简档修改第二电压。
9.一种用于控制不间断电源的方法，所述不间断电源具有第一输入端、第二输入端、输出端，所述第一输入端配置成从第一电源接收输入功率，所述第二输入端配置成从第二电源接收输入功率，所述输出端配置成向负载提供源于所述第一电源和所述第二电源中的至少一个的功率的输出功率，所述方法包括：
在第一操作模式中，控制所述不间断电源以在大体上第一电压电平处提供所述输出功率的输出电压；
在第二操作模式中，控制所述不间断电源以在大体上第二电压电平处提供所述输出功率的输出电压，其中所述第二电压电平小于所述第一电压电平。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括在所述第二操作模式中在所述输出端处提供源自所述第二电源的功率。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述第一操作模式中在所述输出端处提供仅源自所述第一电源的功率。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括生成所述负载的简档且基于所述简档设定所述第二电压电平。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，生成简档包括：
向所述负载输出标称电压；
将所述标称电压改变已知量；以及
检测由所述负载消耗的电流中的变化。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二电源是电池，并且其中所述方法还包括在所述第二操作模式中向所述负载提供仅源自所述电池的功率。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括：
检测所述负载的容量已经改变了阈值量，以及
响应于所述检测，生成改变的负载的更新的简档。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括基于所述更新的简档修改第二电压。
17.一种不间断电源(UPS)系统，包括：
第一输入端，所述第一输入端配置成从第一电源接收输入功率；
第二输入端，所述第二输入端配置成从第二电源接收输入功率；
输出端，所述输出端配置成向负载提供源于所述第一电源和所述第二电源中的至少一个的功率的输出功率；以及
用于控制所述UPS系统的输出电压的装置，其包括用于检测输出功率正由所述第二电源提供且作为响应将所述UPS系统的输出电压降低至减少的电压电平的装置。
18.根据权利要求17所述的UPS，还包括用于检测所述负载的简档且用于基于所述简档调整所降低的功率电平的装置。
19.根据权利要求18所述的UPS，其中，所述第二电源是电池，并且所述UPS包括所述电池。
20.根据权利要求18所述的UPS，还包括用于检测所述负载的特性中的变化并且基于所述变化更新所述简档的装置。
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