CN107534313B - 控制不间断电源系统以优化元件寿命的方法 - Google Patents

控制不间断电源系统以优化元件寿命的方法 Download PDF

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Abstract

一种控制不间断电源系统以增加元件寿命的方法包括：当不间断电源系统正在经受的温度增加时，降低不间断电源系统的最大输出功率限制，以及当该温度减小时，增加最大输出功率限制。在一方面中，该温度是不间断电源系统的至少整流器和逆变器所位于的不间断电源系统的设备外壳的环境温度。在一方面中，该方法还包括在系统进入过载条件时，基于该温度、过载条件和初始负载条件来确定过载时间限制。在一方面中，该方法还包括在系统进入备用电力模式时，基于该温度来确定电池后备时间。

Description

控制不间断电源系统以优化元件寿命的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年3月30日提交的第14/672,532号美国发明申请的优先权。上述申请的全部公开内容通过在本公开内容中引用而被并入本文。
技术领域
本公开内容涉及不间断电源的控制。
背景技术
本部分提供与本公开内容有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
在典型的数据中心环境下，在主电源出现故障时，不间断电源系统(UPS系统)向负载提供应急电力，以保护硬件例如计算机、服务器或者可能导致严重业务中断或数据丢失的其他电子设备。UPS系统通过提供足以启动备用电源或正确关闭受保护设备的能量来对电力中断提供近乎即时的保护。
图1是典型的现有技术UPS系统100的简化示意图。UPS系统100的基本元件为整流器102、逆变器104、DC电源例如电池106、控制器108和静态转换开关110。电池106可以通过升压电路107耦接至逆变器104的输入端105，电池106还耦接至整流器102的输出端103。整流器102的输入端114通过隔离开关116耦接至通常是从公共设施馈送的AC电力的初级电源115。静态转换开关110的输入端118通过隔离开关120耦接至通常是从公共设施馈送的AC电力的次级电源122，以及静态转换开关110的输出端124耦接至逆变器104的输出端126。逆变器104的输出端126通过隔离开关128耦接至UPS系统100的输出端112。UPS系统100的输出端112通过手动旁路开关130耦接至次级电源122。应当理解，初级电源115和次级电源122可以是不同的电源或者是例如由同一公共设施馈送的相同的电源，其耦接至隔离开关116和隔离开关120二者。静态转换开关110用于将与UPS系统100的输出端112相连接的负载134切换至次级电源122。保险丝用于保护负载134并且串联地耦接在负载134和UPS系统100的输出端112之间。在这方面，当静态转换开关110闭合时，负载连接至次级电源122，以及当静态转换开关断开时，负载从次级电源122断开(除非手动旁路开关130闭合)。
控制器108控制UPS系统100，包括：通过改变逆变器104中开关器件的占空比来控制逆变器104，使得逆变器104提供期望的输出电压。控制器108还控制静态转换开关110，以使得静态转换开关在闭合和断开之间切换。控制器108可以是以下电路或器件、以下电路或器件的一部分或包括以下电路或器件：专用电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；和/或处理器例如数字信号处理器(DSP)、微控制器等。应当理解，控制器108可以包括前述中的一个或一个以上例如基于DSP的数字控制器，该数字控制器通过生成适当的开关信号以对诸如IGBT和晶闸管之类的功率半导体进行切换来控制UPS系统100的每个功能块。
整流器102可以是具有三个全整流支路的三相整流器(并且示例性地使用功率开关器件例如IGBT)，每个相对应一个全整流支路，以及逆变器104可以是具有三个逆变器支路的三相逆变器，每个相对应一个逆变器支路。逆变器104也示例性地使用功率开关器件例如IGBT。整流器102和逆变器104被配置在双变换路径中，因此UPS系统100是双变换UPS系统。
静态转换开关110通常使用功率半导体开关器件来实现。用于实现静态转换开关的一类功率半导体开关器件是晶闸管，这是因为晶闸管是非常鲁棒的器件、相对便宜并且具有低损耗。通常，使用晶闸管实现的静态转换开关针对每个相具有一对反向连接的晶闸管132。亦即，如果UPS系统100是三相系统，则静态转换开关110将会具有三对反向连接的晶闸管132，每个相对应一对晶闸管。应当理解，每个晶闸管132可以包括多个并联连接的晶闸管132以提供必要的电力处理能力。
发明内容
本部分提供对本公开内容的一般概述，而非对本公开内容的全部范围或本公开内容的所有特征的全面公开。
根据本公开内容的一方面，基于不间断电源系统所经受的至少一个温度来动态地设置不间断电源系统的最大可用输出功率限制。亦即，使用该温度作为控制参数来设置最大可用输出功率限制。通过动态地设置，意味着当被用作控制参数的温度变化时，最大可用输出功率限制相应地改变。更具体地，随着温度的增加，最大可用电力输出限制降低。随着温度的降低，最大功率输出限制升高。
根据一方面，一种使用不间断电源系统的控制器来控制不间断电源系统的方法包括：当不间断电源系统所经受的至少一个温度增加时，降低不间断电源系统的最大输出功率限制，以及当该温度下降时，增加最大输出功率限制。使用温度传感器定期感测该温度并通过控制器接收所感测的温度，然后控制器调整最大输出功率限制。
在一方面中，使用控制器来更新最大功率输出限制包括：使用控制器以从较高至较低的排序设置最大功率输出限制，其中，温度越高，最大功率输出限制越低。在一方面中，以从较高至较低的排序设置最大功率输出包括：将最大功率输出设置成与温度的值相关联的值的范围内的值，其中，随着温度的增加，最大功率输出限制的关联值减小。
在一方面中，温度是不间断电源系统所位于的区域的环境温度。在一方面中，使用控制器来更新不间断电源的最大功率输出限制包括：使用控制器以从较高至较低的排序设置最大功率输出限制，其中，环境温度越高，最大功率输出限制越小。在一方面中，以从较高至较低的排序设置最大功率输出包括：将最大功率输出设置成与环境温度的值相关联的值的范围内的值，其中，随着环境温度的值从较低向较高发展，最大功率输出限制的关联值从较高向较低发展。
在一方面中，方法还包括或可替选地包括：在不间断电源系统进入过载条件时，基于温度、不间断电源系统所处的过载条件以及初始负载条件来确定过载时间限制，初始负载条件是不间断电源系统在紧接在不间断电源系统进入过载条件之前所经受的负载条件；以及当超过所确定的过载时间限制时，使用控制器来控制不间断电源系统以关闭不间断电源系统的逆变器。
在一方面中，方法还包括或可替选地包括：在不间断电源系统进入使用不间断电源系统的电池向不间断电源系统的逆变器供给DC电力的备用电力模式时，基于温度来确定电池后备时间(battery autonomy)以及当超过所确定的电池后备时间时使用控制器来控制不间断电源系统以关闭逆变器。
根据本文中提供的描述，其他应用领域将变得明显。本概述中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而非旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
在本文中描述的附图仅用于对所选择的实施方式而非全部可能的实现方式进行说明的目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。
图1是现有技术UPS系统的简化示意图；
图2是根据本公开内容的一方面的包括基于UPS系统正在经受的环境温度来定期确定最大输出功率限制的用于控制UPS系统的软件程序的流程图；
图3是根据本公开内容的一方面的UPS系统的简化示意图；以及
图4是示出了根据本公开内容的一方面的在各个环境温度下的最大输出功率限制的查找表；
图5是根据本公开内容的一方面的包括基于UPS系统所经受的环境温度、UPS系统正在经受的过载条件和初始负载条件来确定过载时间限制的用于控制UPS系统的软件程序的流程图；
图6A和图6B是示出了根据本公开内容的一方面的在各个环境温度下的过载时间限制的图表；
图7是根据本公开内容的一方面的包括基于UPS系统所经受的环境温度来确定电池后备时间的用于控制UPS系统的软件程序的流程图；以及
图8是以具有240个电池单元、264个电池单元和300个电池单元的电池为例示出了在各个环境温度下的电池后备时间的图表。
贯穿附图中的若干视图，相应的附图标记指示相应的部件。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例实施方式。
根据本公开内容的一方面，基于不间断电源系统(UPS系统)所经受的至少一个温度来动态地设置UPS系统的最大可用输出功率限制。亦即，使用该温度作为控制参数来设置最大可用输出功率限制。通过动态地设置，意味着当被用作控制参数的温度变化时，最大可用输出功率限制相应地改变。更具体地，随着该温度增加，最大可用电力输出限制减小。随着该温度降低，最大功率输出限制升高。通过以该方式改变UPS系统的最大输出功率限制优化了UPS系统的元件的寿命。
在确定UPS系统中的元件特别是功率半导体开关器件、磁性元件和电容器的寿命时的一个因素是元件在UPS系统运行时所经受的应力。该应力受UPS系统正在输出的功率和UPS系统所经受的温度二者的影响。在UPS系统以其最大输出功率限制运行时，该影响最大。例如，UPS系统所经受的温度的增加导致UPS系统的元件在运行时经受更多的应力，以及该温度的降低导致UPS系统的元件经受更少的应力。如本文所使用的，UPS系统所经受的温度是指UPS系统作为整体所经受的一个温度(或更多个温度)例如UPS系统所位于的区域如UPS系统的至少整流器和逆变器所位于的UPS系统的设备外壳的环境温度；或UPS系统的个体元件所经受的一个温度(或更多个温度)。
图2是包括基于UPS系统300所经受的环境温度例如至少整流器102和逆变器104所位于的UPS系统300的设备外壳304的环境温度来定期确定最大输出功率限制的用于控制UPS系统300(图3)以优化UPS系统300的元件特别是功率半导体开关器件的寿命的方法的流程图，以及图4是示出了在各个环境温度下的最大功率输出限制的表。应当理解，UPS系统300具有与图1的UPS系统100相同的基本元件，不同之处在于控制UPS系统300的控制器108’包括实现图2的方法的逻辑，该逻辑例如以软件的形式编程在控制器108’中。UPS系统300还包括耦接至控制器108’的环境温度传感器302，该传感器感测UPS系统300正在经受的环境温度。在图3所示的示例中，UPS系统300具有设备外壳，至少整流器102和逆变器104被定位在该设备外壳中，然后温度传感器302被定位在例如设备外壳的冷空气入口处以感测设备外壳中的环境温度。
方法开始于200。在202处，控制器108’读取由环境温度传感器302感测的环境温度。在204处，控制器108’例如通过读取图4的查找表来确定用于UPS系统300的最大输出功率限制的设置。然后在206处，控制器108’将UPS系统300的最大输出功率限制设置成控制器108’基于环境温度确定的设置。应当理解，如果环境温度落入图4的表中的两个条目之间，则控制器108’通过使用图4的表中最接近环境温度的温度下的最大输出功率限制来确定最大输出功率限制。如果环境温度位于图4的表中的温度中间，则使用在两个温度中较高的温度下的最大输出功率限制。在208处，控制器108’控制UPS系统300使得UPS系统300的最大输出功率不超过设置的最大输出功率限制。然后，控制器108’沿分支返回202并且重复以上所述。如此，控制器108’定期执行上述控制逻辑。
虽然在以上讨论的示例中，控制参数是UPS系统300所位于的区域的环境温度，但应当理解，可以使用该环境温度之外的温度作为控制参数或附加控制参数，例如布置有逆变器和/或整流器的功率开关半导体的(一个或更多个)散热器的(一个或更多个)温度或UPS系统300的其他元件例如UPS系统的输入和/或输出电感的(一个或更多个)温度。
除了基于UPS系统所经受的环境温度来确定UPS系统的最大输出功率限制外，还可以基于UPS系统所经受的环境温度来确定UPS系统的其他运行参数以优化元件寿命。两个这样的运行参数是过载时间限制和电池后备时间。如本文所使用的，过载时间限制是在UPS系统的逆变器关闭之前允许UPS系统的逆变器处于过载条件的最大时间。然后，这可能导致UPS系统切换到旁路电源。如本文所使用的，电池后备时间是在发生断电时允许电池向UPS系统的逆变器提供电力的最大时间。
UPS系统通常能够在短时间内管理逆变器过载条件。以往，UPS系统的制造商针对至少两个过载条件即125％额定输出功率和150％额定输出功率指定了该时间。根据本公开内容的一方面，针对任何给定的过载条件，基于UPS系统例如UPS系统300正在经受的环境温度以及UPS系统在紧接在UPS系统进入过载条件之前的负载条件来确定过载时间限制。在本文中，将UPS系统在紧接在UPS进入过载条件之前的负载条件称为初始负载条件。参照125％最大输出功率限制和150％最大输出功率限制这两个过载条件来描述该方法。然而，应当理解，该方法还应用于125％最大输出功率限制和150％最大输出功率限制之外的过载条件。
图5是包括基于UPS系统300在UPS系统300进入过载条件时所经受的环境温度、UPS系统300正经受的过载条件和初始负载条件来确定过载时间限制的用于控制UPS系统300(图3)以优化UPS系统300的元件特别是逆变器104的功率半导体开关器件的寿命的方法的流程图。如本文所使用的，过载条件是当逆变器104上的负载大于100％最大输出功率限制时的过载条件。在本文中，将过载条件表示为UPS系统300的最大输出功率限制的百分比并且大于100％。图6A和图6B是针对125％过载条件和150％过载条件下的各种示例初始负载条件-轻负载初始负载条件(例如在给定环境温度下最大输出功率限制的10％-15％的范围内)、全负载初始负载条件(在给定环境温度下100％最大输出功率限制)以及50％和75％初始负载条件(这是数据中心的典型负载的示例)示出了在各个环境温度下的过载时间限制的图表。在该示例中，如上参照图2至图4所描述的那样确定给定环境温度下的最大输出功率限制。在图6A和图6B中，针对被指定为kVA的线，y轴是kVA，而针对被指定为轻ILC、50％ILC、75％ILC和100％ILC的其余的线，y轴是以秒为单位的时间(ILC是初始负载条件)。
在UPS系统300进入过载条件时，方法开始于500。在502处，控制器108’读取由环境温度传感器302感测的环境温度。在504处，控制器108’通过例如根据图6A和图6B的图表(所述图表可以例如以查找表的形式例如编程在控制器108’中)，基于由环境温度传感器302感测的环境温度、UPS系统300所处的过载条件(在图6A和图6B的图表给定的示例中为125％和150％)以及初始负载条件来确定过载时间限制。在506处，控制器108’检查是否超过过载时间限制。如果未超过，则在508处，控制器108’检查UPS系统300是否仍处于过载条件以及如果UPS系统300仍处于过载条件，则控制器108’沿分支返回506。如果在506处，超过过载时间限制，则控制器108’沿分支至510，在510处关闭逆变器104，然后进行至512，在512处方法结束。
应当理解，控制器108’使用的(一个或更多个)图表(所述图表例如可以使其值包括在被编程在控制器108’中的查找表中)，可以示例性地包括所有适用的过载条件以及从轻负载到全负载的所有初始负载条件下的过载时间限制。还应当理解，这些过载时间限制基于在逆变器104中使用的开关功率半导体例如IGBT的特性，以及过载时间限制例如根据开关半导体在各个环境温度下的功耗而变化。过载时间限制可以例如通过以下公式来确定：
Figure BDA0001423109820000071
其中：τ是放置有IGBT的散热器的热时间常数；ΔThsamb是环境温度增量；
Figure BDA0001423109820000072
是外部环境温度相对于内部环境温度的增量(用于考虑在单元外部和单元内部(例如UPS系统的空气入口处)测量的Tamb之间相差几度)；ΔTheat_amb是放置有IGBT的散热器的温度增量；ΔTjhs是IGBT结点和散热器之间的温度增量；Tamb是外部环境温度；以及Tjmax是最大可允许的结点运行温度。
图7是包括基于UPS系统300所经受的环境温度来确定电池后备时间的用于控制UPS系统300(图3)的方法的流程图。图8是针对具有240个电池单元、264个电池单元和300个电池单元的电池示出了在各个环境温度下的电池后备时间的图表。在图8中，针对被指定为kVA的线，y轴是kVA，而针对被指定为240个电池单元、264个电池单元和300个电池单元的其余的线，y轴是以秒为单位的时间。
在UPS系统300进入使用电池106对逆变器104供给DC电力的备用电力模式时，方法开始于700。在702处，控制器108’读取由环境温度传感器302感测的环境温度。在704处，控制器108’通过例如根据图8的图表(该图表可以将其值例如以查找表的形式例如被编程在控制器108’中)，基于由环境温度传感器302感测的环境温度来确定电池106的电池后备时间。在706处，控制器108’检查是否超过电池后备时间。如果未超过，则在708处，控制器108’检查UPS系统300是否仍处于备用电力模式，以及如果UPS系统300仍处于备用电力模式，则控制器108’沿分支返回706。如果在706处，已经超过电池后备时间，则控制器108’沿分支至710，在710处关闭逆变器104，然后进行至712，在712处方法结束。
应当理解，电池106的电池后备时间是针对电池106所具有的电池单元数量的电池后备时间。还应当理解，控制器108’使用的图表(该图表例如使其值包括在被编程在控制器108’中的查找表中)可以包括针对电池106所具有的电池单元数量的电池后备时间。图8中的图示以具有240个电池单元、264个电池单元和300个电池单元的电池为例，这并不限制电池106可以具有的电池单元的数量。
应当理解，UPS系统例如UPS系统300可以具有以上参照图2至图8所描述的方法中的一个或任何组合。
应当理解，控制器108’可以是或可以包括编程有实现上述方法的软件的数字处理器(DSP)或微处理器。应当理解，可以使用其他逻辑器件例如现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或专用集成电路(ASIC)。还应当理解，当陈述控制器108’被配置成执行功能时，控制器108’具有实现由控制器108执行该功能的逻辑(例如软件程序、硬件或其组合)。
出于说明和描述的目的而提供了对实施方式的前述描述。该描述不旨在穷举或者限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常并不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的并且能够被用在所选的实施方式中，即使在没有具体示出或描述的情况下也是如此。特定实施方式的各个元件或特征也可以以许多方式变化。这样的变化并不被认为是背离本公开内容，而是所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围中。

Claims (4)

1.一种使用不间断电源系统的控制器来控制所述不间断电源系统以提高元件寿命的方法，包括：
使用温度传感器定期感测所述不间断电源系统的至少整流器和逆变器所位于的设备外壳中的环境温度以及使用所述控制器从所述温度传感器接收所感测的环境温度；
在所述控制器接收到每个定期感测的环境温度之后，使用所述控制器基于由所述控制器最近接收到的所感测的环境温度通过使用所述控制器将最大功率输出限制设置成与所感测的环境温度的值相关联的值的范围内的值来更新所述不间断电源系统的新的最大功率输出限制，其中，随着所感测的环境温度的值从较低向较高发展，新的最大功率输出限制的关联值从较高向较低发展，并且
其中，如果所感测的环境温度增加，则降低所述最大功率输出限制，以及如果所感测的环境温度减小，则增加所述最大功率输出限制；以及
然后使用所述控制器来控制所述不间断电源系统使得所述不间断电源系统的最大功率输出不超过经更新的最大功率输出限制,并且
其中所述方法还包括：在所述不间断电源系统进入过载条件时，基于所感测的环境温度、所述不间断电源系统所处的过载条件以及初始负载条件来确定过载时间限制，所述初始负载条件是所述不间断电源系统在紧接在所述不间断电源系统进入过载条件之前所经受的负载条件；以及在超过所确定的过载时间限制时，使用所述控制器来控制所述不间断电源系统以关闭所述不间断电源系统的逆变器。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述不间断电源系统进入使用所述不间断电源系统的电池向所述不间断电源系统的逆变器供给DC电力的备用电力模式时，基于所感测的环境温度来确定电池后备时间，以及当超过所确定的电池后备时间时，使用所述控制器来控制所述不间断电源系统以关闭所述逆变器，其中，所确定的电池后备时间是在发生断电时允许电池向所述不间断电源系统提供电力的最大时间。
3.一种使用不间断电源系统的控制器来控制所述不间断电源系统以提高元件寿命的方法，包括：
使用温度传感器感测所述不间断电源系统的至少整流器和逆变器所位于的设备外壳中的环境温度以及使用所述控制器从所述温度传感器接收所感测的环境温度；以及
在所述不间断电源系统进入过载条件时，基于在所述不间断电源系统进入所述过载条件时所感测的环境温度、所述不间断电源系统所处的过载条件以及初始负载条件来确定过载时间限制，所述初始负载条件是所述不间断电源系统在紧接在所述不间断电源系统进入过载条件之前所经受的负载条件；以及在超过所确定的过载时间限制时，使用所述控制器来控制所述不间断电源系统以关闭所述不间断电源系统的逆变器。
4.一种使用不间断电源系统的控制器来控制所述不间断电源系统以提高元件寿命的方法，包括：
使用温度传感器感测所述不间断电源系统的至少整流器和逆变器所位于的设备外壳中的环境温度以及使用所述控制器从所述温度传感器接收所感测的环境温度；以及
在所述不间断电源系统进入使用所述不间断电源系统的电池向所述不间断电源系统的逆变器供给DC电力的备用电力模式时，基于在所述不间断电源系统进入所述备用电力模式时所感测的环境温度来确定电池后备时间，以及当超过所确定的电池后备时间时，使用所述控制器来控制所述不间断电源系统以关闭所述逆变器。
CN201680019628.3A 2015-03-30 2016-02-19 控制不间断电源系统以优化元件寿命的方法 Active CN107534313B (zh)

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