CN107645203A - 储能变频器系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种储能变频器系统，其包括整流装置、逆变变频装置以及电池装置；所述整流装置的输入端连接于交流电，输出端连接于所述逆变变频装置的输入端并向所述逆变变频装置输出经由所述整流装置对所述交流电整流之后的整流直流电；所述电池装置的输出端连接于所述逆变变频装置的输入端并向所述逆变变频装置输出电池直流电；所述逆变变频装置的输出端连接于负载电机，并向所述负载电机输出经由所述逆变变频装置对所述整流装置输出的所述整流直流电或在所述交流电停止供电时所述电池装置输出的所述电池直流电变频之后的变频交流电。本发明的储能变频器系统解决了现阶段的不间断供电方案具有电能损耗率较高、稳定性较差的技术问题。

Description

储能变频器系统

技术领域

本申请涉及数据中心供电技术，具体涉及一种为数据中心负载电机进行供电的智能储能变频器系统。

背景技术

数据中心容纳大量IT设备与IT系统，IT系统用来在Internet网络、IT设备等基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息，其在互联网时代扮演着至关重要的角色。目前的数据中心机房水泵、冷机和空调等制冷设施都配置了变频器，主要目的是采用变频器进行负荷调节、降低启动电流；近年来随着数据中心单位机架功率密度越来越高，为了保证在异常断电的时间间隔中数据中心不过热，高密度数据中心不得不为所有的精密空调、水泵、冷机等配置不间断电源和蓄电池组，即数据中心的制冷系统显得尤为重要，而制冷系统的核心部件是电机，因此对制冷系统的电机进行供电是极其关键的。

传统的对制冷系统的电机进行不间断供电方案主要依赖UPS(UninterruptiblePower Supply)或者EPS(Emergency Power Supply)然后经过变频器进行变频供电，以UPS为例，请参考图1，电能需要经过交流市电→UPS→变频器→到达制冷电机。供电架构首先需要经过UPS中的AC/DC整流、DC/AC逆变两次转换电路；然后再经过变频器电源AC/DC整流、DC/AC逆变两次转换电路，即电能从交流市电到制冷电机的传输过程需要经过两次整流以及两次逆变频，电能在整流以及变频过程中需要损耗大量的电能，即现有的不间断供电方案具有电能损耗率较高的技术问题。

另一方面，现阶段的集中UPS供电方案通常采用塔式机，或者采用EPS进行供电，两种设备的逆变器故障率较高，设备故障一般较难维修，维修时间较长，即现有的不间断供电方案具有稳定性较差的技术问题。

简而言之，现阶段的不间断供电方案具有电能损耗率较高、稳定性较差的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种储能变频器系统，用以解决现阶段的不间断供电方案具有电能损耗率较高、稳定性较差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

本申请揭示了一种储能变频器系统，其包括整流装置、逆变变频装置以及电池装置；所述整流装置的输入端连接于交流电，输出端连接于所述逆变变频装置的输入端并向所述逆变变频装置输出经由所述整流装置对所述交流电整流之后的整流直流电；所述电池装置的输出端连接于所述逆变变频装置的输入端并向所述逆变变频装置输出电池直流电；所述逆变变频装置的输出端连接于负载电机，并向所述负载电机输出经由所述逆变变频装置对所述整流装置输出的所述整流直流电或在所述交流电停止供电时所述电池装置输出的所述电池直流电变频之后的变频交流电。

进一步地，所述整流装置包括多个相互并联的整流模块，各个所述整流模块分别连接于所述交流电，且向所述逆变变频装置输出所述整流直流电。

进一步地，所述整流模块的数量由所述负载电机的额定功率决定，并根据系统可靠性要求进行冗余设置。

进一步地，所述电池装置包括电池母线、电池开关以及电池组，所述电池母线分别连接于各个所述整流模块以及所述逆变变频装置的输入端，所述电池开关设置于所述电池组以及所述电池母线之间，所述电池组用于在所述电池开关闭合的情况下通过所述电池母线向所述逆变变频装置输出所述电池直流电。

进一步地，各个所述整流模块分别通过所述电池母线将所述整流直流电输入至所述逆变变频装置的输入端。

进一步地，所述储能变频器系统还包括控制器，所述控制器分别连接于所述整流装置、所述逆变变频装置、所述电池装置以及所述负载电机，用于实时监测所述整流装置、所述逆变变频装置、所述电池装置以及所述负载电机的工作状态，并控制各个所述整流模块的休眠或启动。

进一步地，在所述交流电供给正常时，所述交流电经过各个所述整流模块整流之后形成所述整流直流电，然后经过所述逆变变频装置变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机。

进一步地，在所述交流电供给正常且所述负载电机运行功率小于第一阈值功率时，所述控制器控制一部分所述整流模块进入休眠状态，所述交流电经过另一部分所述整流模块整流之后形成所述整流直流电，然后经过所述逆变变频装置变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机。

进一步地，在所述负载电机运行功率大于第二阈值功率时，所述控制器唤醒进入休眠状态的所述整流模块，所述交流电经过各个所述整流模块整流之后形成所述整流直流电，然后经过所述逆变变频装置变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机。

进一步地，在所述交流电停止供给时，所述控制器控制所述电池开关闭合，所述电池装置向所述逆变变频装置输出所述电池直流电，然后经过所述逆变变频装置变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机。

进一步地，所述整流装置的输出端还连接于所述电池组，用于在所述交流电供给正常时对所述电池组进行充电。

进一步地，所述电池组为铅酸电池组或者锂电池组。

进一步地，其特征在于，所述电池组中电池的数量与所述负载电机的额定功率以及所述电池组的后备时间正相关。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：

本申请的储能变频器系统通过整流装置对交流电进行整流或者电池装置直接输出直流电，然后通过逆变变频装置变频为交流电，进而输出至负载电机，改进成储能变频器的方式，减少电能转换次数，提高电能转换效率，解决了现阶段的不间断供电方案具有电能损耗率较高、稳定性较差的技术问题；储能型变频器中各个整流模块采用模块化设计，具有在线热插拔的功能，提高运维效率，以及冗余设计，提高系统可靠性；整流装置中的各个整流模块能够根据负载率，在控制器的控制下进行休眠和唤醒功能，提升整流装置的利用率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中UPS不间断供电方案结构示意图；

图2为本申请第一实施例的储能变频器系统的供电方案结构示意图；

图3为本申请第一实施例的储能变频器系统的结构示意图；

图4为本申请第二实施例的储能变频器系统的结构示意图；

图5为本申请第二实施例的储能变频器系统在市电正常供电时的一工作原理图；

图6为本申请第二实施例的储能变频器系统在市电正常供电时的又一工作原理图；

图7为本申请第二实施例的储能变频器系统在市电供电故障时的工作原理图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”或“电性连接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其它装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者系统中还存在另外的相同要素。

实施例描述

本申请实施例中，首先通过整流装置中各个整流模块对交流市电进行整流输出整流直流电或者经过电池装置直接输出电池直流电，然后将所述整流直流电和/或所述电池直流电通过逆变变频装置变频为交流电，然后输出至负载电机，改进成储能变频器的方式，减少电能转换次数，提高电能转换效率。

具体实施例

实施例一

请参考图1，为现有技术中UPS不间断供电方案结构示意图。市电电网输入交流市电至UPS，经过UPS之后输出至变频器，最后到达电机。在此过程中，UPS首先将交流市电(AC)第一次转换成直流电(DC)，然后跟备用电池输出的直流电(DC)一起经过第二次转换成交流电(AC)进行输出，在进入所述电机之前还要经过变频器的变频，以进行负荷调节、降低启动电流，以提升所述电机的运行效率；在所述变频器的变频过程中，还需要对第二次转换之后的交流电(AC)进行第三次交流电(AC)到直流电(DC)的转换，以及第四次直流电(DC)到交流电(AC)的转换，最后才输入至所述电机。即，在整个由交流市电到电机的输电过程中，需要经过四次电能的转换，而电能在转换的过程中需要损耗大量的电能，即现有的不间断供电方案具有电能损耗率较高的技术问题；另一方面，图1中的集中式UPS供电方案通常采用塔式机，或者采用EPS进行供电，两种设备的逆变器故障率较高，设备故障一般较难维修，维修时间较长，即现有的不间断供电方案具有稳定性较差的技术问题。综上所述，现有技术的不间断供电方案具有电能损耗率较高、稳定性较差的技术问题。

为解决现有技术的不间断供电方案具有电能损耗率较高、稳定性较差的技术问题，请参考图2，为本申请第一实施例的储能变频器系统的供电方案结构示意图。

结合图3，为本申请第一实施例的储能变频器系统的结构示意图，所述储能变频器系统包括整流装置105、逆变变频装置107以及电池装置106。具体地，所述整流装置105的输入端连接于交流电，其中，所述交流电是指电流方向随时间作周期性变化，以下实施例中所述交流电包括但不限制于交流市电，并以交流市电展开描述，所述整流装置105的输出端连接于所述逆变变频装置107的输入端并向所述逆变变频装置107输出经由所述整流装置105对所述交流市电整流之后的整流直流电；所述电池装置106的输出端连接于所述逆变变频装置107的输入端并向所述逆变变频装置107输出电池直流电；所述逆变变频装置107的输出端连接于负载电机109，并向所述负载电机109输出经由所述逆变变频装置107对所述整流装置105输出的所述整流直流电或在所述交流市电停止供电时所述电池装置106输出的所述电池直流电变频之后的变频交流电。

在这里，所述交流市电可以是380V的交流市电，或者是220V的交流市电，本申请并不对此做过多的限定。所述负载电机109可以是制冷系统的电机，如指空调，水泵，冷机中的电机，一般情况下所述负载电机109采用三相交流电驱动，即所述交流市电一般指的是三相交流市电。

所述交流市电首先要经过所述整流装置105的整流，将交流市电第一次转换为整流直流电，然后所述整流直流电输入至所述逆变变频装置107；同时，所述电池装置106也向所述逆变变频装置107输出电池直流电。其中，所述整流直流电指的是经过所述整流装置105整流之后的直流电，所述电池直流电指的是由所述电池装置106直接输出的直流电，因此所述整流直流电和所述电池直流电属于不同性质来源的直流电，但是同样具有直流电的特性。在电能到达所述负载电机109之前，要对所述整流直流电和所述电池直流电进行逆变频，使其变成交流电，因此在直流电输入端(所述整流装置105以及所述电池装置106)和所述负载电机109之间设置所述逆变变频装置107，所述整流直流电和所述电池直流电需要经过所述逆变变频装置107的逆变频，将直流电经过第二次转换变成交流电，输入至所述负载电机109进行电机驱动。

纵观交流市电到所述负载电机109的过程，仅仅需要两次电能的转换，避免在电能转换的过程中电能的损失，提升电能利用率；另外，经过所述整流装置105整流之后还可以对所述电池装置106进行充电，即进行能量的储备，即改进了储能变频器的方式，避免了现阶段的集中UPS供电方案通常采用塔式机，或者采用EPS进行供电，两种设备的逆变器故障率较高，设备故障一般较难维修，维修时间较长的问题；简言之，解决了现阶段的不间断供电方案具有电能损耗率较高、稳定性较差的技术问题。

实施例二

请参考图4，为本申请第二实施例的储能变频器系统的结构示意图，本实施例是在实施例一的基础上。

所述整流装置105包括多个相互并联的整流模块100，各个所述整流模块100分别连接于所述交流市电，且向所述逆变变频装置107输出所述整流直流电。其中，所述整流模块100的数量由所述负载电机109的额定功率决定，并根据系统可靠性要求进行冗余设置。在这里，进行市电整流的所述整流模块100共同承担所述负载电机109的运行功率，如所述负载电机109的运行功率为1000W，而此时参与整流的所述整流模块100的个数一般根据系统的可靠性要求进行设置，一般情况下假若参与的所述整流模块100的个数为5，那么每个所述整流模块100所承担的功率为200W。在这里，所述冗余设置一般指的是2N或者N+1冗余方式，如额定功率为N个所述整流模块100的功率，此时一般设置2N个所述整流模块100或者N+1个所述整流模块100，所述冗余设置的好处在于当其中有所述整流模块100发生故障时，冗余的整流模块100可以启动，以保证供电需求。

所述电池装置106包括电池母线103、电池开关102以及电池组101，所述电池母线103分别连接于各个所述整流模块100以及所述逆变变频装置107的输入端，所述电池开关102设置于所述电池组101以及所述电池母线103之间，所述电池组101用于在所述电池开关102闭合的情况下通过所述电池母线103向所述逆变变频装置107输出所述电池直流电。

另外，在所述交流市电正常供电时，各个所述整流模块100分别通过所述电池母线103将所述整流直流电输入至所述逆变变频装置107的输入端；以及所述交流市电发生供电故障时，所述电池组101放电，通过所述电池母线103将所述电池直流电输入至所述逆变变频装置107的输入端。

在本申请其他较佳实施例中，所述整流装置105的输出端还连接于所述电池组101，如通过所述电池母线103以及所述电池开关102连接于所述电池组101，用于在所述交流市电供给正常时对所述电池组101进行充电。在这里，所述电池开关102可以是直流断路器，也可以是负荷开关和熔丝的组合，也可以是充放电DC-DC变换器，或者是具备电能管理的接触器等。

具体地，所述电池组101为具有充放电功能的铅酸电池组或者锂电池组，在这里，所述铅酸电池组以及所述锂电池组只是实例性质，并不构成对本申请以及本申请实施例的限制，可以想到的是一切具有充放电功能的电池都可以适用于本申请。

以及，所述电池组101中电池的数量与所述负载电机109的额定功率以及所述电池组101的后备时间正相关。本申请中，所述电池组101是在市电发生故障时，临时对所述负载电机109提供电能支持，那势必所述电池组101中电池的数量要与所述负载电机109的额定功率的相匹配，以保证所述负载电机109的正常工作；另外，一般情况下所述电池组101的电量是有限的，所述负载电机109通常不能依靠所述电池组101长时间进行供电，一般会设置一个后备时间，所述后备时间指的是在所述市电故障后系统进行紧急处理(如关闭系统或者开启其他替代设备)所需要的时间。很显然，所述负载电机109的额定功率越高以及所述电池组101的后备时间越长，则需要的所述电池组101中电池的数量越多，各个电池的规格越大，即所述电池组101中电池的数量与所述负载电机109的额定功率以及所述电池组101的后备时间正相关。

在本申请其他较佳实施例中，所述储能变频器系统还包括控制器108，所述控制器108分别连接于所述整流装置105、所述逆变变频装置107、所述电池装置106以及所述负载电机109，用于实时监测所述整流装置105、所述逆变变频装置107、所述电池装置106以及所述负载电机109的工作状态，并控制各个所述整流模块100的休眠或启动。

在这里，所述控制器108通过检测所述整流装置105，所述电池系统106，所述逆变变频系统107，所述负载电机109的工作状态去协调控制电能的供给，例如使整流系统中的整流模块休眠等，同时向上级管理系统发送运行参数，故障告警等信息。对于所述控制器108的控制以及所述储能变频器系统的工作原理如下：

第一、请参考图5，为本申请第二实施例的储能变频器系统在市电正常供电时的一工作原理图。在所述交流市电供给正常时，所述交流市电经过各个所述整流模块110整流之后形成所述整流直流电，然后经过所述逆变变频装置107变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机109。

第二、请参考图6，为本申请第二实施例的储能变频器系统在市电正常供电时的又一工作原理图。在所述交流市电供给正常且所述负载电机109运行功率小于第一阈值功率时，所述控制器控制一部分所述整流模块100(如图中所示的虚线部分)进入休眠状态，所述交流市电经过另一部分所述整流模块100(如图中所示的实线部分)整流之后形成所述整流直流电，然后经过所述逆变变频装置107变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机。在这里，所述第一阈值功率根据系统的可靠性要求一般设置为所述负载电机109额定功率的20％—30％，需要指出的是所述20％—30％的第一阈值功率仅仅是实例性质，并不构成对本申请的限定。当所述负载电机109的运行功率较小时，此时不需要太多的所述整流模块100，所述控制器控制一部分所述整流模块100进入休眠状态，以提升所述整流模块100的利用率，节省资源，保证系统的可靠性。

所述负载电机109的运行功率不是一成不变的，在所述负载电机109运行功率大于第二阈值功率时，所述控制器唤醒进入休眠状态的所述整流模块100，所述交流市电经过各个所述整流模块100整流之后形成所述整流直流电，然后经过所述逆变变频装置107变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机109。在这里，所述进入休眠状态的所述整流模块100并不是长期处于休眠状态，当所述负载电机109的运行功率提升时，现有的所述整流模块100的个数无法保证所述负载电机109的正常运转时，需要重新启动处于休眠状态的所述整流模块100，以保证所述负载电机109的正常运转。

第三、请参考图7，为本申请第二实施例的储能变频器系统在市电供电故障时的工作原理图，在所述交流市电停止供给时或者供电故障时，所述控制器控制所述电池开关闭合，所述电池装置106向所述逆变变频装置107输出所述电池直流电，然后经过所述逆变变频装置107变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机109，即切换至所述电池装置106进行供电的模式。

本申请实施例的储能变频器系统通过整流装置对交流市电进行整流或者电池装置直接输出直流电，然后通过逆变变频装置变频为交流电，进而输出至负载电机，改进成储能变频器的方式，减少电能转换次数，提高电能转换效率，解决了现阶段的不间断供电方案具有电能损耗率较高、稳定性较差的技术问题；储能型变频器中各个整流模块采用模块化设计，具有在线热插拔的功能，提高运维效率，以及冗余设计，提高系统可靠性；整流装置中的各个整流模块能够根据负载率，在控制器的控制下进行休眠和唤醒功能，提升整流装置的利用率。

需要指出的是，以上实施例为层层递进、相互包含的关系，如遇不清楚之处，可以相互参考。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种储能变频器系统，其特征在于，包括整流装置、逆变变频装置以及电池装置，

所述整流装置的输入端连接于交流电，输出端连接于所述逆变变频装置的输入端并向所述逆变变频装置输出经由所述整流装置对所述交流电整流之后的整流直流电；

所述电池装置的输出端连接于所述逆变变频装置的输入端并向所述逆变变频装置输出电池直流电；

所述逆变变频装置的输出端连接于负载电机，并向所述负载电机输出经由所述逆变变频装置对所述整流装置输出的所述整流直流电或在所述交流电停止供电时所述电池装置输出的所述电池直流电变频之后的变频交流电。

2.如权利要求1所述的储能变频器系统，其特征在于，所述整流装置包括多个相互并联的整流模块，各个所述整流模块分别连接于所述交流电，且向所述逆变变频装置输出所述整流直流电。

3.如权利要求2所述的储能变频器系统，其特征在于，所述整流模块的数量由所述负载电机的额定功率决定，并根据系统可靠性要求进行冗余设置。

4.如权利要求3所述的储能变频器系统，其特征在于，所述电池装置包括电池母线、电池开关以及电池组，所述电池母线分别连接于各个所述整流模块以及所述逆变变频装置的输入端，所述电池开关设置于所述电池组以及所述电池母线之间，所述电池组用于在所述电池开关闭合的情况下通过所述电池母线向所述逆变变频装置输出所述电池直流电。

5.如权利要求4所述的储能变频器系统，其特征在于，各个所述整流模块分别通过所述电池母线将所述整流直流电输入至所述逆变变频装置的输入端。

6.如权利要求4所述的储能变频器系统，其特征在于，所述储能变频器系统还包括控制器，所述控制器分别连接于所述整流装置、所述逆变变频装置、所述电池装置以及所述负载电机，用于实时监测所述整流装置、所述逆变变频装置、所述电池装置以及所述负载电机的工作状态，并控制各个所述整流模块的休眠或启动。

7.如权利要求6所述的储能变频器系统，其特征在于，在所述交流电供给正常时，所述交流电经过各个所述整流模块整流之后形成所述整流直流电，然后经过所述逆变变频装置变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机。

8.如权利要求6所述的储能变频器系统，其特征在于，在所述交流电供给正常且所述负载电机运行功率小于第一阈值功率时，所述控制器控制一部分所述整流模块进入休眠状态，所述交流电经过另一部分所述整流模块整流之后形成所述整流直流电，然后经过所述逆变变频装置变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机。

9.如权利要求8所述的储能变频器系统，其特征在于，在所述负载电机运行功率大于第二阈值功率时，所述控制器唤醒进入休眠状态的所述整流模块，所述交流电经过各个所述整流模块整流之后形成所述整流直流电，然后经过所述逆变变频装置变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机。

10.如权利要求6所述的储能变频器系统，其特征在于，在所述交流电停止供给时，所述控制器控制所述电池开关闭合，所述电池装置向所述逆变变频装置输出所述电池直流电，然后经过所述逆变变频装置变频之后形成所述变频交流电输出至所述负载电机。

11.如权利要求4所述的储能变频器系统，其特征在于，所述整流装置的输出端还连接于所述电池组，用于在所述交流电供给正常时对所述电池组进行充电。

12.如权利要求11所述的储能变频器系统，其特征在于，所述电池组为铅酸电池组或者锂电池组。

13.如权利要求4、11、12任一项所述的储能变频器系统，其特征在于，所述电池组中电池的数量与所述负载电机的额定功率以及所述电池组的后备时间正相关。