CN107710551A - 具有飞轮系统/电池组合的不间断电源系统中的飞轮的快速重启 - Google Patents
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Abstract
不间断电源系统(100)具有作为备用DC电力源的飞轮系统/电池组合(106)。在电力中断之后恢复电力时,不间断电源系统(100)的控制器(302)对整流器(102)进行控制以使其DC输出电压保持足够低,使得初始仅对飞轮系统/电池组合(106)的飞轮系统(118)进行再充电。一旦飞轮系统(118)被再充电,控制器(302)被配置成使整流器的DC输出电压的电压升至整流器(102)的标称DC输出电压,用于对飞轮系统/电池组合(106)的电池组(116)进行再充电以及向不间断电源系统(100)的逆变器(104)提供DC电力两者。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年4月29日提交的美国发明申请第15/142,570号的优先权,并且还要求于2015年6月5日提交的美国临时申请第62/171,660号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及具有飞轮系统/电池组合的不间断电源系统。
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。
许多不间断电源系统具有用于提供备用直流电力的电池组和飞轮系统两者。“直流”在本文中有时被称为“DC”。电池组和飞轮系统在AC输入电力损失(例如来自电业公司的AC电力损失)期间为UPS系统提供备用DC电力。飞轮系统用于短时供电中断,所以电池组的寿命不会由于短暂的重复放电/再充电循环而减少。在短时供电中断期间,飞轮系统供给备用DC电力而不是电池组供给。
图1是具有用于提供备用DC电力的飞轮系统/电池组合的典型的现有技术不间断电源系统100的简化框图。不间断电源系统100在本文中有时将被称为UPS系统100,其中“UPS”表示“不间断电源”。UPS系统100的基本元件是整流器102、逆变器104、飞轮系统/电池组合106、控制器108以及静态转换开关110。整流器102直接或经由中间输入变压器(未示出)耦接至交流电力源(未示出)例如公用变电站,并且将AC电力转换为DC电力,整流器102将该DC电力提供给DC总线112。“交流”在本文中有时被称为“AC”。逆变器104直接地或通过中间输出变压器(未示出)将DC总线112上的DC电力转换为AC电力,逆变器104将该AC电力提供给UPS系统100的输出端114。静态转换开关耦接在AC电力源例如公用变电站(未示出)与UPS系统100的输出端114之间。飞轮系统/电池组合106耦接至DC总线112,并且在与整流器102耦接的AC电源发生电力故障的情况下,向DC总线112并且因此向逆变器104提供备用DC电力。飞轮系统/电池组合106具有电池组116和飞轮系统118,电池组116耦接至DC总线112,飞轮系统118也耦接至DC总线112。飞轮系统118包括DC/DC转换器120、电动机/发电机122和飞轮124。DC/DC转换器将电动机/发电机122的电动机/发电机绕组(未示出)耦接至DC总线112,并且飞轮124被耦接至电动机/发电机122的转子(未示出)。
控制器108被配置成通过以下方式来控制包括整流器102和逆变器104的UPS系统100:改变整流器102中的电力开关器件的占空比使得整流器102向DC总线112提供期望的DC输出电压,并且还改变逆变器104中的电力开关器件的占空比使得逆变器104提供期望的AC输出电压。控制器108还控制静态转换开关110,以使其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多于一个例如基于DSP的数字控制器,其通过产生适当的切换信号来切换电力开关器件例如IGBT和晶闸管从而控制UPS系统100的功能块中的每一个。
在正常操作期间,电动机/发电机122作为电动机工作,并由UPS系统100的DC 112总线供电,以使飞轮124旋转到全速。当存在电力故障时,电动机/发电机122作为发电机工作,并且飞轮124使电动机/发电机122的转子125旋转,使得电动机/发电机122产生DC电力,该DC电力经由DC/DC转换器120提供给DC总线112。
典型地,在电力中断之后从公用AC恢复电力时,UPS的整流器供给电流以使DC总线升压从而对电池组充电并且也对飞轮系统充电。DC总线通过向电动机/发电机供电来对飞轮系统进行“充电”,以使飞轮回到全速。由于整流器正在对电池组和飞轮系统两者进行充电,因此飞轮系统需要更长时间来实现完全的再充电。此外,可从整流器获得的能量是有限量。整流器必须供给用于UPS的负载电力并且还供给用于飞轮系统和电池组的充电系统电力。系统负载越多,该问题越严重。
发明内容
本部分提供对本公开内容的总体概述,而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
根据本公开内容的一方面,不间断电源系统具有并且包括提供飞轮系统/电池组合的飞轮的快速重启的方法。不间断电源系统包括整流器、直流总线、逆变器、飞轮系统/电池组合和控制器。飞轮系统/电池组合具有电池组和飞轮系统。飞轮系统具有电动机/发电机,电动机/发电机具有与飞轮机械耦接的转子。整流器的输出端电耦接至直流总线。逆变器的输入端电耦接至直流总线。电池组电耦接至直流总线,并且电动机/发电机电耦接至直流总线。控制器配置有控制逻辑,该控制逻辑用于:在不间断电源系统的输入电力的电力中断之后恢复不间断电源系统的输入电力时,通过对整流器进行控制以控制整流器的直流输出电压,使得首先对飞轮系统进行再充电,并且在飞轮系统已经被再充电之后然后对电池组进行再充电来使飞轮快速重启。
根据一方面,为了首先对飞轮系统进行再充电并且然后对电池组进行再充电,控制器配置有以下控制逻辑,该控制逻辑用于:对整流器的直流输出电压进行控制,以向直流总线提供处于高到足以对飞轮系统再充电但是未高到足以对电池组充电的第一电压电平的直流输出电压,并且在控制器确定飞轮系统被完全充电时,控制器配置有对整流器进行控制以使整流器的直流输出电压升至高到足以对电池组再充电的第二电压电平的控制逻辑。根据一方面,第一电压电平是电动机/发电机以电动机/发电机的标称最大额定速度运行的电压电平。根据一方面,第二电压电平是整流器的标称最大额定输出电压。
根据一方面,控制器配置有用于响应对电动机/发电机的转子正在旋转的速度进行感测的速度传感器的控制逻辑,并且控制器配置有用于在飞轮已经达到全速时确定飞轮系统已经被再充电的控制逻辑。
根据本文所提供的描述,其他适用领域将变得明显。本发明内容中的描述和具体示例仅意在用于说明的目的,而不意在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文中所描述的附图用于仅所选实施方式而不是所有可能的实现方式的说明目的,并且不意在限制本公开内容的范围;
图1是具有作为备用DC电力源的飞轮系统/电池组合的现有技术不间断电源系统的基本框图;
图2是示出根据本公开内容的一方面的用于对图1中的不间断电源系统的整流器进行控制以使飞轮系统/电池组合的飞轮快速重启的控制例程的流程图;以及
图3是根据图2使飞轮快速重启的具有作为备用DC电力源的飞轮系统/电池组合的不间断电源系统的基本框图;
贯穿附图的若干视图,相应的附图标记指示相应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。
根据本公开内容的一方面,参照图3中的具有飞轮系统/电池组合106的不间断电源系统300来描述为了提供飞轮的快速重启而对不间断电源系统的整流器的DC输出电压的控制。不间断电源系统300在本文中有时将被称为UPS系统300,其中“UPS”表示“不间断电源”。UPS系统300与图1中的UPS系统100相同,不同之处在于在控制器302中实现的用于提供飞轮系统118中的飞轮124的快速重启的控制,并且除了该控制之外,控制器302在其他方面与图1中的控制器108相同。
根据本公开内容的一方面,当在电力中断之后恢复电力时,控制器302被配置成对整流器102的直流输出电压进行控制以提供飞轮124的快速重启。在本文中,“直流”有时可以被称为“DC”。控制器通过控制整流器102使得整流器102的DC输出电压的电压电平保持在高到足以对飞轮系统118再充电但是未高到足以对电池组116再充电的电平来提供飞轮124的快速重启。应当理解,DC输出电压未高到足以对电池组116再充电是指DC输出电压未高到足以将电池组116充电到任何可感知的程度,使得与用于对飞轮系统118再充电的电力相比,此时在电池组116的任何再充电中汲取的电力是微不足道的。如在本文中使用的,对飞轮系统118再充电是指使电动机/发电机122作为电动机运行以使飞轮124回到其标称的全速。一旦飞轮系统118被再充电,控制器108被配置成将整流器输出端的电压升高到其标称DC输出电压,用于对飞轮系统/电池组合106的电池组116进行再充电以及向DC总线112提供DC电力两者。这使得在任何后续的临时AC输入电力的情况下飞轮系统118能够更快地提供备用DC电力,而在现有技术UPS系统中同时对飞轮系统118和电池组116进行再充电。这还避免了电池组116的短暂的重复放电/再充电循环,并且因此延长了电池组116中的电池的电池寿命。
图2是如上所讨论的用于控制整流器102以使飞轮系统118快速重启的示例控制例程的流程图。说明性地,控制器302被配置成实现该控制例程,例如使用执行该控制例程的软件来编程。在电力中断后恢复电力之后,例程在200处开始。在202处,对整流器102的DC输出电压进行控制,以使其处于高到足以对飞轮系统118再充电而不会对电池组116进行任何程度的充电的电平。该DC输出电压在本文中被称为VDCF,并且例如是用于使飞轮系统118的电动机/发电机122作为电动机运行的标称电压,例如400VDC。相比之下,整流器102的标称输出电压是540VDC,其在本文中被称为VDCR。在204处,例程对飞轮系统118是否已经被再充电即飞轮124是否已经返回到全速进行检查。在示例中,感测飞轮124的速度的速度传感器126例如RPM传感器将飞轮124的速度传达给控制器108。如果飞轮系统118未被完全再充电,则例程沿分支回到202处。如果飞轮系统118已经被完全再充电,则例程行进到206处,在206中对整流器102的DC输出电压进行控制,使得整流器102的DC输出电压处于整流器102的标称DC输出电压,如上所讨论的540VDC。然后例程在208处结束。
为了说明和描述的目的,已经提供了对实施方式的前述描述。该描述不意在穷举或限制本公开内容。特定实施方式的各元件或特征通常不限于该特定实施方式,而是在适用的情况下可互换并且可以用在所选择的实施方式中,即使没有具体示出或描述亦是如此。特定实施方式的各元件或特征也可以以很多方式变化。这样的变型不被认为是偏离本公开内容,并且所有这样的修改意在被包括在本公开内容的范围内。
Claims (10)
1.一种在电力中断之后恢复输入电力时使具有飞轮系统/电池组合的不间断电源系统中的飞轮快速重启的方法,所述飞轮系统/电池组合具有电池组和飞轮系统,所述飞轮系统具有电动机/发电机,所述电动机/发电机具有与所述飞轮机械耦接的转子,所述电动机/发电机电耦接至所述不间断电源系统的直流总线,并且所述电池组电耦接至所述直流总线,所述方法包括:
在所述不间断电源系统的输入电力的电力中断之后恢复所述不间断电源系统的输入电力时,使用所述不间断电源系统的控制器对所述不间断电源系统的整流器进行控制,以控制所述整流器的直流输出电压,使得首先对所述飞轮系统进行再充电,并且在所述飞轮系统的再充电期间不对所述电池组进行再充电,并且在所述飞轮系统被完全再充电时然后对所述电池组进行再充电。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,为了首先对所述飞轮系统进行再充电并且然后对所述电池组进行再充电,使用所述控制器对所述整流器的直流输出电压进行控制,以向所述直流总线提供处于高到足以对所述飞轮系统再充电但是未高到足以对所述电池组充电的第一电压电平的直流输出电压,并且在所述控制器确定所述飞轮系统被完全再充电时,使用所述控制器对所述整流器进行控制,以使所述整流器的直流输出电压升至高到足以对所述电池组再充电的第二电压电平。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,使用所述控制器对所述整流器的直流输出电压进行控制以向所述直流总线提供处于所述第一电压电平的直流输出电压包括:使用所述控制器对所述整流器的直流输出电压进行控制,以向所述直流总线提供处于所述电动机/发电机以所述电动机/发电机的标称最大额定速度运行的电压电平的直流输出电压。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,使用所述控制器对所述整流器的直流输出电压进行控制以向所述直流总线提供处于所述第二电压电平的直流输出电压包括:使用所述控制器对所述整流器的直流输出电压进行控制,以向所述直流总线提供处于作为所述整流器的标称最大额定输出电压的电压电平的直流输出电压。
5.根据权利要求2所述的方法,包括:使所述控制器响应对所述电动机/发电机的所述转子正在旋转的速度进行感测的速度传感器,并且使用所述控制器基于由所述速度传感器感测的所述转子的速度在所述飞轮已经达到全速时确定所述飞轮系统已经被再充电。
6.一种使飞轮系统/电池组合的飞轮快速重启的不间断电源系统,包括:
整流器、直流总线、逆变器、飞轮系统/电池组合以及控制器;
所述飞轮系统/电池组合具有电池组和飞轮系统,所述飞轮系统具有电动机/发电机,所述电动机/发电机具有与所述飞轮机械耦接的转子;
所述整流器的输出端电耦接至所述直流总线,所述逆变器的输入端电耦接至所述直流总线,所述电池组电耦接至所述直流总线,并且所述电动机/发电机电耦接至所述直流总线;以及
所述控制器配置有控制逻辑,所述控制逻辑用于:在所述不间断电源系统的输入电力的电力中断之后恢复所述不间断电源系统的输入电力时,通过对所述整流器进行控制以控制所述整流器的直流输出电压,使得首先对所述飞轮系统进行再充电,并且在所述飞轮系统已经被再充电之后然后对所述电池组进行再充电,来使所述飞轮快速重启。
7.根据权利要求6所述的不间断电源系统,其中,为了首先对所述飞轮系统进行再充电并且然后对所述电池组进行再充电,所述控制器配置有以下控制逻辑,该控制逻辑用于:对所述整流器的直流输出电压进行控制,以向所述直流总线提供处于高到足以对所述飞轮系统再充电但是未高到足以对所述电池组充电的第一电压电平的直流输出电压,并且在所述控制器确定所述飞轮系统被完全再充电时,所述控制器配置有用于对所述整流器进行控制以使所述整流器的直流输出电压升至高到足以对所述电池组再充电的第二电压电平的控制逻辑。
8.根据权利要求7所述的不间断电源系统,其中,所述第一电压电平是所述电动机/发电机以所述电动机/发电机的标称最大额定速度运行的电压电平。
9.根据权利要求8所述的不间断电源系统,其中,所述第二电压电平是所述整流器的标称最大额定输出电压。
10.根据权利要求7所述的不间断电源系统,其中,所述控制器配置有用于响应对所述电动机/发电机的所述转子正在旋转的速度进行感测的速度传感器的控制逻辑,并且所述控制器配置有用于在所述飞轮已经达到全速时确定所述飞轮系统已经被再充电的控制逻辑。
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