CN110323771B - 一种在线互动式ups电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线互动式UPS电路，属于供电电源领域。该电路包括：储能单元、隔离变压器、交流输入/输出开关、智能快速开关、输入电抗器、静态/维修旁路开关和中央控制系统；静态旁路开关与维修旁路开关并联后一端连接于电网，另一端连接至负载；智能快速开关输入端通过交流输入开关连接至电网，输入电抗器一端连接智能快速开关，另一端通过输出开关连接至负载；隔离变压器的高压端连接至输入电抗器和输出开关之间的电网，隔离变压器的低压端连接至储能单元；中央控制系统用于控制检测电网事件并及时切断负载与故障交流输入之间的连接。本发明能够实现并网和离网工况的无缝切换且负载不间断供电，从而提高UPS装置的整体效率。

Description

一种在线互动式UPS电路

技术领域

本发明属于供电电源领域，涉及一种在线互动式UPS电路。

背景技术

时下，基于关键行业如数据中心、芯片工厂的大力建设使用，公共电网的电能质量无法完全保证其重要负载的稳定、不间断运行，一旦供电系统故障将导致不可估量的经济损失。因此，行业迫切寻求稳定、高性能的不间断电源(UPS)。

市面上传统UPS电路多为在线式或后备式拓扑结构，在线式UPS的整流和逆变环节一直串联在电网和负载之间满功率运行，系统总体效率低下，造成了一定程度上的能源浪费，环境不友好；而后备式UPS无法为负载提供不间断的供电电源。

因此，目前亟需一种既能无缝切换又能提升效率的UPS电路。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在线互动式UPS电路，采用并离网无缝切换技术，既能够实现并网和离网工况的无缝切换保证负载的不间断供电，同时并网模式下UPS大部分时间处于待机状态因此提升了UPS装置的整体效率；另外，还能够实现移峰填谷、无功补偿、电能质量治理、有源电力滤波器等功能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种在线互动式UPS电路，包括：储能单元、隔离变压器、交流输入开关K2、交流输出开关K3、智能快速开关SW2、输入电抗器L、静态旁路开关SW1、维修旁路开关K1和中央控制系统；

所述静态旁路开关SW1与维修旁路开关K1并联后一端连接于交流电网，另一端连接至负载；

所述智能快速开关SW2输入端通过交流输入开关K2连接至电网，输入电抗器L一端连接智能快速开关SW2，另一端通过输出开关K3连接至负载；

所述隔离变压器的高压端连接至输入电抗器L和输出开关K3之间的交流电网，隔离变压器的低压端分别连接至各个储能单元；

所述中央控制系统与电网、负载以及各支路连接，用于控制检测电网事件并及时切断负载与故障交流输入之间的连接；中央控制系统的输入信号为电网电压、负载电压以及各支路电流，输出信号为PWM脉冲、智能快速开关SW2及静态旁路开关SW1触发脉冲和补偿相位角等。

进一步，所述储能单元包括依次串联的LCL滤波单元、储能变流器及电池组；

所述电池组储存的直流电经储能变流器逆变为交流，后经LCL滤波单元滤波后连接至隔离变压器低压端。

进一步，所述LCL滤波单元由滤波电抗、滤波电容和滤波电阻构成，其中两个滤波电抗串联，一端与隔离变压器连接，另一端与储能变流器连接，串联的中间接点依次连接滤波电容和滤波电阻；滤波电阻另一端接中性点。

进一步，所述电池组为铅酸电池、铅炭电池、磷酸铁锂电池、三元电池、梯次电池或飞轮电池等多种储能形式。

进一步，所述储能单元有n个，且n≥1，各储能单元通过并联方式与隔离变压器连接。

进一步，所述中央控制系统的主体部分由DSP+FPGA控制板、光纤接口板以及网络通讯板组成；所述中央控制系统还配置有数据采集接口模块组成，用于与外部设备连接；中央控制系统与外部设备的连接全部采用光纤通讯，提高了系统的抗干扰能力，增强了可靠性。

进一步，所述UPS电路的工作状态包括在线模式、放电模式和旁路模式；

所述放电模式是在市电中断或故障时，UPS通过撤销静态开关SW2的脉冲迅速将负载与市电隔离，同时无缝切换到储能单元给负载进行供电；如图4所示；

所述旁路模式是市电通过静态旁路开关SW1或者维修开关K1向负载供电，当系统处于旁路模式时，负载不被UPS保护，完全由市电进行供电；有下列事件之一则UPS立即进入旁路模式：(1)手动闭合维修开关；(2)UPS启动之前；(3)UPS内部出现故障。

进一步，市电输入正常情况下或市电波动在一定范围内，所述在线模式分为三种工况：在线充电模式、在线后备模式和电能质量调节模式；

所述在线充电模式是中央控制系统检测到电池容量低于一定范围时，市电不仅通过UPS对负载供电，同时通过储能变流器向电池组进行充电；如图3a)所示；

所述在线后备模式是中央控制系统检测到电池容量达到一定范围时，储能变流器对电池进行浮充以维持容量恒定，以便随时进入在线放电状态；如图3b)所示；

所述电能质量调节模式是市电向负载供电，中央控制系统检测到市电的电压波动超过±10％时，向储能变流器发送控制指令，使其处于SVG工作模式以稳定输出电压在±10％以内，为负载提供高品质的电能。

进一步，所述电能质量调节模式根据调节的时刻分为在线充放电电能质量调节模式和在线后备电能质量调节模式，在线充电电能质量调节模式是指储能单元处于在线充电模式下，通过调节其无功功率输出以稳定负载电压在±10％以内的工作模式；在线后备电能质量调节模式是指储能单元处于在线后备模式(仅从电网吸收少量浮充电流以补偿电池组自放电容量损失，保持电量充足)下，通过调节其无功功率输出以稳定负载电压在±10％以内的工作模式，分别如图3c)、3d)所示；进一步，所述旁路模式包括静态旁路模式(如图5a)所示)和维修旁路模式(如图5b)所示)；静态旁路模式是指通过UPS内部的静态旁路开关实现的供电状态，维修旁路模式是指通过UPS内部的维修旁路开关实现的供电状态。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明能够控制储能单元大多数时间处于在线后备模式，消耗的仅为涓流电流，只有在线充电模式和放电模式时短时以较高功率运行，因此系统效率可高达99％以上；

(2)本发明通过中央控制系统与智能快速开关的配合，可以在10ms内实现UPS的并离网切换，迅速将负载与故障点隔离，保证负载的不间断供电；

(3)本发明储能变流器直流侧兼容多种能源接口，通过中央控制系统的调度可以实现对电网负荷的移峰填谷；当电网电压波动时，也可作为静止无功发生器，实现无功功率的就地补偿，提高负载电压的稳定性；

(4)本发明中央控制系统包含并联均流策略，储能单元采用模块化设计，方便实现多机并联以满足大功率的应用需求；

(5)本发明通过隔离变压器的使用，可以使UPS系统接入任意电压等级尤其是中压场合，增加了系统的多样性和实用性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述的在线互动式UPS电路图；

图2为本发明所述的在线互动式UPS电路图的简化示意图；

图3为本发明所述在线互动式UPS在线工作模式：a)为在线充电模式，b)为在线后备模式，c)为在线充电电能质量调节模式，d)为在线后备电能质量调节模式；

图4为本发明所述在线互动式UPS放电模式；

图5为本发明所述在线互动式UPS旁路模式：a)为静态旁路模式，b)为维修旁路模式；

图6为本发明所述在线互动式UPS的启动过程；

图7为本发明所述在线互动式UPS电路从在线充电模式向在线充电电能质量调节模式的切换过程；

图8为本发明所述在线互动式UPS电路从在线后备模式向在线后备电能质量调节模式的切换过程；

图9为本发明所述在线互动式UPS电路从在线模式向放电模式的切换过程；

图10为本发明所述在线互动式UPS电路从放电模式向在线模式的切换过程；

图11为本发明所述在线互动式UPS电路从在线模式/放电模式切换至维修旁路模式的切换过程。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图11，图1为一种在线互动式UPS电路，包括：储能单元、隔离变压器、交流输入开关K2、交流输出开关K3、智能快速开关SW2、输入电抗器L、静态旁路开关SW1、维修旁路开关K1和中央控制系统；静态旁路开关SW1与维修旁路开关K1并联后一端连接于交流电网，另一端连接至负载；智能快速开关SW2输入端通过交流输入开关K2连接至电网，输入电抗器L一端连接智能快速开关SW2，另一端通过输出开关K3连接至负载；隔离变压器的高压端连接至输入电抗器L和输出开关K3之间的交流电网，隔离变压器的低压端分别连接至各个储能单元；中央控制系统与电网、负载以及各支路连接，用于控制检测电网事件并及时切断负载与故障交流输入之间的连接；中央控制系统的输入信号为电网电压、负载电压以及各支路电流，输出信号为PWM脉冲、智能快速开关SW2及静态旁路开关SW1触发脉冲和补偿相位角。

本实施例提供的在线互动式UPS电路具体包括以下几种工况：

1、UPS的启动

UPS的启动即UPS电路从旁路模式向在线模式的切换。

具体切换过程如下，如图6a)～6f)所示：

(1)启动维修旁路：首先闭合维修旁路开关K1；

(2)启动静态旁路：待维修旁路开关K1反馈闭合状态后，触发静态旁路开关SW1，随后，断开维修开关K1，完成由维修旁路模式向静态旁路模式的状态切换；

(3)闭合输入、输出开关：中央控制系统向输入开关K2、输出开关K3发送闭合指令；

(4)启动智能快速开关：待输入开关K2、输出开关K3反馈闭合状态后，中央控制系统立即封锁静态旁路开关SW1的触发脉冲，同时向处于关断状态的SW2发送触发脉冲，实现SW1和SW2的无缝切换；

(5)随后，向储能变流器发送PQ模式启动指令，使储能变流器工作于在线充电模式，UPS启动完毕。

2、市电异常时的切换

UPS市电异常时的切换包括如下三种情况：

(1)UPS电路从在线充电模式向在线充电电能质量调节模式切换，如图7a)～7b)所示。

UPS电路处于在线充电模式时，中央控制系统实时检测市电的电压，当市电电压波动超过±10％时，中央控制系统根据电网电压波动向储能变流器发送无功给定指令，使其有功调节工作于在线充电模式、无功调节工作于SVG模式，即在线充电电能质量调节模式，以稳定输出电压在±10％以内，为负载提供高品质的电能。

(2)UPS电路从在线后备模式向在线后备电能质量调节模式切换，如图8a)～8b)所示。

UPS电路处于在线后备模式时，中央控制系统实时检测市电的电压，当市电电压波动超过±10％时，中央控制系统根据电网电压波动向储能变流器发送无功给定指令，使其有功调节工作于在线后备模式、无功调节工作于SVG模式，即在线后备电能质量调节模式，以稳定输出电压在±10％以内，为负载提供高品质的电能。

(3)UPS电路从在线模式向放电模式的切换，如图9a)～9b)所示。

UPS电路处于在线模式时，中央控制系统实时检测市电的电压，当市电发生掉电、晃电、短路等故障时，中央控制系统迅速撤销SW2的触发信号，同时向储能变流器发送VF工作模式指令，由储能单元单独向负载供电，保证负载的不间断供电。

3、市电恢复时的切换

UPS市电异常时的切换即UPS电路从放电模式向在线模式的切换，如图10a)～10d)所示，具体切换过程如下：

(1)中央控制系统检测到市电持续恢复一定时间(根据需求可设)后，中央控制系统向储能变流器发送相角补偿指令，协助储能变流器与市电进行锁相工作；

(2)锁相完成后，中央控制系统向输入开关K2、输出开关K3发送闭合指令，待输入开关K2、输出开关K3反馈闭合状态后，向处于关断状态的SW2发送触发脉冲，完成储能系统供电向市电供电的无缝切换；

(3)随后，逐渐减小储能变流器的出力以实现储能单元供电向市电供电的平滑过渡；

(4)最后，向储能变流器发送指令使UPS切换至在线充电模式，以备下次电网事件来临时可再次为负载提供可靠的备用电源。

4、在线模式/放电模式切换至维修旁路

在线互动式UPS电路从在线模式/放电模式切换至维修旁路模式的切换过程，如图11a)～11e)所示，具体过程为：

(1)中央控制系统检测到UPS内部故障或者接收到手动闭合维修开关指令后，立即封锁静态旁路开关SW2的触发脉冲，同时向处于关断状态的SW1发送触发脉冲；

(2)随后，向维修开关K1发送闭合指令，并确认K1闭合后封锁SW1的触发脉冲，实现静态旁路模式到维修旁路模式的切换；

(3)最后，断开输入开关K2、输出开关K3，即可对UPS进行维修。

本发明的中央控制系统包含并联均流策略，储能单元采用模块化设计，方便实现多机并联以满足大功率场合的应用需求。本发明通过隔离变压器的使用，可以使UPS系统接入400V～35kV任意电压等级，尤其适应中高压场合，使拓扑具有很好的兼容性，增加了系统的多样性和实用性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种在线互动式UPS电路，其特征在于，包括：储能单元、隔离变压器、交流输入开关K2、交流输出开关K3、智能快速开关SW2、输入电抗器L、静态旁路开关SW1、维修旁路开关K1和中央控制系统；

所述静态旁路开关SW1与维修旁路开关K1并联后一端连接于交流电网，另一端连接至负载；

所述智能快速开关SW2输入端通过交流输入开关K2连接至电网，输入电抗器L一端连接智能快速开关SW2，另一端通过输出开关K3连接至负载；

所述隔离变压器的高压端连接至输入电抗器L和输出开关K3之间的交流电网，隔离变压器的低压端分别连接至各个储能单元；

所述中央控制系统与电网、负载以及各支路连接，用于控制检测电网事件并及时切断负载与故障交流输入之间的连接；中央控制系统的输入信号为电网电压、负载电压以及各支路电流，输出信号为PWM脉冲、智能快速开关SW2及静态旁路开关SW1触发脉冲和补偿相位角；

所述储能单元包括依次串联的LCL滤波单元、储能变流器及电池组；

所述电池组储存的直流电经储能变流器逆变为交流，后经LCL滤波单元滤波后连接至隔离变压器低压端；

所述LCL滤波单元由滤波电抗、滤波电容和滤波电阻构成，其中两个滤波电抗串联，一端与隔离变压器连接，另一端与储能变流器连接，串联的中间接点依次连接滤波电容和滤波电阻；滤波电阻另一端接中性点。

2.根据权利要求1所述的一种在线互动式UPS电路，其特征在于，所述电池组为铅酸电池、铅炭电池、磷酸铁锂电池、三元电池、梯次电池或飞轮电池。

3.根据权利要求1所述的一种在线互动式UPS电路，其特征在于，所述储能单元有n个，且n≥1，各储能单元通过并联方式与隔离变压器连接。

4.根据权利要求1所述的一种在线互动式UPS电路，其特征在于，所述中央控制系统的由DSP+FPGA控制板、光纤接口板以及网络通讯板组成；所述中央控制系统还配置有数据采集接口模块组成，用于与外部设备连接；中央控制系统与外部设备的连接全部采用光纤通讯。

5.根据权利要求1所述的一种在线互动式UPS电路，其特征在于，所述UPS电路的工作状态包括在线模式、放电模式和旁路模式；

所述放电模式是在市电中断或故障时，UPS通过撤销静态开关SW2的脉冲迅速将负载与市电隔离，同时无缝切换到储能单元给负载进行供电；

所述旁路模式是市电通过静态旁路开关SW1或者维修开关K1向负载供电，当系统处于旁路模式时，负载不被UPS保护，完全由市电进行供电；有下列事件之一则UPS立即进入旁路模式：(1)手动闭合维修开关；(2)UPS启动之前；(3)UPS内部出现故障。

6.根据权利要求5所述的一种在线互动式UPS电路，其特征在于，市电输入正常情况下或市电波动在一定范围内，所述在线模式分为三种工况：在线充电模式、在线后备模式和电能质量调节模式；

所述在线充电模式是中央控制系统检测到电池容量低于一定范围时，市电不仅通过UPS对负载供电，同时通过储能变流器向电池组进行充电；

所述在线后备模式是中央控制系统检测到电池容量达到一定范围时，储能变流器对电池进行浮充以维持容量恒定，以便随时进入在线放电状态；

所述电能质量调节模式是市电向负载供电，中央控制系统检测到市电的电压波动超过±10％时，向储能变流器发送控制指令，使其处于SVG工作模式以稳定输出电压在±10％以内。

7.根据权利要求6所述的一种在线互动式UPS电路，其特征在于，所述电能质量调节模式根据调节的时刻分为在线充电电能质量调节模式和在线后备电能质量调节模式；在线充放电电能质量调节模式是指储能单元处于在线充电模式下，通过调节其无功功率输出以稳定负载电压在±10％以内的工作模式；在线后备电能质量调节模式是指储能单元处于在线后备模式下，通过调节其无功功率输出以稳定负载电压在±10％以内的工作模式。

8.根据权利要求5所述的一种在线互动式UPS电路，其特征在于，所述旁路模式包括静态旁路模式和维修旁路模式；静态旁路模式是指通过UPS内部的静态旁路开关实现的供电状态，维修旁路模式是指通过UPS内部的维修旁路开关实现的供电状态。

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