CN110999012B

CN110999012B - 具有改进的节能模式的多模式不间断电源系统

Info

Publication number: CN110999012B
Application number: CN201880052568.4A
Authority: CN
Inventors: J-E·伯杰; T·科斯塔玛科伊; A·斯约伯格
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2038-06-07
Also published as: US11368047B2; US20210152017A1; WO2018234046A1; EP3642925B1; EP3642925A1; ES2868095T3; GB201709695D0; CN110999012A

Abstract

一种能以节能模式操作的不间断电源‑UPS‑系统(100，100′)，包括：静态旁路开关(110，110′)，该旁路开关连接在不间断电源系统(100，100′)的输入连接器和输出连接器之间并且能激活以以节能模式操作不间断电源系统(100，100′)，若干个电源模块(120，130，121，131，120′，130′，121′，131′)，各连接在不间断电源系统(100，100′)的输入连接器和输出连接器之间并且至少一些电源模块是可控的以进行无功功率补偿，以及控制器(180)，被配置成根据与无功功率补偿有关的数据输入控制一个或多个可控的电源模块(120，130，121，131，120′，130′，121′，131′)，控制器(180)被配置成根据数据输入控制一个或多个可控的电源模块(120，130，121，131，120′，130′，121′，131′)，使得不间断电源系统(100，100′)以节能模式操作时按照所需的无功功率补偿调节连接到输入连接器的电源与连接到输出连接器的负载(170)之间的经由不间断电源系统(100，100′)的无功功率流，以及控制器(180)被配置成基于数据输入确定所需的无功功率补偿并确定有功电源模块(120，130，121，131，120′，130′，121′，131′)的数量，以获得所需的无功功率补偿。

Description

具有改进的节能模式的多模式不间断电源系统

技术领域

本说明书涉及多模式UPS(不间断电源)系统，其可以节能模式操作。

背景技术

图1示出了典型的多模式UPS系统10的框图，包括整流器12、逆变器13、电池转换器14和可控硅整流器(SCR)11。UPS系统10包括用于将其连接到诸如电网15的电源系统的输入连接器，用于将UPS系统10耦合至一个或多个可充电电池16的电池连接器，以及用于将其连接到负载17的输出连接器。输入连接器和输出连接器可以为一相、三相或通常为多相电源而提供。供给输入连接器的电源可以来自单独的电源，也可以来自共享电源。

UPS系统10可以若干种不同的模式操作。

在双转换模式中，整流器12从供给输入连接器的电压生成DC(直流)母线电压，并且逆变器13从DC母线电压生成输出AC(交流)电压。电池转换器14使用DC母线电压来给一个或多个电池16充电。在停电期间，电池转换器14维持DC母线电压，而逆变器13像在双转换模式中一样继续操作。

UPS系统10还可以出于维护目的或由于故障而被置于旁路上。在这种所谓的旁路模式中，UPS系统10通过SCR 11将市电电流直接提供给负载17。然而，在旁路模式中，没有保护负载17免受停电的影响。

UPS系统10还可以支持节能模式。在这样的模式中，UPS系统10通过SCR 11将市电电流直接提供给负载17，并且从输出连接器获取DC母线电压。逆变器13和整流器12被命令关闭以节省电力。然而，当旁路电压超出其极限或存在某些其它情况阻止将UPS系统10切换到节能模式时，UPS系统10立即转回到双转换模式，以保护负载17。使用节能模式的主要原因是改进操作效率。

UPS系统10的输入功率因数可能在节能模式中引起问题。在双转换模式中，整流器12可以控制输入功率因数，并且根据UPS系统10的设计，无功电流的量可以接近于零。在节能模式中，UPS系统10无法控制功率因数，连接到UPS输出的负载17，其可能会汲取无功功率，可能导致UPS输入连接器的更低的功率因数。整流器12的输入端和逆变器13的输出端的电容器也可汲取无功电流，因此可促成UPS系统10的更低功率因数。

国际专利申请WO2014201309A1公开了一种多模式UPS系统，其能以类似于上述节能模式的经济模式操作。在经济模式中，UPS系统的整流器和逆变器中的至少之一被激活，并且整流器和逆变器中的至少之一可用于执行DC电压调节、无功功率补偿和有功阻尼中的至少一项。

美国专利US 6 295 215 B1涉及电源设备及其操作方法，更具体地涉及AC电源设备及方法。所公开的是一种电源设备，其包括多模式DC/AC转换器电路，提供第一功率分量，例如实际功率分量，而旁路电路提供第二功率分量，例如谐波功率分量和/或无功功率分量，从AC电源到负载。DC/AC转换器电路可包括电流模式受控的逆变器，其提供无功和谐波电流到负载，以便旁路电路主要在AC电源和负载之间转移实际功率。以这种方式，可将AC电源的功率因数和其它功率质量参数维持在期望的水平。

美国专利申请US2005/043859A1涉及模块化的不间断电源系统及其控制方法，更具体地涉及到具有全不间断电源能力的并行UPS模块的系统，以及相同的控制逻辑和功能能力，用于通过仲裁处理选择虚拟主机以及动态启动角色检测，来控制UPS模块的并行操作。系统设计已经合并了通过利用专用控制模块分配的分散处理和集中控制两者的特征，并且能够以一个或多个并行UPS模块操作，提供容错性和最大冗余，以及降低系统级单点故障风险，以最小化应急负载和敏感负载的可能性。

美国专利申请US2012/181871A1通常涉及不间断电源的控制。公开了一种不间断电源(UPS)，其可包括逆变器、控制器和旁路开关。在旁路模式操作中，控制器操作旁路开关以在不间断电源输出端从输出电源经由旁路开关提供电力。控制器还可在在线操作期间操作逆变器，以调节逆变器输出电压，以及在旁路操作中断时在UPS输出端提供来自逆变器的输出电压。控制器还可在旁路或其它操作模式期间操作逆变器，以便此外提供功率因数校正、谐波电流畸变控制、以及有功功率，以给备用电源充电。在一些实施例中，控制器操作逆变器以提供无功功率控制和功率因数校正。

发明内容

本说明书描述了一种改进的多模式UPS系统。

按照第一方面，一种能以节能模式操作的改进的UPS系统包括若干个电源模块，每个电源模块连接在UPS系统的输入连接器和输出连接器之间，并且至少一些电源模块是可控的，以进行无功功率补偿。可以根据与无功负载补偿有关的数据输入来执行无功功率补偿。

按照第一实施例，公开了一种能以节能模式操作的UPS系统。该系统包括静态旁路开关，其连接在UPS系统的输入连接器和输出连接器之间，并且能激活以以节能模式操作UPS系统，若干个电源模块各连接在UPS系统的输入连接器和输出连接器之间，并且至少一些电源模块是可控的以供无功功率补偿，以及控制器，被配置成根据与无功功率补偿有关的数据输入来控制一个或多个可控的电源模块，控制器被配置成根据数据输入来控制一个或多个可控的电源模块，使得UPS系统以节能模式操作时按照所需的无功功率补偿，调节连接到输入连接器的电源和连接到输出连接器的负载之间经由UPS系统的无功功率流，以及控制器被配置成基于数据输入确定所需的无功功率补偿并确定有功电源模块的数量，以获得所需的无功功率补偿。

在一些实施例中，控制器可以被配置成通过将以下方程式的结果上舍入到下一个整数值来确定有功电源模块的数量：有功电源模块的数量＝所需的无功功率补偿/每个电源模块的最大无功功率补偿。

在一些实施例中，数据输入可以包括以下数据中的一个或多个：配置的无功负载补偿要求；定义的UPS系统等效电容；UPS系统输入侧的无功功率和/或功率因数。

在一些实施例中，控制器可以被配置成基于由数据输入组成的一个或多个数据来计算所需的无功功率补偿。

在一些实施例中，可控的电源模块中的至少一个可包括由控制器可控的无功功率补偿装置。

在具体实施例中，无功功率补偿装置可以包括串联连接在UPS系统的输入连接器和输出连接器之间的整流器和逆变器，并且整流器和逆变器中的至少一个由控制器可控。

在一些实施例中，该系统可以包括测量装置，用于测量经由UPS系统的无功功率流和/或包括UPS系统和连接至UPS系统的输出连接器的负载的系统的功率因数。

按照第二方面，公开了一种用于以节能模式操作UPS系统的方法，该方法包括以下步骤：获得用于确定所需的无功功率补偿的数据，根据所获得的数据来确定所需的无功功率补偿，确定用于确定的所需的无功功率补偿的UPS系统的电源模块的数量，以及控制确定数量的电源模块以实现确定的所需的无功功率补偿。

在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求书，其它特征和优点将显而易见。

附图说明

图1示出了现有技术的多模式UPS系统的框图；

图2示出了多模式UPS系统的实施例的框图；以及

图3示出了用于多模式UPS系统的控制程序的实施例的流程图。

具体实施方式

在下文中，功能上相似或相同的元件可以具有相同的附图标记。绝对值仅作为示例在下面示出，并且不应解释为限制性的。

图2示出了多模式UPS系统的框图，包括两个并联连接的UPS系统100、100'，用于向负载170供电，例如数据中心中的服务器机架，被连接到UPS系统100、100'的输出连接器。两个UPS系统100、100'的输入连接器都连接到电源装置，例如电网150。

两个UPS系统100、100'可以被相同地实现，即可以包括相同的元件。在下文中，由于系统100'的实施方式相同，因此仅详细描述UPS系统100的实施方式。

UPS系统100包括SCR 110和两个或更多的电源模块，并联连接到UPS系统100的输入连接器和输出连接器之间的SCR 110。每个电源模块可以包括串联连接的整流器120、121和逆变器130、131。整流器120、121与逆变器130、131之间的连接点包括到电池和/或电池转换器的分支连接，类似于图1所示的UPS系统10。

两个UPS系统100、100'的电源模块中的至少一些是可控的，这意味着可以至少部分地命令它们关闭，特别是当UPS系统100、100'以节能模式操作时。可以实现至少部分地命令关闭，因为可以借助于相应的控制信号来激活或停用电源模块的整流器120、121和/或逆变器130、131。整流器或逆变器或者甚至两者都可用于无功功率补偿。

UPS系统100、100'的控制器电源模块的整流器和/或逆变器的控制由控制器180执行。控制器180可以是在UPS系统100、100'外部或与UPS系统100、100'分离的元件，或者它可以被实现为一个或多个UPS系统100、100'的内部元件。控制器180例如可以由配置成执行电源模块的控制的固定或移动计算设备来实现，并且包括与UPS系统100、100'的数据通信连接，例如有线或无线LAN(局域网)连接、USB(通用串行总线)连接、或蓝牙连接。控制器180还可以例如集成在UPS系统100、100'的内部控制电子装置中，特别地，它可以与电源模块一起集成在实现UPS系统的功率电子装置的集成电路中。控制器180可以由标准处理器来实现，例如它被应用于个人计算机或微控制器中，并且可以由计算机程序来配置，该计算机程序实现用于执行无功功率补偿所需的控制器任务的控制算法。控制器180也可以由ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程逻辑门阵列)来实现。

当UPS系统100、100'以节能模式操作时，SCR 110、110'被激活，以便来自电网150的电能被直接提供给负载170。如背景技术部分所述，通常会在此模式下命令两个UPS系统100、100'的电源模块关闭，以节省能量。然而，负载170或UPS系统100、100'本身，特别是电源模块的输入和/或输出电容器，可以在节能模式下汲取无功功率Q。无功功率补偿的目标是消除汲取的无功功率Q，以便理想地只有有功功率P在UPS系统的输入中流动，这意味着理想的功率因数为1。

对于无功功率补偿，由控制器180确定电源模块的数量，没有被完全命令其关闭，而是保持激活或者仅仅部分地被命令关闭，例如通过停用电源模块的逆变器或整流器。用于无功功率补偿的电源模块的数量对UPS系统的所有电源模块的数量可取决于以下数据输入：

-节能模式下所需的无功功率补偿(量)可以是可根据客户需要进行修改的设置；然后，无功功率补偿可以是恒定的，并且可以尝试匹配该预定设置；和/或

-节能模式下所需的无功功率补偿(量)可以根据负载和/或UPS系统本身汲取的无功功率、UPS输入上的无功功率和/或节能模式下UPS系统的功率因数来确定；以及

-通过一个电源模块可以实现的最大无功功率补偿(每个电源模块的最大补偿)。

可以使用以下公式从数据输入计算无功功率补偿所需的电源模块的数量：

有功电源模块的数量＝无功功率补偿/每个电源模块的最大补偿

上述公式的结果可以被上舍入到下一个整数值。每个电源模块的最大补偿可以是可配置的量，其可以根据电源模块的类型来设置，并且由所述算法其是已知的。特别地，其可以是在算法中预定义的值并定义每个电源模块可能的最大补偿的值。

按照计算结果来命令打开或关闭电源模块。如果例如计算出需要两个电源模块来进行补偿，则可以命令UPS系统的第一和第二电源模块打开，而命令其它电源模块关闭。还可以使用用于按照预定方案命令打开和关闭电源模块的旋转功能，来减少个别电源模块的压力。例如，无功功率补偿可以例如每月从一个电源模块切换到另一个电源模块。例如，如果电源模块1和2在1月份处理了补偿，电源模块2和3将在2月份进行补偿，电源模块3和4在3月份进行补偿，依此类推。

在节能模式中，UPS系统的输入功率因数也可以通过调节无功功率补偿水平来进行控制。UPS系统可能会不断监视功率因数，并调节补偿水平，以尝试实现最佳功率因数。可以使用上述公式计算有功电源模块的数量。由于负载汲取的无功功率可能会改变，命令打开的电源模块数量也可以改变。可以使用上述类似的电源模块旋转功能。

接下来，参照图3所示的流程图，详细说明用于控制UPS系统100、100'的节能模式中的无功功率补偿的算法。

在步骤S10中，算法检查UPS系统100、100'的节能模式是否被激活。

如果UPS系统以节能模式操作，如果例如由用户已经输入了相应的设置，则算法在步骤S12作为数据输入加载配置的无功负载补偿要求。

在接下来的步骤S14中，算法加载定义的UPS等效电容作为进一步的数据输入，其特别对应于UPS系统的所有电源模块的合计电容，特别是电源模块所包括的整流器和逆变器的输入和输出电容器的合计电容。

该算法还可以在步骤S16中例如通过获得作为来自测量装置的数据输入的无功功率和/或功率因数的测量值，来确定作为数据输入的UPS系统的输入侧的无功功率和/或UPS系统的功率因数，其可能是整个系统的一部分。

应当注意，在步骤S12至S16中获得的数据输入中的两个可以是可选的，这意味着无功功率补偿仅需要一个数据输入。还应当注意，步骤S12至S16可以由算法以另一顺序或者甚至同时地处理。

在步骤S12至S16中获得数据输入之后，算法在步骤S18中确定所需的无功功率补偿。

如果在步骤S12中将所需的无功功率补偿作为用户设置输入，则算法可以直接使用该设置。

如果在步骤S14中输入了定义的UPS等效电容，则算法可以从中推导出由等效电容引起的所需的无功功率补偿。例如，可以使用以下公式计算导出：Q＝C*2*pi*f*U^∧2，其中Q是要补偿的无功功率(以乏Var为单位)，C是等效电容(以法拉F为单位)，f是UPS电源的输入频率(以赫兹Hz为单位)，以及U是UPS电源的输入电压(以伏特为单位)。由于输入电压和频率可以略有变化，因此在计算中应使用输入电压和频率的实际测量值。例如，可以不断地测量输入电压和频率，并且可以相应地调节所需的无功功率补偿。于是，基于等效电容的无功功率补偿的量不是恒定的，而几乎是由于UPS系统通常只允许电压和频率的微小变化。在一种替代方法中，可以基于UPS系统的标称电压和频率来计算所需的无功功率补偿，例如在欧洲为230V@50Hz，并基于此使用恒定补偿。

如果在步骤S16中算法确定了实际无功功率和/或功率因数，则其可以从这些值或测量值中推断所需的无功功率补偿。

在步骤S20中，算法确定电源模块的数量，这些电源模块是实现所确定的所需的无功功率补偿所必需的，特别是通过使用上述公式，通过使用步骤S12至S16的数据输入来计算电源模块的数量。

该算法可以使用在步骤S12、S14和S16中获得的任何一个数据输入。特别地，算法可以根据它是否在步骤S12、S14和S16中获得了数据输入，来确定数据输入的用途，如下所述：

如果算法在步骤S16中没有获得数据输入，而是在步骤S12和S14中，则它可以使用在后续步骤中获得的数据输入来确定要用于无功功率补偿的电源模块的数量。以这种方式确定的电源模块的数量可以是恒定的。

如果算法在步骤S16中以及也在步骤S12和S14中获得了数据输入，则可以将在步骤S12和S14中获得的数据输入用作无功功率补偿的起点，即算法可以从在步骤S12和S14中获得的数据输入计算出用于初始无功功率补偿的电源模块的初始数量，并且可以基于在步骤S16中获得的数据输入，例如基于无功功率和/或功率因数的实际测量值，进一步调节模块的数量和无功功率补偿

如果该算法仅在步骤S16中获得数据输入而在步骤S12和S14中未获得数据输入，则可以从初始配置开始，其中所有电源模块均被命令关闭，并且电源模块不执行无功功率补偿。然后，该算法可以确定要用于无功功率补偿的电源模块的数量，并激活所确定数量的电源模块。此后，可以根据在步骤S16中获得的实际数据输入来调节电源模块的数量。

最后，在步骤S22中算法控制所确定数量的电源模块，特别是所确定数量的电源模块的逆变器和/或整流器，以进行补偿。例如，在步骤S22中该算法可以生成控制信号以停用所确定数量的电源模块的逆变器并激活整流器。但是，也可以激活所确定数量的电源模块的整流器和逆变器，或者停用整流器并激活逆变器。

至少某些功能可以由硬件或软件执行。在以软件实施的情况下，单个或多个标准微处理器或微控制器可用于处理单个或多个算法。

应当注意，单词“包括”不排除其他元件或步骤，并且单词“一”或“一个”不排除多个。此外，权利要求书中的任何附图标记均不应被解释为限制本说明书的范围。

Claims

1.一种能以节能模式操作的不间断电源系统(100，100')，包括：

-静态旁路开关(110，110')，其连接在所述不间断电源系统(100，100')的输入连接器和输出连接器之间，并能激活以节能模式操作所述不间断电源系统(100，100')，

-若干个电源模块(120，130，121，131，120'，130'，121'，131')，各连接在所述不间断电源系统(100，100')的所述输入连接器和所述输出连接器之间，并且至少一些电源模块是可控的，以进行无功功率补偿，以及

-控制器(180)，被配置成根据与无功功率补偿有关的数据输入控制一个或多个可控的电源模块(120，130，121，131，120'，130'，121'，131')，所述控制器(180)被配置成根据所述数据输入控制一个或多个可控的电源模块(120，130，121，131，120'，130'，121'，131')，使得所述不间断电源系统(100，100')以节能模式操作时按照所需的无功功率补偿调节连接到所述输入连接器的电源与连接到所述输出连接器的负载(170)之间的经由所述不间断电源系统(100，100')的无功功率流，以及所述控制器(180)被配置成基于所述数据输入确定所需的无功功率补偿并确定有功的电源模块(120，130，121，131，120'，130'，121'，131')的数量，以获得所需的无功功率补偿。

2.根据权利要求1所述的不间断电源系统(100，100')，其中所述控制器(180)被配置成通过上舍入下述方程式的结果至下一个整数值来确定有功的电源模块(120，130，121，131，120'，130'，121'，131')的数量：有功的电源模块的数量所需的无功功率补偿/每个电源模块的最大无功功率补偿。

3.根据前述权利要求中任一项所述的不间断电源系统(100，100')，其中所述数据输入包括以下数据中的一个或多个：

-配置的无功负载补偿要求；

-定义的不间断电源系统等效电容；

-所述不间断电源系统(100，100')的输入侧的无功功率和/或功率因数。

4.根据权利要求3所述的不间断电源系统(100，100')，其中所述控制器(180)被配置成基于由所述数据输入组成的一个或多个数据来计算所需的无功功率补偿。

5.根据前述权利要求中任一项所述的不间断电源系统(100，100')，其中所述可控的电源模块(120，130，121，131，120'，130'，121'，131')中的至少一个包括由所述控制器(180)可控的无功功率补偿装置。

6.根据权利要求5所述的系统(100，100')，其中所述无功功率补偿装置包括串联连接在所述不间断电源系统(100，100')的所述输入连接器和所述输出连接器之间的整流器和逆变器，并且所述整流器和所述逆变器中的至少一个由所述控制器(180)可控。

7.根据前述权利要求中任一项所述的不间断电源系统(100，100')，包括测量装置，用于测量经由所述不间断电源系统(100，100')的无功功率流和/或包括所述不间断电源系统(100，100')和连接到所述不间断电源系统(100，100')的所述输出连接器的负载(170)的系统的功率因数。

8.一种用于以节能模式操作根据前述权利要求中任一项所述的不间断电源系统(100，100')的方法，包括以下步骤：

-获得用于确定所需的无功功率补偿的数据(S12，S14，S16)，

-根据获得的数据确定所需的无功功率补偿(S18)，

-确定所述不间断电源系统(100，100')的电源模块(120，130，121，131，120'，130'，121'，131')的数量，用于确定所需的无功功率补偿(S20)，以及

-控制所确定数量的所述电源模块(120，130，121，131，120'，130'，121'，131')，以实现所确定的所需的无功功率补偿(S22)。