CN113287241A - 电气设备、电源系统和制造电气设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例提供一种电气设备、具有该电气设备的电源系统以及制造该电气设备的方法。该电气设备包括检测电路，该检测电路耦合到发电机并且被配置为检测发电机的频率。该电气设备还包括控制器，该控制器耦合到检测电路并且被配置为接收指示经检测的频率的第一信号并且响应于确定经检测的频率超出预定频率范围而调整发电机的频率。以这种方式，如果发电机频率超出已配置的限制，则可以实现对去往和来自发电机的电力变化率的主动控制。

Description

电气设备、电源系统和制造电气设备的方法
技术领域
本公开的实施例总体上涉及一种电气设备、具有该电气设备的电源系统以及制造该电气设备的方法。
背景技术
对于高运行时间的站点，当存在电网故障时，发电机常常可以用作备用电源。一旦电网出现故障，发电机可以被启用以生成电力以被供应给负载。如果负载足够大，发电机的频率可能会显著变化。
许多典型的负载，包括商业、工业和数据中心负载，声称对不超出±5％的频率变化具有高灵敏度，然而，对于100％负载阶跃，典型的发电机声称25％的频率变化。因此，如果发电机瞬间从电网接管整个负载，则发电机的频率变化可能会超出负载所能承受的范围。
一些辅助电源也被用于电源系统，例如不间断电源(UPS)，也称为备用电池，在你的常规电源出现故障或电压下降到不可接受的水平时提供备用电力。作为辅助电源，UPS从能量源(例如电池)向负载提供电力，直到发电机可以开始运行并接管为负载供电。
同样，一个可能的问题是，一旦发电机已启动并可以从UPS接管负载，如果发电机瞬间接管整个负载，则发电机频率也可能有较大的频率变化。
发明内容
本公开的实施例提供了一种电气设备、具有该电气设备的电源系统以及制造该电气设备的方法。
在第一方面，提供了一种电气设备。该电气设备包括检测电路，该检测电路耦合到发电机并且被配置为检测发电机的频率。该电气设备还包括控制器，该控制器耦合到检测电路并且被配置为接收指示经检测的频率的第一信号并且响应于确定经检测的频率超出预定频率范围而调整发电机的频率。
通过使用第一方面的方案，如果发电机的频率超出可承受的范围，则发电机的频率变化可以由电气设备进行监测和调整。以这种方式，如果发电机频率超出已配置的限制，则可以实现对去往和来自发电机的电力变化率的主动控制。在超出频率限制之前不会干预与发电机相关联的电源，在超出频率限制时改变电力的变化率以防止超出频率限制。
在一些实施例中，检测电路还耦合到负载并被配置为检测负载所消耗的电力，并且其中控制器还被配置为接收指示由负载所消耗的电力的第二信号并且基于第二信号来将发电机的频率调整一个频率量。
在一些实施例中，控制器还被配置为通过基于第一信号和第二信号调整从发电机到负载的电力水平来调整发电机的频率。
通过测量负载所消耗的电力和发电机的频率，控制器可以确定在发电机处要被调整的频率量或特定电力水平，这可以导致更精确和有效的调整。
在一些实施例中，电气设备还包括耦合到发电机和控制器的整流器；耦合整流器和控制器的能量存储装置；以及耦合能量存储装置与控制器的逆变器。控制器被配置为使整流器、能量存储装置和逆变器调整从发电机到负载的电力水平。
因此，为了实现发电机处的频率的自动调节，还可以采用UPS 140的整流器、逆变器和能量存储装置来执行能量传送和转换，这些都是用于该解决方案的必要组件。
在一些实施例中，控制器还被配置为响应于确定经检测的频率超出预定频率范围的上阈值频率，基于检测频率和上阈值频率来确定要被调整的频率量；基于频率量和由负载所消耗的电力来确定电气设备要加载的电量；并且通过对能量存储装置放电，将电量从能量存储装置递送到发电机。
在一些实施例中，控制器还被配置为响应于确定经检测的频率低于预定频率范围的下阈值频率，基于检测频率和下阈值确定要被调整的频率量频率；基于频率量和由负载所消耗的电力来确定将要由电气设备卸载的电量；并且通过对能量存储装置充电，将来自发电机的电量吸收到能量存储装置。
如上面所提及，发电机的频率值应被维持在预定范围内，以避免不可承受的频率变化。以这种方式，通过增加或减少电气设备所承载的负载，可以将发电机频率带回到限制，从而保证发电机和连接到发电机的负载的安全。
在一些实施例中，逆变器被配置为在能量存储装置的放电期间将来自能量存储装置的直流电压转换为交流电压。
在一些实施例中，整流器被配置为在能量存储装置的充电期间将来自发电机的交流电压转换为直流电压。
在一些实施例中，发电机耦合在电气设备和负载之间。
在一些实施例中，电气设备耦合在发电机和负载之间。
在一些实施例中，另一负载耦合在发电机和电气设备之间并且被配置为由发电机和电气设备中的至少一个供电。
电气设备可以在各种供电环境下实现对发电机的频率调整。无论是发电机直接连接负载还是电气装置耦合在发电机和负载之间，电气装置都确保发电机的频率被调整到预定范围内。
在一些实施例中，电气设备还包括耦合到控制器的旁路元件，并且控制器还被配置为响应于确定负载所消耗的电力由发电机承载，旁路该电气设备。
在一些实施例中，电气设备是UPS。
在第二方面，提供了一种电源系统。电源系统包括负载和耦合到负载并被配置为向负载供电的发电机。电源系统还包括耦合到负载和发电机的根据第一方面的电气设备。
在第三方面，提供了一种电气设备的制造方法。该方法包括提供检测电路，该检测电路耦合到发电机并且被配置为检测发电机的频率。该方法还包括提供控制器，该控制器耦合到检测电路并被配置为接收指示经检测的频率的第一信号并且响应于确定经检测的频率超出预定频率范围而调整发电机的频率。
应当理解，本公开内容不旨在识别本公开的实施例的关键或本质特征，也不旨在被用来限制本公开的范围。通过下面的描述，本公开的其他特征将变得容易理解。
附图说明
通过结合附图对本公开的示例实施例进行更详细的描述，本公开的上述和其他目的、特征和优点将变得更加明显，其中在本公开的示例实施例中，相同的参考标号通常表示相同的组件。
图1图示了根据本公开实施例的具有电气设备的电源系统的简化框图；
图2A和图2B示出了根据本公开实施例的电气设备的整流器和逆变器的实施例。
图3A-图3C示出了根据本公开实施例的用于电气设备的不同应用场景；
图4示出了根据本公开实施例的电气设备的旁路元件的实施例；和
图5示出了图示根据本公开实施例的电气设备的制造方法的流程图。
在所有附图中，相同或相似的参考标号被用来指示相同或相似的元件。
具体实施方式
现在将参考若干示例实施例来讨论本公开。应当理解，讨论这些实施例只是为了使本领域技术人员能够更好地理解并因此实施本公开，而不是提出对主题范围的任何限制。
如本文中所使用的，术语“包括”及其变体应被解读为意指“包括但不限于”的开放术语。术语“基于”应被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“实施例”应被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”应被解读为“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以是指不同或相同的对象。其他定义，无论是显式的还是隐式的，都可以被包括在下面。除非上下文另有明确指示，否则术语的定义在整个描述中是一致的。
除非另有规定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变体被广泛使用并且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合。在以下描述中，相同的参考标号和标记被用来描述附图中相同、相似或对应的部分。其他定义，无论是显式的还是隐式的，都可以被包括在下面。
如上面所提及，当电网出现故障时，发电机可以常常用作用于高运行时间站点的备用电源。一旦电网出现故障，发电机可以被启用以生成电力以被供应给负载。如果负载足够大，则发电机的频率可能会显著变化。
许多典型的负载，包括商业、工业和数据中心负载，声称对不超出±5％的频率变化具有高灵敏度，然而，对于100％负载阶跃，典型的发电机声称25％的频率变化。因此，如果发电机瞬间从电网接管整个负载，则发电机的频率变化可能会超出负载所能承受的范围。
一些辅助电源也被用于电源系统，例如不间断电源(UPS)，也称为备用电池，在你的常规电源出现故障或电压下降到不可接受的水平时提供备用电力。作为辅助电源，UPS从能量源(例如电池)向负载提供电力，直到发电机可以开始运行并接管为负载供电。
同样，一个可能的问题是，一旦发电机已启动并可以从UPS接管负载，如果发电机瞬间接管整个负载，则发电机频率也可能有较大的频率变化。
已经提出了一些方法来管理发电机频率问题。例如，一种方法被称为频率独立性。最常见的UPS类型是双转换UPS，由于其双转换实现，其允许输出(负载)频率独立于输入(发电机)频率，这可以被称为“频率独立”。频率独立允许输出频率保持恒定，而输入频率可以显著变化。
然而，并非所有的UPS都是频率独立的，因此它们的输出频率与输入频率联系在一起。如果不允许发电机频率超出负载的频率限制以外，发电机和UPS的一些配置可能使一些负载直接连接到发电机。
另一种常见的方法被称为发电机步入式。这种方法包括UPS缓慢地将负载交给发电机，而不是一次性全部卸载，从而让发电机有时间接载负载，以最大限度地减少频率变化。
步入式功能性通常被实施为电力斜坡。如果斜坡太快，则发电机频率可能会超出限制。如果斜坡太慢，则UPS将不必要地花费更长的时间将电力传输到发电机，并存在耗尽电池存储的危险。必须为不同的发电机行为配置斜率。
因此，本公开提议了一种用于通过使用UPS来控制发电机频率的方法。通过对发电机的检测，发电机处的频率可以被调整以保持在可承受的范围内。以这种方式，可以改善电源系统的安全性和性能。
图1图示了根据本公开实施例的具有电气设备140的电源系统100的简化框图。
如图1中所示，电源系统100可以包括耦合到电网110的负载120。通常，负载120可以由电网110供电。电源系统100还可以包括发电机130。发电机130耦合到负载120并且可以被认为是用于负载120的后备电源。如上面所提及的，在电网故障的情况下，发电机130可以开始运行并生成电力来接管负载。
电源系统100还可以包括电气设备140，以下可以被称为UPS 140。UPS 140包括检测电路141，该检测电路141可以耦合到发电机130以检测发电机130的频率。UPS 140还包括控制器142，其耦合到检测电路141。检测电路141可以生成指示发电机130的检测频率的信号并将该信号传送至控制器142。如果控制器142确定经检测的频率在预定频率范围之外，则控制器142调整发电机的频率。
例如，如果控制器142接收到指示经检测的频率的信号，则控制器142可以将检测频率与阈值频率进行比较，该阈值频率可以基于发电机的属性而被预先配置或预先确定。阈值频率可以包括上限和下限。如果检测频率超出上限或低于下限，则控制器142可以被启动以调整发电机的频率。
在过渡期中可能发生显著的频率变化，在此期间，例如，负载可以由发电机从电源那里进行接管。此外，如果负载快速变化，也可能发生频率变化。通过使用UPS来检测发电机130处的频率，如果发电机130的频率超出可承受的范围，则可以由UPS 140调整发电机130的频率变化。以这种方式，如果发电机频率超出已配置的限制，则可以实现对去往和来自发电机130的电力变化率的主动控制。在超出频率限制之前不会干预与发电机相关联的电源，在超出频率限制时改变电力的变化率以防止超出频率限制。
在一些实施例中，UPS 140的检测电路141可以进一步耦合到负载120并且被配置为检测由负载120消耗的电力。检测电路141可以生成指示负载120所消耗的电力的另一信号并将该另一信号传送到控制器142。
如果控制器142接收到第二信号，则控制器142可以基于第二信号将发电机130的频率调整一个频率量。也就是说，控制器142可以基于负载120所消耗的电力来确定要被调整的频率量。
在一些实施例中，控制器142可以通过基于第一信号和第二信号调整从发电机130到负载120的电力水平来进一步调整发电机130的频率。
通过测量负载所消耗的电力和发电机的频率，控制器可以确定在发电机处要被调整的频率量或特定电力水平，这可以导致更精确和有效的调整。
在一些实施例中，UPS 140还可以包括能量存储装置143，其可以耦合到控制器142。控制器142还可以使能量存储装置143调整从发电机130到负载120的电力水平。
在一些实施例中，如果控制器142确定经检测的频率超出预定频率范围的上阈值频率，则控制器142可以基于检测频率和上阈值频率来确定要被调整的频率量。控制器142还可以基于频率量和负载所消耗的电力来确定将由UPS 140加载的电量。然后所确定的电量可以从UPS 140传送到发电机130。在这个过程期间，能量存储装置143可以放电以提供所确定的电量。
在一些实施例中，如果控制器142确定经检测的频率低于预定频率范围的下阈值频率，则控制器142可以基于检测频率和下阈值频率来确定要被调整的频率量。控制器142还可以基于频率量和负载所消耗的电力来确定电气设备要卸载的电量。然后可以从发电机130向UPS 140吸收所确定的电量。在此过程期间，可以通过所吸收的电力对能量存储装置143充电。
在一些实施例中，UPS 140还可以包括耦合到能量存储装置143的电力电子装置146。电力电子装置146可以被配置为将电力传送到负载140。例如，电力电子装置146可以包括任何合适的电力转换元件。
如上面已经提及的，发电机的频率值应被维持在预定范围内，以避免不可承受的频率变化。以这种方式，通过增加或减少电气设备所承载的负载，可以将发电机频率带回到限制，从而保证发电机和连接到发电机的负载的安全。
UPS 140还可以包括其他组件，诸如整流器或逆变器。图2A和图2B示出了根据本公开实施例的电气设备的整流器和逆变器的实施例。
如图所示，整流器144和逆变器145可以分别耦合到能量存储装置143。例如，整流器144可以被配置为在能量存储装置143的充电期间将来自发电机130的交流电压转换为直流电压。逆变器145可以被配置为在能量存储装置143的放电期间将来自能量存储装置143的直流电压转换为交流电压。
在一些实施例中，整流器144和逆变器145也可以耦合到发电机130以递送电力。整流器144和逆变器145可以耦合到控制器142以基于从控制器接收到的命令来执行转换。
因此，为了实现发电机处的频率的自动调整，还可以采用UPS 140的整流器、逆变器和能量存储装置来执行能量传送和转换，这些都是用于该解决方案的必要组件。
UPS 140和发电机处的频率调整方法可以被用于各种应用场景中。图3A-图3C示出了根据本公开实施例的用于电气设备的不同应用场景。
例如，在图3A中发电机130耦合到UPS的输出并且直接耦合到负载120，而在图3B中发电机130耦合到UPS 140的输入并且UPS直接耦合到图12中的负载120。在图3C中，另一负载150也耦合到发电机130。在负载直接耦合到发电机的情况下，如图3B和图3C中所示，发电机频率不能被允许超过负载的频率限制。根据本公开对UPS的主动控制，无论UPS的类型如何，都可以防止发电机的频率达到不可承受的频率值。例如，UPS不能被实施为双转换UPS。
因此，根据本公开的UPS可以在各种供电环境中实现对发电机的频率调整。无论是发电机直接连接负载还是电气装置耦合在发电机和负载之间，电气装置都确保发电机的频率被调整到预定范围内。
图4示出了根据本公开实施例的电气设备的旁路元件的实施例。如图所示，UPS140还可以包括旁路元件170。旁路元件170可以耦合到控制器(未示出)。如果负载所消耗的电力已经完全由发电机接管，则控制器可以旁路UPS 140。
在该解决方案中，如果发电机频率超出已配置的限制，则UPS被用来主动控制去往和来自发电机的电力变化率。仅当超出频率限制时才进行干预是有利的，在此时改变电力的变化率以防止超出频率限制。意思这种方式，UPS在其不超出频率限制的情况下，以发电机能够处理的速度尽快向发电机或从发电机传送电力。
此外，通过自动改变电力的变化率，系统不需要针对不同的发电机行为进行校准。由于发电机频率永远不会超出可配置限制，因此UPS可以是频率相关的UPS，并且直接连接到发电机的负载也是安全的。
本公开还提供了一种具有UPS 140的电源系统。电源系统可以是图1和图3A-图3C中所示的电源系统100中的任何一个，但不限于此。
此外，应当理解，控制器142可以被集成在UPS 140中，诸如嵌入在UPS 140中的芯片。控制器142可以被实施为与UPS 140分离的任何个体装置、元件和组件。
进一步地，本公开还提供了一种UPS的制造方法。图5示出了图示根据本公开实施例的电气设备的制造方法的流程图。
在610处，提供耦合到发电机并被配置为检测发电机的频率的检测电路。在620处，提供控制器，该控制器耦合到检测电路并被配置为接收指示经检测的频率的第一信号并且响应于确定经检测的频率超出预定频率范围而调整发电机的频率。
在本公开的解决方案中，UPS可以测量发电机电压频率和负载电力。UPS被配置为支持任何负载阶跃(增加或减少)，使得负载增加和减少将分别对能量存储装置放电或充电。以斜坡或滤波的方式，UPS将负载传递给发电机，从而实现其能量存储的零充电或零放电。但是，如果发电机电压频率达到已配置的频率上限或下限，那么UPS保持当前电力设定值。如果发电机电压频率超出已配置的频率限制，那么UPS增加或减少其负载，以便将发电机频率带回到限制。
应当了解，本公开的上述详细实施例仅用于例示或解释本公开的原理，并不用于限制本公开。因此，在不背离本公开的精神和范围的情况下的任何修改、等同替换和改进等等，均应被包含在本公开的保护范围之内。同时，本公开的所附权利要求旨在覆盖落入权利要求的范围和边界或该范围和边界的等同物下的所有变型和修改。

Claims (15)

1.一种电气设备(140)，包括：
检测电路(141)，所述检测电路(141)被耦合到发电机(130)并且被配置为检测所述发电机(130)的频率；和
控制器(142)，所述控制器(142)被耦合到所述检测电路(143)并且被配置为接收指示经检测的频率的第一信号并且响应于确定所述经检测的频率超出预定频率范围而调整所述发电机(130)的所述频率。
2.根据权利要求1所述的电气设备(140)，其中所述检测电路(141)还被耦合到负载(120)并且被配置为检测由所述负载(120)所消耗的电力，并且其中所述控制器(142)还被配置为接收指示由所述负载(120)所消耗的所述电力的第二信号并且基于所述第二信号而将所述发电机(130)的所述频率调整一个频率量。
3.根据权利要求2所述的电气设备(140)，其中所述控制器(142)还被配置为通过基于所述第一信号和所述第二信号调整从所述发电机(130)到所述负载(120)的电力水平，来调整所述发电机(130)的所述频率。
4.根据权利要求3所述的电气设备(140)，还包括：
整流器(144)，所述整流器(144)被耦合到所述发电机(130)和所述控制器(142)；
能量存储装置(143)，所述能量存储装置(143)被耦合到所述整流器(144)和所述控制器(142)；以及
逆变器(145)，所述逆变器(145)被耦合到所述能量存储装置(143)和所述控制器(142)；
其中所述控制器(142)被配置为使所述整流器(144)、所述能量存储装置(143)和所述逆变器(145)调整从所述发电机(130)到所述负载(120)的所述电力水平。
5.根据权利要求4所述的电气设备(140)，其中所述控制器(142)还被配置为：
响应于确定所述经检测的频率超出所述预定频率范围的上阈值频率，基于所述经检测的频率和所述上阈值频率来确定将要被调整的所述频率量；
基于所述频率量和由所述负载(120)所消耗的所述电力来确定将要由所述电气设备(140)加载的电量；以及
通过对所述能量存储装置(143)放电，将所述电量从所述能量存储装置(143)递送到所述发电机(130)。
6.根据权利要求4所述的电气设备(140)，其中所述控制器(142)还被配置为：
响应于确定所述经检测的频率低于所述预定频率范围的下阈值频率，基于所述经检测的频率和所述下阈值频率来确定将要被调整的所述频率量；
基于所述频率量和由所述负载(120)所消耗的所述电力来确定将要由所述电气设备(140)卸载的电量；以及
通过对所述能量存储装置(143)充电，将来自所述发电机(120)的所述电量吸收到所述能量存储装置(143)。
7.根据权利要求5所述的电气设备(140)，其中所述逆变器(145)被配置为在所述能量存储装置(143)的所述放电期间将来自所述能量存储装置(143)的直流电压转换为交流电压。
8.根据权利要求6所述的电气设备(140)，其中所述整流器(144)被配置为在所述能量存储装置(143)的所述充电期间将来自所述发电机(120)的交流电压转换为直流电压。
9.根据权利要求2所述的电气设备(140)，其中所述发电机(130)被耦合在所述电气设备(140)和所述负载(120)之间。
10.根据权利要求2所述的电气设备(140)，其中所述电气设备(140)被耦合在所述发电机(130)和所述负载(120)之间。
11.根据权利要求10所述的电气设备(140)，其中另一负载(150)被耦合在所述发电机(130)和所述电气设备(140)之间并且被配置为由所述发电机(130)和所述电气设备(140)中的至少一个供电。
12.根据权利要求2所述的电气设备(140)，其中所述电气设备(140)还包括被耦合到所述控制器(142)的旁路元件(170)并且所述控制器(142)还被配置为响应于确定由所述负载(120)所消耗的所述电力由发电机来承载，旁路所述电气设备(140)。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的电源系统，其中所述电气设备(140)是不间断电源UPS。
14.一种电源系统(100)，包括：
负载(120)；
发电机(130)，所述发电机(130)被耦合到负载(120)并被配置为向所述负载(120)供电；以及
根据权利要求1-13中任一项所述的电气设备(140)，所述电气设备(140)被耦合到所述发电机(130)和所述负载(120)。
15.一种用于制造电气设备(140)的方法，包括：
提供检测电路(141)，所述检测电路(141)被耦合到发电机(130)并且被配置为检测所述发电机(130)的频率；以及
提供控制器(142)，所述控制器(142)被耦合到所述检测电路(143)并被配置为接收指示经检测的频率的第一信号并且响应于确定所述经检测的频率超出预定频率范围而调整所述发电机(130)的所述频率。
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