CN113315219A - 不间断电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不间断电源系统，所述不间断电源系统包括：至少一个AC输入端子（3）；AC输出端子（2）和DC输入端子（4）；至少一个不间断电源UPS装置（1，N），所述至少一个不间断电源UPS装置（1，N）包括DC链路（7）、在第一侧上连接到所述DC链路（7）以及在第二侧上连接到AC输出端子（2）的DC/AC转换器（9）以及在第一侧上连接到DC输入端子（4）以及在第二侧上连接到DC链路（7）的DC/DC转换器（11）；以及至少两个开关（8）和具有两个绕组（10）的至少一个耦合差模电感器（12），由此每个开关（8）与至少一个绕组（10）串联连接，从而形成串联连接（6），以及串联连接（6）在第一侧上连接到至少一个AC输入端子（3），以及在第二侧上连接到AC输出端子（2）。

Description

不间断电源系统
技术领域
本发明涉及一种不间断电源系统，其包括：至少一个AC输入端子、AC输出端子和DC输入端子；至少一个不间断电源UPS，其包括DC链路、在第一侧上连接到DC链路以及在第二侧上连接到AC输出端子的DC/AC转换器、在第一侧上连接到DC输入端子以及在第二侧上连接到DC链路的DC/DC转换器。
背景技术
电气安装中的电能质量事件是重要问题。电能质量事件包括从例如AC源的单相下降（sag）或故障一直涵盖到整个多相AC源的中断（outages）的AC源的任何类型的干扰。为了处理电能质量事件，不间断电源装置和不间断电源系统将不间断电源UPS提供给负载。
典型的UPS系统和/或（respectively）UPS装置包括：AC/DC转换器，也称为整流器；以及输出DC/AC转换器，也称为逆变器。AC/DC转换器和DC/AC输出转换器通过具有正汇流条和负汇流条和/或导轨或简单链路的DC链路互连。DC链路通常具有中点参考、正参考以及负参考，它们通过串行提供的两个电容连接。整流器通常提供为半桥升压转换器，从而相对于内部和/或源参考（例如通常的源中性线（source Neutral））经由DC链路的正导轨和负导轨来保持调节分路。此外，AC/DC转换器在UPS的电源侧处连接到AC源，以及DC/AC输出转换器在UPS的负载侧处连接到负载，该负载通常是AC负载。更进一步，UPS包括附加的DC/DC转换器（也称为电池转换器）和DC源，由此DC/DC转换器将DC源连接到DC链路。DC源通常是电池，它经由DC/DC转换器从DC链路充电。这样的UPS系统中的每个UPS装置可以连接到个别电池，或者UPS系统中的UPS装置可以共享单个电池或多个电池。一个或多个电池可以是UPS装置或UPS系统的组成部分，或者它们可以被单独提供。在任何情况下，UPS装置或UPS系统的操作不会改变，因为这更是个限定问题。
当今的UPS系统通常以模块化方法为特征，从而虑及对系统构建非常灵活和稳健的方法。这样（such way），对于冗余和可维护性或整体可靠性两者，系统增长易于调节（accommodate）。由于转换器本质上是电流控制装置，因此负载共享通常完美地控制在某个精度上，该精度对于个别传动系统（即，并行操作的UPS装置）并不是个问题。对于UPS系统的旁路，这种分布式架构是有吸引力的备选方案，特别是对于其中大短路电流和允通（letthrough）能量具有基本重要性的大型系统，也是如此。
然而，由于通常使用的半导体装置的性质，在特殊的硅控整流器SCR（也称为晶闸管）中，电流份额可能造成问题。因此，需要注意的是，这样的装置通常是自然地换向的，因此在诸如例如50/60Hz之类的线路周期（line cycle）内不能容易地操作为转换器。由于结构公差和材料特性，所述并行装置的电流份额取决于半导体之中的固有差异。影响电流份额的参数可以是例如“阈值电压”、“正向电压”、“正向斜率电阻”、“下降时间”、“正向恢复时间”、“温度系数”等等。例如，“正向电压”Vf和“阈值电压”Vt变化在装置之间的电流份额中起着相关作用，因为具有因较低Vf而引起的较大电流的装置将变得更热，因此由于其硅结构的负Vf系数而传导总电流的甚至更大的电流份额。半导体装置外部的UPS系统的物理结构中的其他差异可能进一步影响半导体之中的电流份额。那些差异可能是无源电流路径中的不平衡，装置之中的温度差异，装置之中的选通延迟和幅度差异，总导线阻抗不匹配等。
分布式旁路通常用于UPS系统中的实际解决方案。旁路传动系统通常容纳在还容纳转换器的UPS装置中，由此每个UPS装置通常作为完整的UPS提供，该UPS由通常的AC-DC-AC转换器（即，整流器）来形成，其利用转换器和逆变器（如上所述）以及旁路来存储能量。然而，在这种方法的情况下，对于通过平衡的UPS系统构建例如利用模块之间的阻抗来补偿某个点，旁路模式下的电流份额是已知问题。UPS系统规模，即UPS装置的数量，增加了所述问题，以及具有以无法预测的方式变得更糟的趋势。备选方法是要将并行的旁路传动系统容纳在单独的组合件中，然而由于通过更紧凑的系统构建减少了总体布线，电流份额问题仍然存在，或者实际上可能变得更加严重。
发明内容
因此，本发明的目的是要针对UPS系统中的并行UPS装置之间的电流份额提供改进的解决方案。
本发明的目的通过独立权利要求的特征解决。优选的实施例在从属权利要求中详述。
因此，该目的通过一种不间断电源系统来解决，该不间断电源系统包括
至少一个AC输入端子，AC输出端子和DC输入端子，
至少一个不间断电源UPS装置，包括
DC链路
DC/AC转换器，其在第一侧上连接到DC链路，并且在第二侧上连接到AC输出端子，以及
DC/DC转换器，其在第一侧上连接到DC输入端子，并且在第二侧上连接到DC链路，以及
至少两个开关和具有两个绕组的至少一个耦合差模电感器（coupleddifferential mode inductor），由此
每个开关与至少一个绕组串联连接，从而形成串联连接，以及
所述串联连接在第一侧上连接到至少一个AC输入端子以及在第二侧上连接到AC输出端子。
因此，本发明的关键点在于，通过开关与至少一个耦合差模电感器的至少一个绕组的串联连接来为UPS系统提供非常节省成本、可缩放和冗余的旁路结构。如此提供的旁路虑及在UPS系统中的并行UPS装置之间的电流份额，因此为分布式旁路架构提供稳健、被动控制、容错、尤其是固有的可靠和准确的电流份额，尤其是在与三个或更多个UPS装置相划分的情况下也是如此。串联连接因此通过由耦合差模电感器的磁耦合的绕组引起的电流不平衡来补偿并行UPS装置之间的可能的电流不平衡。因此，每个耦合差模电感器经由其两个绕组连接到两个不同的开关。UPS装置优选地包括DC链路（可选地包括AC/DC转换器）、DC/AC转换器和DC/DC转换器。
UPS系统可能具有通常称为“电池”的存储能源，以在AC源异常状况的情况下维持DC链路，因此可以保持通过第二转换器组合件的负载支持而不会中断。电池通常通过DC/DC转换器连接到DC链路，以虑及电池由于耗尽或其他特性而发生电压变化。电池不限于普通的VRLA，它可以是任何实际的DC源，其包括燃料电池、光伏、风能或其他。多个DC/DC转换器可以连接到DC链路和并行运行以支持DC链路。为了最大简化，与电池的连接优选地是两根导线。电池和\或DC源与DC链路及其公共内部参考/中性线的连接可以采取若干形式，例如仅用于链接正极端和负极端或仅链接到链路和中性线中的一个。负载可以是AC负载、DC负载或其组合和/或多相负载。
优选地，AC/DC转换器、DC/AC转换器和/或DC/DC转换器利用交织模式以脉冲宽度PWM调制或PWM相移来操作。PWM的优势在于要求较少的控制能力，而交织有利于优化例如滤波器纹波。优选地，提供多个DC/AC转换器和/或DC/DC转换器。AC/DC转换器、DC/AC转换器和/或DC/DC转换器优选地包括Si、SiC和/或GaN半导体。这样的半导体的特征在于改进的性能，因为所述材料尤其在具有简单得多的整体构造的两级拓扑结构的情况下允许高效的操作。SiC和/或GaN半导体具有比传统的Si半导体小得多的开关损耗。因此，除了不连续电流模式DCM之外，在永久恒定电流模式CCM下操作也可能是有利的，在该模式下，电流的斜率通常在下一次开关事件之前允许归零，由此大大降低了总体损耗。可以根据负载水平以及短期和长期应力考虑因素在自适应的基础上采用和改变所述模式，而CCM中的潜在能量吞吐量通常更高。
在优选的实现中，开关包括和/或被提供为晶闸管、栅极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT、集成栅极换向晶闸管IGCT、场效应晶体管FET、接触器、继电器、开关、可插拔接触部和/或插头、机械开关或任何其他可能的开关方式。在备选实现中，开关可以由电子控制和/或手动操作的接触部代替，或具有并行和/或串行的电子控制和/或手动操作的接触部，所述电子控制和/或手动操作的接触部例如但不限于接触器、继电器、开关、可插拔接触部和/或插头。
根据另一个优选的实现，开关被提供为受控电流换向的半导体模块和/或包括与至少一个绕组串联连接的保护装置、受控断开装置和/或测量装置。优选地将保护装置提供为熔丝和/或将受控断开装置优选地提供为接触器和/或任何其他电气和/或机械开关装置，例如比如IGBT、GTO和/或IGCT。测量装置优选地连接到如下所述的控制装置和/或连接到受控断开装置。这样，例如如果由测量装置测量的电流超过阈值，控制装置则可以通过致动受控断开装置来打开串联连接。
在另外优选的实现中，不间断电源系统包括至少N个开关和至少N、N-1或N-2个耦合差模电感器，其各自具有两个绕组，其中N为整数且≥2，由此至少两个不同的耦合差模电感器的至少两个绕组串联连接。因此，分离的不同耦合差模电感器的至少两个绕组与每个电流换向的半导体模块串联连接。串行的至少两个耦合差模电感器的耦合绕组尤其改进了电流份额，因为由于圆形连接而本质上解决了上述问题。
根据另一个优选的实现，不间断电源系统包括至少N个开关和至少N、N-1或N-2个耦合差模电感器，其各自具有两个绕组，其中N为整数且≥3，由此至少N、N-1或N-2个不同耦合差模电感器中的每个至少N、N-1或N-2绕组串联连接。由于第一线路和最后线路具有其他线路的阻抗，因此这种实现虑及在开关之中平均分配线路阻抗。此外，由于一个开关的故障抑制了其他开关之中的电流平衡，因此利用串行耦合的至少两个耦合差模电感器，可以提供单个容错。例如，可能存在4个开关、2个耦合差模电感器和1个绕组（即，没有来自不同耦合差模电感器的绕组的串联连接），而在另一种情况下，可能存在4个开关、4个耦合差模电感器和串联连接的每个2绕组。在另一种情况下，可能存在4个开关、具有串联连接的8个绕组的16个耦合差模电感器。
在另外优选的实现中，至少一个不间断电源UPS装置包括AC/DC转换器，其在第一侧上连接到至少一个AC输入端子以及在第二侧上连接到DC链路。利用这种AC/DC转换器，系统可以在线运行，整体上在没有AC/DC转换器的备选拓扑中，离线操作是可能的，使得通过反向操作的DC/AC转换器来执行链路支持和所存储的能量电荷。串联连接在第一侧上连接到至少一个AC输入端子以及在第二侧上连接到AC输出端子。例如，这意味着可以将串联连接并联连接到UPS装置，将串联连接连接在AC输入端子和AC/DC转换器之间，或者将串联连接连接在DC/AC转换器和AC输出端子之间。
根据另一个优选的实现，不间断电源系统包括两相、三相或更多个相。优选地，每个相包括由一个开关、并联连接的至少一个绕组形成的至少一个串联连接。在另外优选的实现中，至少一个AC输入端子和/或AC输出端子被提供为汇流条。所述汇流条优选地是功率入口的安装点，例如以用于将AC源和连接负载的出口连接。
在另一个优选的实现中，不间断电源系统包括多个至少两个开关和至少一个耦合差模电感器，其各自具有并联连接的两个绕组。在另外优选的实现中，串联连接作为旁路集成到UPS装置中或在UPS装置外部。这样，可以将串联连接例如在DC/AC转换器和/或AC输出端子和负载之间的电流路径中放置在UPS装置外部。放置在UPS装置内部意味着例如至少与DC/AC转换器并行。
根据另一个优选的实现，不间断电源系统包括至少两个AC输入端子和至少三个或四个串联连接，由此至少每两个串联连接连接到至少两个AC输入端子中的每一个输入端子。
在另外的实现中，不间断电源系统包括配置用于控制UPS系统的控制装置。优选地将控制装置提供为计算机化部件，例如提供为相应编程的微处理器。控制装置可以与每个UPS和/或UPS装置相关联或与UPS系统相关联，由此控制UPS系统的每个UPS装置。控制装置可以包括用户界面，或者UPS系统可以包括系统级用户界面。此外，控制装置可以包括用于与其他控制装置和/或外部装置进行通信的通信部件。在UPS的优选实现中，控制装置被配置用于利用交织模式以脉冲宽度PWM调制或PWM相移来操作AC/DC转换器、DC/AC转换器和/或DC/DC转换器。根据另一个优选的实现，提供了至少两个并行的DC/DC转换器，以及该控制装置被配置用于以并行或时间交错的方式操作至少两个DC/DC转换器，以用于控制向多个DC源的能量汲取。
在另一个优选的实现中，耦合差模电感器被提供为变压器。通常，耦合差模电感器抵消了电感器的铁氧体磁芯内部的磁通，使得对于差模电流不会产生阻抗，以及磁饱和问题是小的。耦合差模电感器也称为差模扼流圈和/或线圈。耦合差模电感器优选地包括缠绕在单个芯上的两个线圈和/或绕组，由此绕组被负耦合以便抵消由差模DM电流产生的磁通量。
附图说明
根据下文描述的实现，本发明的这些和其他方法将是显而易见的，并且参考下文描述的实现，本发明的这些和其他方面将被阐明。
在附图中：
图1以示意图的形式示出了根据优选的实现的不间断电源UPS系统，
图2以示意图的形式示出了具有四个开关和两个耦合差模电感器的第一优选实现，
图3以示意图的形式示出了具有三个开关和三个耦合差模电感器的第二优选实现，
图4以示意图的形式示出了具有四个开关和四个耦合差模电感器的第三优选实现，
图5以示意图的形式示出了具有四个开关和四个耦合差模电感器的第四优选实现，以及
图6以三个示意图的形式示出了具有五个开关和五个耦合差模电感器的第五优选实现。
具体实施方式
图1以示意图的形式示出了根据优选的实现的不间断电源UPS系统。该UPS系统包括多个相同的UPS装置，然而示出了其中的两个，并且被称为UPS 1和UPSN。UPS系统包括：至少一个AC输出端子3，其用于连接到AC源3；AC输入端子2，其用于连接到负载；以及至少一个DC输入端子4，其连接到至少一个DC源4。
每个UPS装置1，N包括AC/DC转换器5，其被提供为AC/DC整流器，以及其包括至少两个独立控制的第一转换器（未示出）。AC/DC转换器5在第一侧上连接到至少一个AC端子3以及在第二侧上连接到DC链路7，所述DC链路7包括具有中点参考的两个半部（未示出）。每个UPS装置1，N还包括DC/AC转换器9，其被提供为逆变器并且包括被独立控制的第二转换器，其被提供为DC/AC逆变器（未示出）。DC/AC转换器9在第一侧上连接到DC链路7以及在第二侧上连接到AC输出端子2。图1示出了另一个DC/AC转换器9，其并联连接到DC/AC转换器9。备选地，可以省略AC/DC转换器5，以及可以通过反向操作的DC/AC转换器9来进行链路支持和所存储的能量电荷。
每个UPS装置1，N甚至还包括至少一个DC/DC转换器11，而两个DC/DC转换器11在图1中被描绘并且并联连接。两个DC/DC转换器11中的每一个包括独立控制的第三转换器，其在第一侧上经由DC输入端子4连接到DC源4以及在第二侧上连接到DC链路7。第三DC/DC转换器11被提供为具有相应的第三转换器的DC/DC存储的能量转换器。UPS系统或每个UPS装置1，N还包括计算机化控制装置13，其包括用户界面和用于与可选的UPS系统级用户界面14进行通信的通信部件。第一转换器、第二转换器和第三转换器包括Si、SiC和/或GaN半导体。
现在也参考图2至6，UPS系统包括至少一个AC输入端子3和AC输出端子2之间的旁路6，其被提供为开关8和耦合差模电感器12的一个绕组10的串联连接6。通过现在参考图2中所示的实现，UPS系统包括两个AC输入端子3和一个AC输出端子2，而图3至图6中的实现仅包括一个AC输入端子3。为简化的原因，在图2至图6中未示出转换器5、9和11。
在图2中，各自具有两个绕组10的两个耦合差模电感器12在一侧上并联连接到AC输出端子2。两个耦合差模电感器12的每一个绕组10与四个开关8中的一个串联连接到AC输入端子3，使得每两个开关8连接到两个AC输入端子3中的一个。开关8和耦合差模电感器12的串联连接6通过由耦合差模电感器12的绕组10内的耦合平衡电压磁感应的电流不平衡来补偿并行UPS装置1，N之间的可能的电流不平衡。
四个开关8的每一个都包括硅控整流器SCR 15，特别是作为并联连接的一对反并联晶闸管15。备选地，开关8包括晶闸管、栅极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT、集成栅极换向晶闸管IGCT、场效应晶体管FET、接触器、继电器、开关、可插拔接触部和/或插头、如在图4中所示的机械开关或任何其他可能的开关部件。
图3示出了具有三个开关8和三个耦合差模电感器12的另外实现，由此每一个开关8与两个不同的耦合差模电感器12的两个绕组10串联连接。每个开关8除了并联连接的一对反并联晶闸管15之外还包括：保护装置16，即，熔丝；受控断开装置17，即，机械和/或电开关；以及电流测量装置18，它们均与并联连接的该对反并联的晶闸管和/或绕组10串联连接。受控断开装置17和电流测量装置18连接到控制装置13。
图4示出了另一个实现，其具有四个开关8，每个被提供为机械开关，以及四个耦合差模电感器12，由此每一个开关8与两个不同的耦合差模电感器12的两个绕组10串联连接。图5示出了类似的实现，但是具有并联连接的成对反并联晶闸管15而不是机械开关。
最后，图6以虚线示出了通过耦合差模电感器12的成对绕组10的磁耦合。从左侧的实现开始，所有五个开关8都导通，使得在所有五个耦合差模电感器12中发生磁耦合。现在转到右上侧的实现，中间电流换向的半导体模块8不导通，而所有其他电流换向的半导体模块8在导通。这样明智（such wise），来自顶部的第二耦合差模电感器12不是磁耦合。这样，两个最高的电流换向的半导体模块8和两个最低的电流换向的半导体模块8仍然耦合。转向右下实现，从顶部开始计数的第三和第五电流换向的半导体模块8均不导通。这样明智，第二和第五耦合差模电感器12不提供磁耦合。在这种情况下，不再提供电流平衡。然而，通过将电流换向的半导体模块8与由N*N个耦合差模电感器12组成的矩阵连接，N为正自然数，即使在这种情况下也可以提供电流平衡。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的说明和描述应被认为是说明性或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、本公开和所附权利要求书，由本领域技术人员在实践所要求保护的发明中可以理解和实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何参考符号都不应被解释为限制范围。
参考符号列表
1、N UPS装置
2 负载，AC输出端子
3 AC源、AC输入端子
4 DC源、DC输入端子
5 AC/DC转换器
6 旁路，串联连接
7 DC链路
8 开关，受控电流换向的半导体模块
9 DC/AC转换器
10绕组
11 DC/DC转换器
12 耦合差模电感器
13 控制装置
14 用户界面
15 硅控整流器，并联连接的一对反并联晶闸管
16 保护装置
17 受控断开装置
18 测量装置。

Claims (13)

1.一种不间断电源系统，包括
至少一个AC输入端子（3）、AC输出端子（2）和DC输入端子（4），
至少一个不间断电源UPS装置（1，N），包括
DC链路（7），
DC/AC转换器（9），所述DC/AC转换器（9）在第一侧上连接到所述DC链路（7）以及在第二侧上连接到所述AC输出端子（2），以及
DC/DC转换器（11），所述DC/DC转换器（11）在第一侧上连接到所述DC输入端子（4）以及在第二侧上连接到所述DC链路（7），以及
至少两个开关（8）和具有两个绕组（10）的至少一个耦合差模电感器（12），由此
每个开关（8）与至少一个绕组（10）串联连接，从而形成串联连接（6），以及
所述串联连接（6）在第一侧上连接到所述至少一个AC输入端子（3）以及在第二侧上连接到所述AC输出端子（2）。
2.根据前述权利要求所述的不间断电源系统，由此，所述开关（8）包括晶闸管、GTO、IGBT、IGCT、FET，并联连接的一对反并联晶闸管（15）、接触器、继电器、开关、可插拔接触部和/或插头。
3.根据前述权利要求所述的不间断电源系统，由此，所述开关（8）被提供为受控电流换向的半导体模块（8）和/或包括与所述至少一个绕组（10）串联连接的保护装置（16）、受控断开装置（17）和/或测量装置（18）。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的不间断电源系统，包括：至少N个开关（8）和至少N、N-1或N-2个耦合差模电感器（12），所述耦合差模电感器（12）各自具有两个绕组（10），其中N是整数并且≥2，由此至少两个不同的耦合差模电感器（12）的至少两个绕组（10）串联连接。
5.根据前述权利要求1至4中的任一项所述的不间断电源系统，包括至少N个开关（8）和至少N、N-1或N-2个耦合差模电感器（12），所述耦合差模电感器（12）各自具有两个绕组（10），其中N是整数并且≥3，由此至少N、N-1或N-2个不同耦合差模电感器（12）的每个至少N、N-1或N-2绕组（10）串联连接。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的不间断电源系统，由此，所述至少一个不间断电源UPS装置（1，N）包括AC/DC转换器（5），所述AC/DC转换器（5）在第一侧上连接到所述至少一个AC输入端子（3）以及在第二侧上连接到所述DC链路（7）。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的不间断电源系统，包括两个、三个或更多个相。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的不间断电源系统，由此，所述至少一个AC输入端子（3）和/或所述AC输出端子（2）被提供为汇流条。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的不间断电源系统，包括多个至少两个开关（8）和至少一个耦合差模电感器（12），所述耦合差模电感器（12）各自具有并联连接的两个绕组（10）。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的不间断电源系统，由此，所述串联连接作为旁路（6）集成到所述UPS装置（1，N）中或集成在所述UPS装置（1，N）的外部。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的不间断电源系统，包括：至少两个AC输入端子（3）和至少四个串联连接（6），由此至少每两个串联连接（6）连接到所述至少两个AC输入端子（3）中的每一个AC输入端子（3）。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的不间断电源系统，包括被配置用于控制所述UPS系统的控制装置（13）。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的不间断电源系统，由此，所述耦合差模电感器（12）被提供为变压器。
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