CN115769459A - 不间断电源 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种不间断电源(100)。不间断电源(100)包括开关(102)、功率管理模块(110)、逆变器(104)和控制器(108)。开关(102)被布置在负载(200)和电源(300)之间，电源被配置为向负载供电。功率管理模块(110)包括主储能器，并且被配置为减少由主储能器经历的纹波。逆变器(104)被布置在功率管理模块与负载之间，并且被耦合至功率管理模块和负载。控制器(108)被耦合至功率管理模块(110)、逆变器(104)和开关(102)，控制器被配置为通过调控逆变器与电源之间的功率交换来控制逆变器以调控输出电压幅度和频率。根据本公开的实施例，在突然负载拒绝或公用相位跃变期间储能器的过度充电能够被避免。

Description

不间断电源

技术领域

本公开的示例实施例大体上涉及不间断电源的领域，更具体地涉及中压不间断电源中的功率管理。

背景技术

在基于静态转换器的不间断电源(UPS)中，储能设备是关键组件。基于阻抗隔离静态转换器的中压不间断电源(也称为“基于ZlSC的MV-UPS”)主要以两种模式操作，即功率调控模式和孤岛模式(island mode)。这两种模式可以通过UPS中所包括的开关进行切换。当开关被闭合时，UPS处于功率调控模式，并且通过调控UPS和电源之间的功率变化来控制输出电压幅度和频率。当发生功率质量事件时，开关被开启，并且UPS过渡到孤岛模式。在孤岛模式下，负载有功功率从储能器流过逆变器，并且UPS以给定的电压幅度和频率控制输出电压。

当基于ZlSC的MV-UPS处于功率调控模式时，如果发生负载拒绝或公用相位跃变扰动，则电流无法瞬时改变，并且能量必须由连接至逆变器直流总线的储能器吸收。该事件可能会对储能器过度充电，并且导致总线过电压，最终导致UPS跳闸。由于不间断电源可能被暴露于负序和谐波，则直流总线上的纹波电流将被产生。而且，UPS制造商建议电压纹波为推荐浮动电压的0.5％，然而，考虑到基于ZlSC的MV-UPS的操作规范，储能器将经历高达推荐浮动电压的15％的电压纹波。由于微循环，这种纹波证明对储能器有害。当暴露于高纹波电流时，储能器将遭受储存寿命的退化。

因此，需要一种有效的设计来最小化由储能设备暴露的纹波，以提高不间断电源的使用寿命，并且避免在突然负载拒绝或公用相位跃变期间对储能器过度充电，从而增强UPS的稳健性和可靠性。

发明内容

如上所述，负序电压和谐波可能由负载或公用设施施加，这可能会对不间断电源的正常操作产生不利影响。提出了一些方法，但并不令人满意。

例如，在EP 2717405A1中，提出了一种用于减少不间断电源的电池上的谐波电压分量的解决方案。然而，该解决方案无法减少纹波并且吸收静态转换器的过量瞬态能量，因此其使用范围将受到限制。

本公开的示例实施例提出了至少解决现有技术中的问题和/或潜在问题的解决方案。

本公开的实施例涉及一种不间断电源。不间断电源包括：开关，被布置在负载和电源之间，该电源被配置为向负载供电；功率管理模块，包括主储能器，并且被配置为减少由主储能器经历的纹波；逆变器，被布置在功率管理模块和负载之间，并且被耦合至功率管理模块和负载；以及控制器，被耦合至功率管理模块、逆变器和开关，该控制器被配置为通过调控逆变器与电源之间的功率交换来控制逆变器以调控输出电压幅度和频率。

根据本公开的实施例，在突然负载拒绝或公用相位跃变期间储能器的过度充电可以被避免。

在一些实施例中，功率管理模块包括纹波阻断单元，它与主储能器串联耦合，并且被配置为减少与主储能器相关联的纹波电流。

在一些实施例中，功率管理模块还包括：功率管理单元，被配置为调控逆变器的功率，并且被耦合至纹波阻断单元，其中纹波阻断单元被耦合在功率管理单元与主储能器之间。

在一些实施例中，功率管理模块还包括：纹波隔离单元，被串联耦合至主储能器，并且被配置为将主储能与关联于逆变器的直流总线隔离，逆变器被连接至功率总线，该功率总线连接负载和电源；以及次级储能器，与主储能器和纹波隔离单元并联耦合。

在一些实施例中，功率管理单元被设置在纹波阻断单元的上游或下游侧。

在一些实施例中，不间断电源还包括串联电抗器，它被耦合在开关和负载之间，并且被配置为将负载与电源干扰隔离。

在一些实施例中，纹波阻断单元包括有源电压调节器。

在一些实施例中，功率管理单元包括DC斩波器或整流器。

在一些实施例中，纹波隔离单元包括二极管、可控硅整流器或开关。

附图说明

通过参照附图的本公开的示例实施例的以下详细描述，本公开的以上和其他目的、特征和优点将变得更明显。在附图中，本公开的多个实施例通过示例以非限制性方式解释，其中：

图1图示了根据本公开的示例实施例的不间断电源的图；以及

图2至图5图示了根据本公开的示例实施例的图1所示的功率管理模块的各种实施方式。

具体实施方式

本公开的原理现在将参照附图中图示的各种示例实施例描述。应该了解的是，这些实施例的描述仅仅是为了允许本领域技术人员更好地理解并且进一步实施本文公开的示例实施例，而不旨在以任何方式限制本文公开的范围。应该注意的是，在可行时，类似或相同的参考符号可以被用于附图，并且类似或相同的参考符号可以表示类似或相同的功能。本领域技术人员可以容易地认识到，本文描述的结构和方法的替代实施例可以通过以下描述来采用，而不脱离本文描述的本公开的原理。

如本文使用的，术语“包括”及其变型应被读取为开放式术语，它表示“包括但不限于”。术语“基于”应被读取为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“实施例”应被读取为“至少一个实施例”。术语“又一实施例”应被读取为“至少又一实施例”。”术语“第一”、“第二”等可以指相同或不同的物体。以下文本还可以包括其他显式和隐式的定义。除非上下文另有指示，否则术语的定义在整个描述中是一致的。

图1示出了根据本公开的示例实施例的不间断电源100。根据实施例的不间断电源100是中压不间断电源，它是一种阻抗隔离静态转换器。要理解的是，这种类型的不间断电源100仅是示例，而不暗示对本公开的范围的任何限制。

如图1所示，不间断电源100在下游侧(也称为“负载侧”)被连接至负载200，并且在上游侧(也称为“电源侧”)被连接至电源300。在该实施例中，电源300是提供公用电压的电网供应。要理解的是，电源300可以是其他类型的电源。负载200和电源300由包括电缆或汇流条的功率总线105互连。在该实施例中，功率总线105被认为是不间断电源100的一部分，尽管功率总线105也可以是用于互连电源300和负载200的系统安装的一部分。还要理解的是，负载200可以包括被单独连接至功率总线105的单独负载单元。负载单元一起形成负载200。

不间断电源100包括开关102，该开关102被布置在电源300和负载200之间的功率总线105中。

如图1所图示的，不间断电源100还包括功率管理模块110。功率管理模块100包括主储能器112，并且被配置为减少由主储能器112经历的纹波。功率管理模块110的示例性形式将在下文中参照图2至5更详细地讨论。

不间断电源100还包括被连接至功率总线105的逆变器104。逆变器104被布置在功率管理模块110和负载200之间，并且还被耦合至功率管理模块100和负载200。在所示实施例中，不间断电源100还包括控制器108。控制器108被配置为控制不间断电源100的性能。控制器108与不间断电源100的其他组件分离。在替代实施例中，控制器108可以被提供为与逆变器104集成。

如图1所示，控制器108经由通信连接103被连接至开关102、逆变器104。在该所示实施例中，功率管理模块110还经由通信连接103被连接至控制器108。通信连接103可以是例如工业上稳健的、低时延和/或长距离通信链路。通信连接103被提供为通信总线，不间断电源100的所有组件都被连接至该通信总线。在替代实施例中，不间断电源100的所有组件被单独连接至控制器108。在一些实施例中，通信连接103包括基于光纤的物理连接。备选地，在其他实施例中，物理连接基于双绞线连接。通信连接103实现具有低时延的高速、长距离通信连接。

通常，不间断电源100被配置为在功率质量事件的情况下(例如当电源300发生故障时)向负载200供电。如本文使用的，功率质量事件可以指可能危及负载200的操作的任何事件，特别是电压降、电源300的完全故障或电源300中的电压干扰。

控制器108被配置为针对功率质量事件监测电源。要理解的是，本文描述的不间断电源100仅出于图示，而不暗示对主题范围的任何限制。

当不间断电源100处于功率调节模式时，输出电压幅度和频率通过调控不间断电源100和电源300之间的功率变化来控制。如果功率质量事件被检测到，则控制器108被配置为执行经由逆变器104从电源到储能器的电力供应的传递。在传递期间，控制器108被配置为使用开关102将电力供应与负载200分离，然后不间断电源100被切换到孤岛模式。逆变器104被用于在孤岛模式下辅助向负载200供电。

在不间断电源100的稳态状态下，通过将参考有功功率与由不间断电源100支持的测量有功功率进行比较，控制器108调控由不间断电源100递送的功率。通过这种方式，如果不需要储能器的大量充电，则不间断电源100通过设置零功率参考从储能器交换零有功功率。当发生小的和大的负载拒绝或公用相位跃变扰动时，功率环路的响应影响功率吸收单元组件，它具有用于转移有功功率以避免过电压的时间常数。时间常数是指转移有功功率以避免直流总线过电压的指示。

根据本公开的实施例，通过提供功率管理模块110，由负载200的突然变化或电源300的相位角的变化引起的储能器过度充电的影响可以被最小化。过量功率可以由功率管理模块110耗散或与来自电源100的功率交换。因此，利用将功率传递到公用设施的有功功率控制响应的协调和用于转移有功功率的功率管理单元时间常数，直流总线过电压可以被避免。通过这种方式，由突然负载拒绝或公用相位跃变产生的不利影响也可以被避免。

在一些实施例中，如图2所示，功率管理模块110可以包括与主储能器112串联耦合的纹波阻断单元114。纹波阻断单元114被配置为减少与主储能器112相关联的纹波电流。在一些实施例中，纹波阻断单元114可以包括例如有源电压调节器。要理解的是，本文描述的有源电压调节器仅是示例，并且纹波阻断单元114的具体形式不被限于本公开的实施例。

在常规方法中，由于可能由负载200或电源300施加的负序和谐波，主储能器112可能被暴露于高纹波电流，这可能会降低主储能器112的使用寿命。在所示实施例中，通过在本公开中提供纹波阻断单元114，跨储能器的电压纹波的影响可以被减少，因此不会牺牲不间断电源100的服务寿命。

在所示实施例中，如果储能器对电压纹波相对较不敏感，并且能够在没有逆变器直流总线过电压的情况下处置功率流入，则包括主储能器112和纹波阻断单元114的功率管理模块110足以最小化功率纹波，因此不需要附加单元。

参照图3，在一些实施例中，功率管理模块110还可以包括功率管理单元116，它被配置为调控逆变器104的功率，并且被耦合至纹波阻断单元114。如所图示的，纹波阻断单元114被耦合在功率管理单元116和主储能器112之间。如本文使用的，功率管理单元116可以被称为功率吸收单元。当突然负载拒绝或公用相位跃变发生时，由于储能器过度充电而导致的逆变器直流总线电压过电压可能会导致不间断电源100跳闸。在一些实施例中，功率管理单元116可以被配置为如果静态转换器的过量瞬态能量无法被耗散则吸收功率。通过这种方式，功率管理单元116被用于转移或消散吸收的功率并且保持在功率调节模式下，并且对负载200的损坏可以被避免。

在一些实施例中，功率管理单元116包括DC斩波器或整流器。DC斩波器可以被配置为通过例如通过斩波器电阻器耗散过量功率来调控总线105的电压。整流器可以被配置为向电源300交换过量功率，以便控制总线105的电压。要理解的是，本文描述的设备仅是示例，并且功率管理单元116的具体形式不被限于本公开的实施例。功率管理单元116可以被配置为限制过量功率流入储能器。通过这种方式，由主储能器112暴露的纹波电流可以以成本有效的方式来最小化，并且直流总线过电压可以被有效地避免。

在常规方法中，如果储能器对电压纹波敏感，并且储能器无法吸收过量的流入功率，则直流总线过电压可能会损坏不间断电源。为了至少克服以上问题，在一些实施例中，功率管理模块110可以进一步包括被串联耦合至主储能器112的纹波隔离单元118，如图4和5所图示的。纹波隔离单元118可以被配置为将主储能器112与关联于逆变器104的直流总线隔离。如所图示的，逆变器104被连接至功率总线105，该功率总线105在稳态操作期间连接负载200和电源300。通过并入纹波隔离单元118，功率管理模块110被配置为最小化纹波对储能寿命的影响，并且避免在突然的公用设施或负载事件期间储能单元过度充电。另外，功率管理模块110还可以包括与主储能器112和纹波隔离单元118并联耦合的次级储能器115。

在一些实施例中，纹波隔离单元118可以选自由二极管、可控硅整流器或开关组成的组。二极管可以被用于主要沿着一个方向传导电流。可控硅整流器(也称为“SCR”)可以是四层固态电流控制设备。要理解的是，本文描述的设备仅是示例，并且纹波隔离单元118的具体形式不被限于本公开的实施例。

在一些实施例中，如图4所示，功率管理单元116可以与次级储能器115并联耦合。该实施例中的功率管理单元114被提供在纹波阻断单元114的上游侧。在替代实施例中，如图5所示，功率管理单元116也可以被提供在纹波阻断单元114的下游侧。通过这种方式，功率管理单元116的布局可以根据用户的不同需要调整，并且不间断电源100的使用范围将会增加。

要理解的是，尽管图2至5图示了功率管理模块110的各种实施方式，它们只是几个示例，并且功率管理模块100可以是与本文描述的实施方式不同的其他形式。

在一些实施例中，不间断电源100还可以包括串联电抗器106，它被耦合在开关102和负载200之间，并且被配置为将负载与电源干扰隔离。通过这种方式，由诸如谐波和电压不平衡等干扰带来的负面影响被解耦，并且逆变器被允许连续调节和过滤公用干扰。

参照回图1，在一些实施例中，不间断电源100还可以包括多个耦合变压器107-1、107-2、107-3和107-4，它们被配置为根据需要执行电压适应。在一些实施例中，如所图示的，耦合变压器107-1可以被提供在开关102的上游侧。在其他实施例中，又一耦合变压器107-2可以被提供在逆变器104和连接负载200和电源300的功率总线105之间。备选地，在其他实施例中，其他耦合变压器107-3、107-4可以被提供在功率总线105的下游侧，以对所连接的负载200执行电压适应。连接负载200的耦合变压器107-3、107-4也被称为网络馈线或馈线。耦合变压器允许不间断电源100清除故障，并且耦合变压器的布局可以在追踪不间断电源100中的电压方面提供足够的准确性。

在一些实施例中，主储能器112和次级储能器115可以是相同类型的。在其他实施例中，它们可以是不同类型的。例如，主储能器112和次级储能器115可以是铅酸电池和超级电容器的组合。备选地，在其他实施例中，主储能器112和次级储能器115可以是铅酸和锂离子电池的组合。要理解的是，这些具体形式仅是示例，而不暗示对本公开的范围的任何限制。

次级储能器115的类型可以考虑稳态期间不间断电源的能力来选择。通过这种方式，由于负载200和/或电源300的负序电压和谐波，主储能器112将不会被暴露于高纹波电流。

与常规方法相比，不间断电源100中所包括的纹波阻断单元114、功率管理单元116和纹波隔离单元118相互补充，并且功能协调可以被实现。因此，更好的性能被提供以管理不间断电源100。

尽管主题已经用特定于结构特征和/或方法行动的语言来描述，但是要理解的是，在所附权利要求中限定的主题并不一定被限于上述具体特征或行动。相反，上述具体特征和行动被公开为实施权利要求的示例形式。

Claims (9)

1.一种不间断电源(100)，包括：

开关(102)，被布置在负载(200)和电源(300)之间，所述电源(300)被配置为向所述负载(200)供电；

功率管理模块(110)，包括主储能器(112)，并且被配置为减少由所述主储能器(112)经历的纹波；

逆变器(104)，被布置在所述功率管理模块(110)与所述负载(200)之间，并且被耦合至所述功率管理模块(110)和所述负载(200)；以及

控制器(108)，被耦合至所述功率管理模块(110)、所述逆变器(104)和所述开关(102)，所述控制器(108)被配置为通过调控所述逆变器(104)与所述电源(300)之间的所述功率交换来控制所述逆变器(104)以调控输出电压幅度和频率。

2.根据权利要求1所述的不间断电源(100)，其中所述功率管理模块(110)包括：

纹波阻断单元(114)，被串联耦合至所述主储能器(112)并且被配置为减少与所述主储能器(112)相关联的纹波电流。

3.根据权利要求2所述的不间断电源(100)，其中所述功率管理模块(110)还包括：

功率管理单元(116)，被配置为调控所述逆变器(104)的功率并且被耦合至所述纹波阻断单元(114)，其中所述纹波阻断单元(114)被耦合在所述功率管理单元(116)与所述主储能器(112)之间。

4.根据权利要求2所述的不间断电源(100)，其中所述功率管理模块(110)还包括：

纹波隔离单元(118)，被串联耦合至所述主储能器(112)并且被配置为将所述主储能器(112)与关联于所述逆变器(104)的直流总线隔离，所述逆变器(104)被连接至功率总线(105)，所述功率总线(105)连接所述负载(200)和所述电源(300)；以及

次级储能器(115)，与所述主储能器(112)和所述纹波隔离单元(118)并联耦合。

5.根据权利要求4所述的不间断电源(100)，其中所述功率管理单元(116)被设置在所述纹波阻断单元(114)的上游侧或下游侧。

6.根据权利要求1所述的不间断电源(100)，还包括：

串联电抗器(106)，被耦合在所述开关(102)和所述负载(200)之间，并且被配置为将所述负载(200)与电源干扰隔离。

7.根据权利要求2所述的不间断电源(100)，其中所述纹波阻断单元(114)包括有源电压调节器。

8.根据权利要求3所述的不间断电源(100)，其中所述功率管理单元(116)包括DC斩波器或整流器。

9.根据权利要求4所述的不间断电源(100)，其中所述纹波隔离单元(118)包括二极管、可控硅整流器或开关。

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