CN1909324A

CN1909324A - 监视ups电源的方法和设备

Info

Publication number: CN1909324A
Application number: CNA2006101060611A
Authority: CN
Inventors: B·赫伯; T·D·布什; M·N·马沃利; P·泰勒
Original assignee: Liebert Corp
Current assignee: Vertiv Corp
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2026-06-13
Also published as: HK1101456A1; CN100440684C; US20060290205A1; US7566988B2

Abstract

不间断电源(UPS)系统包括第一UPS模块，该模块具有第一电源、第二电源和用来将上述第一或第二电源有选择地连接到负荷的控制器。第二UPS模块与第一UPS模块并联。第二UPS模块也包括第一电源、第二电源和用来将上述第一或第二电源有选择地连接到负荷的控制器。第一UPS模块的控制器将功率从第一UPS模块的第一电源逐渐转移到第二UPS模块的第一电源，以检测第二UPS模块的第一电源的存在性。

Description

监视UPS电源的方法和设备

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2005年6月16日提交的、编号为60/595,194的美国临时专利申请的权益，此处通过引用将其全部内容包含于本文之中。

技术领域

本发明一般涉及不间断电源(UPS)系统，更具体地，涉及两个或更多个并联连接和运行的UPS系统。

背景技术

在要求供电连续性的应用场合使用了UPS系统，以便当主电源故障时，该UPS系统提供来自储能存储系统(通常为电池形式)的功率。该UPS系统监视主电源，并控制各个UPS元件，以便为关键负荷持续供电。

为进一步提供供电连续性，多个UPS模块可以与其它UPS模块并联，以形成具有给定重数(multiplicity)的冗余UPS系统。因为可以因维护的原因而将任何UPS模块与关键负荷断开，或者，UPS可自动将任何UPS模块与关键负荷断开来隔离故障模块，从而便增加了冗余度。剩余的模块仍然将功率提供给关键负荷。通常，当UPS模块并联时，加入一些模块到模块的连线，以促进功率的共享和各模块之间的连接与断开。

当因维护的原因需要将模块与关键负荷断开，或是因故障的原因需要将模块自动与关键负荷隔离时，让该模块检测是否至少有一个支持该关键负荷的其他模块是非常重要的。若不存在其它模块支持该关键负荷，则该模块必须将该关键负荷转移到其旁路电源。利用模块到模块的连线可相当容易地检测冗余UPS模块的存在性；然而，这又引起了对该连接的依赖性。因此，希望仅仅使用本地测量便可以检测其它UPS模块的存在性。

通过简单地关断或断开故障的和/或需要退出工作的UPS电源，然后让其他UPS模块调节输出电压，现有的系统仅使用本地测量便检测了其他UPS模块的存在性。如果该输出电压保持合格，则可以认为存在其它支持该负荷的UPS模块。如果该输出电压变得不合格，则不存在其它支持该负荷的UPS模块，且上述UPS模块可将关键负荷转移到其旁路电源。然而，当其它模块不存在时，取决于当时的负荷，这种方法会使输出电压产生大的畸变或波动，从而，关断或断开该电源的后果变得不可预知。

本申请克服了与现有技术相关的这些缺点。

发明内容

本公开涉及不间断电源(UPS)装置和方法。示范性的UPS模块包括第一电源和在第一电源故障时工作的旁路电源。存在控制该UPS模块的控制器。它的一个功能是将电源从第一电源变更为第二电源，反之亦然。为进一步增强可靠性，可以将多个UPS模块并联。

为使得该并联的UPS系统更为可靠，每一模块中的控制器仅依靠它们的本地测量来确定另一个UPS模块是否可以支持关键负荷。当由于任何原因需要将某一模块退出工作时，不是简单地关断或断开第一电源，第一UPS模块将逐渐把功率从其第一电源转移到第二UPS模块的第一电源。如果该第二UPS模块能支持该关键负荷，则电压“图象”(signature)是“平滑的”，并且功率逐渐转移到该第二UPS模块。如果该第二UPS模块不能支持该关键负荷，则该第一UPS模块将检测到电压波动，且功率不会转移到该第二UPS模块。此时，第一UPS模块中的控制器将“知道”它必须将关键负荷转移到它的第二电源。由于第一UPS模块在以受控方式将功率逐渐转移到其它模块的同时仍然为负荷供电，因此当没有其它模块存在时，可最小化对输出电压波动的影响。

附图说明

通过阅读以下的详细描述和参考附图，可以更清楚地理解本发明的其它目的和优点，其中：

图1的框图示意性地示出了并联UPS系统的各个方面。

尽管本发明可被进行各种修改和采取其他形式，但仍以举例的形式在附图中示出了它的特定实施例，并且，在本文中对这些实施例进行了详细说明。然而，应当理解，本文对特定实施例的描述并不是为了将本发明限于所公开的特定形式，相反地，它的目的在于涵盖所有落入由附录的权利要求所确定的本发明的主旨和范围内的修改、等同物和替代物。

具体实施方式

以下，描述了本发明的说明性实施例。为清楚起见，说明书中未描述实际实施例的所有特征。当然，应当理解，在开发任何这类实际实施例的过程中，必须作出许多与具体实施例相关的决定，以实现开发者的具体目标，如满足与系统和业务有关的约束，而对于不同的实施方式而言，这些约束是各不相同的。而且，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，尽管如此，对受益于本公开的本领域普通技术人员而言，它仍然是一种常规的工作。

图1示出了包括第一UPS模块105的示范性并联UPS系统的各个方面。第一UPS模块105包括将AC电源110的功率转换为DC功率的整流器100。AC电源110的功率可来自电网或其它AC电源(如发电机)。第一电源102(也称为逆变器)各DC功率转换为受控的AC功率。如果电网停电，则电池103提供备用的DC功率。如果第一电源102故障，则旁路静态开关101将第二AC电源111连接到负荷。第二电源111可任选地连接到与AC电源110所连接电源相同的电源上，或者，它的功率可来自独立的AC电源。可用作静态开关101的装置包括SCR、TRIAC、IGBT，等等。UPS模块105的输出被连接到关键负荷104。控制器120控制整个模块的运行，它的功能包括控制整流器103的运行、旁路静态开关101的激活(activation)/失活(deactivation)和控制逆变器102的运行。该控制器120可包括数字信号处理器(DSP)或任何合适的可编程逻辑器件。

在正常情况下，逆变器或第一电源102为关键负荷提供功率。如果第一电源102发生故障，则控制器120关断逆变器102并开通旁路静态开关101，从而将关键负荷104从第一电源102转移到第二电源111，这样便维持了对关键负荷104的供电。

为提供额外的冗余度和可扩展性，UPS模块(如第一UPS模块105)可以与其他UPS模块(如图1示出的第二UPS模块205)并联。该第二UPS模块205具有与UPS模块105相同的子系统，它包括整流器200、旁路静态开关201、电池203、第一电源(逆变器)202和控制器220。可并联多个UPS模块105，205，且将每个模块中的控制器120，220配置成与其它控制器串联工作。

当确定是否开通旁路静态开关101、201时或是让另一个UPS模块为关键负荷供电时，在多个UPS模块105、205并联的情况下，必须能检测另一个″健康″电源的存在性。假定需要让UPS模块105的第一电源逆变器102退出工作。根据本文的教导的各个方面，以自适应方式对控制进行调整，并监视本地测量的功率(有功和无功)。控制器120逐渐将功率从其逆变器电源102转移到潜在的冗余电源，如第二UPS模块205的第一电源202。然后，通过分析功率图象和输出电压，不需要额外的连线，控制器120便可检测另外的冗余电源的存在性。例如，如果第二UPS模块205的第一电源202当前退出工作，则功率图象基本上是平直的，且电压将开始偏离额定幅值和频率。

在一个示范性的实施例中，控制器120通过逐渐地改变其输出电压的相角和/或幅值来逐渐让功率从其第一电源102转移。当存在其它电源且这些电源与该逆变器102并联运行时，改变逆变器102的输出电压的相角会影响它输送到另一个电源的有功功率的数量，同时，改变其幅值会影响输送到其它电源的无功功率。实现从该逆变器到其它电源的显著的功率流(power flow)变化所需的电压相角和/或幅值的改变量通常很小，相位变化的数量级通常为几个电角度，而幅值变化通常小于额定幅值的1％到2％。若当前不存在其它电源，则改变输出电压的相位和振幅将不会导致去往和来自上述逆变器的功率流的显著变化。

当控制器120逐渐改变上述电压的相位和幅值时，它监视由逆变器102输出的功率数量。如果输出的功率未发生显著变化，则控制器120便得知当前不存在其它模块。如果控制器120检测到与相位和/或幅值的变化相应的功率流变化，则可知当前存在与逆变器120并联运行的其它模块。由于控制器120在相位和/或幅值方面改变的量很小，因而输出电压在整个过程中基本上保持受控，即使没有其它电源存在时也是如此。

在另一个示范性实施例中，通过直接控制由逆变器102提供的输出电流，控制器120逐渐将功率从其第一电源102处转移。在这种情况下，控制器120实际上改变了逆变器102的运行模式，使其从电压源-调节输出电压转变为电流源-调节电流。在这种模式下，控制器120需要计算输送给定的有功和无功功率电平所需的瞬时电流。一种计算上述电流的方法是在三线(three wire)电力系统的DQ坐标系中执行该计算。可以用下式在DQ坐标系中计算所需的瞬时逆变器电流(i_d ^*，i_q ^*)

{i_{q}}^{*} = \frac{v_{q} \cdot P + v_{d} \cdot Q}{{v_{q}}^{2} + {v_{d}}^{2}} &RightArrow; {i_{d}}^{*} = \frac{v_{d} \cdot {P - v}_{q} \cdot Q}{{v_{q}}^{2} + {v_{d}}^{2}}

其中P和Q表示由逆变器提供的瞬时有功功率和无功功率指令，且(v_d，v_q)是DQ坐标系中的实际逆变器电压。然后，将以上计算的逆变器电流用作逆变器电流控制器的参考值，然后该控制器促使实际电流跟随这些参考值。在该实施例中，在检测过程开始时，将逆变器提供的有功功率P和无功功率Q的当前电平用作功率指令。然后，这些电平逐渐减小，同时该控制器监视输送的实际功率和/或输出电压的保真度(fidelity)。不同于第一示例性实施例，在该实施例中，在检测过程中，控制器120对产生的输出电压进行监视。如果该输出电压基本上保持“不变”，则一定存在其它电源，且当前这些电源与逆变器102并联运行。若没有其它并联运行的电源，则因为目前由作为电流源的逆变器102驱动上述负荷，将使得输出电压的幅值和频率开始偏离它们的额定值。注意，在这种情况下，由于控制器120通过将功率指令设定为等于当前功率来开始该过程，且逐渐将它们改变很小的量，所以电压幅值和频率方面的偏差仍然非常小。通过使用快速平方和比较(如下式所示)来比较每相的RMS电压，检测了电压幅值方面的偏差：

V_{mag}^{2} = V_{d}^{2} + V_{q}^{2}

其中V_d和V_q是经过变换的ABCC_ln电压。

上述频率检测使用锁相环(PLL)的输出，而该锁相环将瞬时频率(周期性更新，如每隔326μs更新一次)与滤波器频率进行比较。若频率之差大于某个调谐常数，或者，若电压幅值与其额定值相差某调谐常数，则控制器120得知不存在其他电源。若存在其他电源，则将负荷转移到该电源，且输出电压保持额定频率和幅值不变。在一个示范性实施例中，取决于负荷104，在约83毫秒内实现了这一过程。

以上公开的详细实施例仅仅是说明性的，因为受益于本文的教导的本领域技术人员懂得，可以以不同然而等价的方式来修改和实施本发明。而且，除以下的权利要求所述的内容以外，不期望对本文所示的构造或设计的细节进行限制。因此，显然可以对以上公开的特定实施例进行变更和修改，且认为所有这样的变化均处于本发明的范围和主旨以内。因此，在以下的权利要求中陈述了本文所寻求的保护。

Claims

1.一种用于检测冗余电源的存在性的方法，包括：

用第一UPS模块的第一电源为负荷供电；

将功率逐渐转移到潜在的冗余电源；

监视输出到所述负荷的功率；且

响应于对所述输出功率的监视，检测所述潜在的冗余电源的存在性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监视输出到所述负荷的功率包括分析所述功率的图象。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监视输出到所述负荷的功率包括分析所述输出电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，分析所述输出电压包括分析所述输出电压的幅值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，分析所述输出电压包括将每相RMS电压与预定值进行比较。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，分析所述输出电压包括分析所述输出电压的频率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，分析所述输出电压包括将所述电压的频率与预定值进行比较。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，逐渐转移功率包括改变所述第一电源的输出的相角。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，逐渐转移功率包括改变所述第一电源的输出的幅值。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，逐渐转移功率包括控制所述第一电源的电流输出。

11.一种不间断电源(UPS)系统，包括：

第一UPS模块，该模块包括第一电源、第二电源和用来有选择地将所述第一电源或第二电源连接到负荷的控制器；和

第二UPS模块，该模块与所述第一UPS模块并联，所述第二UPS模块包括第一电源、第二电源和用来有选择地将所述第一电源或第二电源连接到负荷的控制器；

其中，所述第一UPS模块的控制器将功率从所述第一UPS模块的第一电源逐渐转移到所述第二UPS模块的第一电源，以检测所述第二UPS模块的第一电源的存在性。

12.根据权利要求11所述的UPS系统，其特征在于，所述第一UPS模块的控制器监视输出到所述负荷的功率，以检测所述第二UPS模块的第一电源的存在性。

13.根据权利要求12所述的UPS系统，其特征在于，监视输出到所述负荷的功率包括分析所述功率的图象。

14.根据权利要求12所述的UPS系统，其特征在于，监视输出到所述负荷的功率包括分析所述输出电压。

15.根据权利要求14所述的UPS系统，其特征在于，分析所述输出电压包括分析所述输出电压的幅值。

16.根据权利要求14所述的UPS系统，其特征在于，分析所述输出电压包括将每相的RMS电压与预定值进行比较。

17.根据权利要求14所述的UPS系统，其特征在于，分析所述输出电压包括分析所述输出电压的频率。

18.根据权利要求17所述的UPS系统，其特征在于，分析所述输出电压包括将所述电压的频率与预定值进行比较。

19.根据权利要求11所述的UPS系统，其特征在于，所述第一UPS模块的控制器改变了所述第一电源的输出的相角。

20.根据权利要求11所述的UPS系统，其特征在于，所述第一UPS模块的控制器改变了所述第一电源的输出的幅值。

21.根据权利要求11所述的UPS系统，其特征在于，所述第一UPS模块的控制器控制了所述第一电源的电流输出。