CN206117299U - 一种模块化高可靠性ups - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模块化高可靠性UPS，包括交流工作支路、储能工作支路、交流旁路供电支路和维修旁路供电支路，储能单元中的存储电能的部分由至少一个波士顿三元单体电池构成。使用波士顿三元电池能够有效降低储能单元的体积，进而降低UPS的体积，有利于UPS设备的运输和放置，丰富了UPS设备的应用场合，适合为银行、医院、军队、电力系统等部门的重要负荷供电，尤其适合布置空间紧张的场所。并且，当其中有部分供电线路出现故障时，能够通过调节来使用其他正常的供电线路进行供电，满足了UPS的不间断供电要求，提升了UPS工作的可靠性。

Description

一种模块化高可靠性UPS

技术领域

本实用新型涉及一种模块化高可靠性UPS。

背景技术

UPS作为一种使用范围很广泛的保障用电力供应的设备，在近年来呈现出快速增长的势头。在银行、医院、军队、电力系统等行业某些关键设备突然断电会造成重大损失，因此确保这些关键设备有可靠稳定的电力供应就显得尤为重要。

由于UPS设备的容量越来越大，后备时间要求越来越长。如果系统集成度低、功率密度小，会导致设备体积很大，造成用户设备安装空间的紧张。在空间日益紧张的今天，减小设备体积将会产生较大的经济价值和社会价值。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种模块化高可靠性UPS，用以解决传统的UPS设备的体积较大的问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括一种UPS，包括交流工作支路、储能工作支路、交流旁路供电支路和维修旁路供电支路，这四条支路的一端均用于输入连接交流电，所述交流工作支路与储能工作支路并联设置，所述交流工作支路的另一端通过一个逆变单元连接静态开关切换单元的第一输入端，所述交流工作支路上串设有整流单元，所述储能工作支路上设置有储能单元，所述交流旁路供电支路的另一端连接所述静态开关切换单元的第二输入端，所述静态开关切换单元的输出端连接互锁开关单元的第一输入端，所述维修旁路供电支路的另一端连接所述互锁开关单元的第二输入端，所述互锁开关单元的输出端为所述UPS的电能输出端；所述储能单元中用于存储电能的部分由至少一个波士顿三元单体电池构成。

所述储能单元包括至少一个电池模块，所述电池模块包括一个由至少两个单体电池单元串联构成的电池组，所述单体电池单元由至少两个波士顿三元单体电池并联构成。

所述电池模块还包括电池箱体、充电机和BMS，所述电池组、充电机和BMS集成设置在对应的电池箱体内。

所述储能单元包括5组并联设置的电池模块组，每组电池模块组由两个所述电池模块串联构成。

所述UPS包括一个柜体，所述柜体按照柜体的深度方向分为两部分，分别为电源主柜体和电池柜体；所述电池箱体为长度数值、宽度数值和高度数值依次减小的长方体电池箱体，各长方体电池箱体在电池柜体内沿着电池柜体的高度方向上下依次布置，且各长方体电池箱体的高度方向与电池柜体的高度方向平行。

所述静态开关切换单元包括第一切换模块和第二切换模块，所述第一切换模块的一端为所述静态开关切换单元的第一输入端，所述第二切换模块的一端为所述静态开关切换单元的第二输入端，所述第一切换模块的另一端和第二切换模块的另一端连接；所述第一切换模块和第二切换模块均为控制开关。

所述控制开关包括三个单相切换开关，所述单相切换开关为由两个反向并联的开关管构成的开关管组。

所述互锁开关单元由具有互锁功能的两个断路器构成，所述两个断路器的一端分别为所述互锁开关单元的第一输入端和第二输入端，所述两个断路器的另一端相连接。

所述电源主柜体内沿高度方向从高到低依次布设所述整流单元、所述逆变单元、所述静态开关切换单元、所述互锁开关单元和所述UPS的输入输出端。

所述整流单元包括依次连接的EMI滤波模块、第一整流模块、PFC模块、全桥移相模块、第二整流模块和LC滤波模块。

本实用新型中，利用波士顿三元单体电池构成UPS中的储能部分，波士顿三元电池是目前国内功率密度最高的电池，同等体积下，其功率最高，所以，相对于现有的其他常规电池，在满足功率要求的情况下，使用波士顿三元电池能够有效降低储能单元的体积，进而降低UPS的体积，有利于UPS设备的运输和放置，丰富了UPS设备的应用场合，适合为银行、医院、军队、电力系统等部门的重要负荷供电，尤其适合布置空间紧张的场所。

而且，该UPS设备不仅功率密度高，体积小，而且运行模式多，功能齐全。该UPS具有交流供电模式、储能供电模式、交流旁路供电模式和维修旁路供电模式四种供电模式。当其中有供电线路出现故障时，能够通过调节来使用其他正常的供电线路进行供电，满足了UPS的不间断供电要求，提升了UPS工作的可靠性。

附图说明

图1是UPS的原理示意图；

图2是储能单元的整体组成结构示意图；

图3是电池包的结构示意图；

图4是BMS的程序逻辑控制示意图；

图5是充电机的程序逻辑控制示意图；

图6是电池包与UPS总监控的通讯示意图；

图7是电池柜体的结构示意图；

图8是电源主柜体的结构示意图；

图9是整流单元的结构示意图；

图10是逆变单元的结构示意图；

图11是STS静态开关切换单元的结构示意图；

图12是交流供电时的能量流动示意图；

图13是储能供电时的能量流动示意图；

图14是交流旁路供电时的能量流动示意图；

图15是维修旁路供电时的能量流动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型提供的UPS包括交流工作支路、储能工作支路、交流旁路供电支路和维修旁路供电支路，这四条支路的一端均用于连接交流电，交流工作支路与储能工作支路并联设置，交流工作支路的另一端通过一个DC/AC逆变单元连接STS静态开关切换单元的第一输入端，交流工作支路上串设有AC/DC整流单元，储能工作支路上设置有储能单元，交流旁路供电支路的另一端连接STS静态开关切换单元的第二输入端，STS静态开关切换单元的输出端连接互锁开关单元的第一输入端，维修旁路供电支路的另一端连接互锁开关单元的第二输入端，互锁开关单元的输出端为UPS的电能输出端。在本实施例中，互锁开关单元以机械互锁断路器为例。

本实施例中，该UPS为三相UPS，输出三相交流电。

其中，储能单元的基本组成单位为波士顿三元单体电池，即由至少一个波士顿三元单体电池构成。波士顿三元单体电池的体积能量密度较高，高达490Wh/L，所以，同样功率下，占用体积较小。由于波士顿三元电池属于目前市场上已有的电池，所以，这里不再对电池本身进行详细说明。

另外，储能单元中的波士顿三元单体电池的个数以及单体电池之间的具体连接关系是可以根据实际需要进行实际设定的。本实施例给出了一种具体的结构，具体如下：

储能单元包括至少一个电池模块(在本实施例中，电池模块也称为电池包，以下统一称为电池包)，各电池包包括一个由至少两个单体电池单元串联构成的电池组，单体电池单元由至少两个波士顿三元单体电池并联构成。而且，在本实施例中给出具体的参数，比如一个电池包配置单体电池的个数为160只，具体为：电池包内包括一个由16个单体电池单元串联构成的电池组，每个单体电池单元由10个波士顿三元单体电池并联构成。所以，单个电池包根据实际设置能够使其电气参数为58.4V/53Ah。

而且，本实施例中，储能单元包括5组并联设置的电池包组，每组电池包组由两个电池包串联构成，如图2所示。串并联组成的储能单元的好处在于，如果某一只电池包出现故障，只是该电池包所在的串联线路不能正常工作，其它四个串联线路仍然可以正常为供电，大大提高UPS系统的可靠性。另外，电池包的外部接口采用航空插头，可以实现快速连接，当某一只电池包出现故障时，可以在系统不停电的情况下，对故障电池包进行更换，能够大大缩短MTTR(平均维护时间)。作为UPS(不间断供电)系统而言，储能单元的这种串并联的连接形式，对于提高可靠性、缩短平均维护时间提供了有效保障。

如图3所示，电池包内集成设置有电池组、电池管理系统BMS和智能充电机，为了便于对单体电池进行有效充电，一个电池包中设置有两个充电机。内置的BMS可以精确采集对应部分的单体电池的电压和电池包内重要位置的温度，依据采集到的电池电压和电池温度，通过CAN通讯方式控制充电机对电池进行自动充电。

如图4所示，为电池管理系统BMS的程序逻辑控制流程图，显示电池管理系统如何采集，以及如何控制充电机对电池进行自动充电。如图5所示，为智能充电机的程序逻辑控制流程图，显示智能充电机如何对电池进行充电。如图6所示，为电池包与UPS系统总监控的通讯图，显示充电机和BMS的主要功能，以及充电机和BMS向总监控上传的信息。图4、5和6中描述的技术特征均属于现有技术，这里就不再具体说明。

为了体现电池包为一个独立的电池模块，以及体现电池包的集成化设置，各电池包还包括电池箱体，电池包中的电池组、充电机和BMS均设置在对应的电池箱体内。另外，电池箱体为长度、宽度和高度依次降低的长方体电池箱体，即电池箱体的长度＞电池箱体的宽度＞电池箱体的高度。

该UPS整体设置在一个柜体内，该柜体的三个方向为高度、宽度和深度。按照柜体的深度方向将该柜体分为两部分，这两部分中，第一部分用于放置储能单元，即专门用于放置波士顿三元单体电池，所以，将这部分称为电池柜体；另一部分用于放置除储能单元之外的UPS中的其他部分，将这部分称为电源主柜体。

将所有的电池箱体布置在电池柜体内，并且，各长方体电池箱体在电池柜体内沿着电池柜体的高度方向上下依次布置，如图7所示。而且，为了防止电池柜体的高度过高而造成日常维护不变，电池箱体在布置时，相邻两个长方体电池箱体的由长和宽构成的面重合，即电池箱体的高度方向与柜体的高度方向平行设置，这样的话，电池柜体的高度就可以为所有的电池箱体的高度之和，由于电池箱体的高度在长宽高中最小，所以，这样设置能够保证电池柜体的高度为一个最小值，如图7所示，电池柜体的高度仅为1500mm，能够满足日常的维护和故障维修。并且，该柜中的电池箱体支持热插拔，便于UPS不停电进行更换，而且结构非常紧凑。

如图8所示，电源主柜体内沿高度方向从高到低依次布设AC/DC整流单元、DC/AC逆变单元、静态开关切换单元、机械互锁断路器和UPS的交流输入/输出配电单元，该配电单元包括UPS的输入端和输出端。而且，为了实时显示UPS的相关信息，以及对UPS进行实时监控，该电源主柜体的顶部还有电压表和监控显示器。另外，AC/DC整流单元包括12只3kW的整流模块，DC/AC逆变单元包括12只3kW的逆变模块。整流模块和逆变模块支持热插拔，便于UPS系统不停电进行更换。

如图9所示，AC/DC整流单元中的任意一个整流模块包括依次连接的EMI滤波电路、整流电路、PFC电路、全桥移相电路、整流电路和LC滤波电路。交流电输入后，先经EMI滤波，再经全波整流变成高压直流电，经全桥移相逆变、整流为180kHz左右的脉冲电压波，经滤波后输出稳定的直流电。

AC/DC整流单元采用全桥移相软开关技术，其工作原理是：四个主功率开关管的驱动脉冲为占空比不变(D＝50％)的固定频率脉冲。其中一个桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位固定不变，另一个桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位是可调的。通过调节该桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位，即调节对角桥臂功率开关管在该周期内同时导通时间，来调节直流输出电压。在对角桥臂功率开关管在该周期内同时导通时，全桥逆变部分对后一级输出功率；在该周期内的其余时间内，因为上桥臂(或下桥臂)功率开关管处于同时导通状态，同时谐振电感需要释放储能，并与谐振电容产生谐振。所以在全桥逆变电路内部存在环流。该环流创造了功率开关管的零电压开通条件。从而实现了功率开关管的零电压开通。从而极大地减少了功率开关管的电压、电流应力和损耗。极大地减少了功率开关管在开关状态下产生的EMI噪声。进而提高了整机的可靠性、使用寿命和效率。

如图10所示，DC/AC逆变单元是将DC90V-155V范围内的直流输入电压通过DC/DC高频功率变换，产生隔离的稳定直流电源，直流电压值为350V左右，然后再通过一个DC/AC逆变电路，产生纯正弦波输出的交流电压。因采用高频变换，大大降低了逆变模块的体积。

STS静态开关切换单元是UPS中的重要部分，主要实现逆变输出和旁路输出之间的不间断切换功能，还可以实现逆变和旁路的锁相功能。静态开关切换单元包括两部分，分别是第一切换模块和第二切换模块，第一切换模块的一端为静态开关切换单元的第一输入端，第二切换模块的一端为静态开关切换单元的第二输入端，这两个切换模块的另一端相连接。当第一切换模块导通、且第二切换模块关断时，代表着逆变输出；当第一切换模块关断、且第二切换模块导通时，代表着旁路输出。第一切换模块和第二切换模块本质上是控制开关，在本实施例中，由于该UPS为三相电源，那么，第一切换模块和第二切换模块均包括三个单相切换开关，每个单相切换开关为一组开关管，每组开关管由反向并联的两个开关管构成，本实施例中，开关管以可控硅为例。如图11所示，第一切换模块中的三组可控硅分别连接逆变输出的三相交流电；第一切换模块中的三组可控硅分别连接旁路输出的三相交流电。另外，为了对这6组可控硅进行控制，利用该UPS的控制系统或者该静态开关专属的控制板来分别控制6组可控硅，保证逆变和旁路之间的切换时间小于4ms。

互锁开关单元由具有互锁功能的两个断路器构成，STS静态开关切换单元输出连接其中一个断路器的一端，维修旁路线路输出连接另一个断路器的一端，这两个断路器的另一端相连接。这两个断路器为机械互锁断路器，能够实现互锁，即在控制一个开关闭合时，另一个开关锁定在断开状态，反之亦然。

该UPS有交流工作模式、储能供电模式、旁路供电模式和维修旁路供电模式四种工作模式。其运行优先级高低顺序为交流工作模式、储能供电模式、旁路供电模式和维修旁路供电模式。

交流供电模式：交流输入电源情况正常，交流电源输入到AC/DC整流单元，AC/DC整流单元将交流电转换成直流电，为DC/AC逆变单元供电。DC/AC逆变单元将直流电变换为正弦交流电，经STS静态开关单元和机械互锁断路器后，输出给负载。与此同时，电池包储能单元能通过自带的智能充电机为电池自动充电。

储能供电模式：交流输入电源故障或无交流输入电源时，电池包储能单元的直流电经过DC/AC逆变单元变换为正弦交流电后，经STS静态开关及机械互锁断路器输出给负载。如果交流输入电源恢复正常，系统会自动切换至交流供电模式。

旁路供电模式：DC/AC逆变单元故障时，STS静态开关单元会自动切换到旁路的交流电源，经机械互锁断路器给负载。

维修旁路供电模式：UPS不间断电源设备维护检修时，维修旁路输入电源经过机械互锁断路器输出给负载供电。为了防止误操作，机械互锁断路器设置有专门的互锁机构，并且只有确保先断开STS静态开关切换单元对应的断路器之后，才可以输出投入维修旁路线路对应的断路器，反之亦然。

以下针对上述四个工作模式，分别举例进行说明。

如图12所示，为交流供电模式下能量流动图，交流输入电源先经过AC/DC整流单元将交流输入电压变换为稳定的DC137V，再经过DC/AC逆变单元将DC137V变换为电压稳定频率稳定相序依次滞后120℃的A、B、C三相AC380V，然后经STS静态开关切换单元和机械互锁断路器后输出给负载。储能单元自带的充电机单元在智能电池管理系统BMS控制下能够自动对电池进行智能充电，充电机限流值设定为8.8A，允许有±0.5A偏差。

如图13所示，为储能供电模式下能量流动图，当交流输入异常时自动切换至储能单元供电，储能单元提供的直流电经DC/AC逆变单元后被变换为电压稳定频率稳定相序依次滞后120℃的A、B、C三相AC380V，然后经STS静态开关切换单元和机械互锁断路器后输出给负载。从交流供电切换到储能单元供电，切换时间即为短暂。当储能单元电压在DC90V～DC155时，DC/AC逆变单元均能正常工作。当UPS额定功率25kW运行时，储能单元能够提供后备时间不小于60min的电能供应。

如图14所示，为交流旁路供电模式下能量流动图，当DC/AC逆变单元故障时，系统会通过STS静态开关切换单元自动切换至交流旁路供电，然后经机械互锁断路器后输出给负载，切换时间不大于4ms。

如图15所示，为维修旁路供电模式下能量流动图，当STS静态开关切换单元故障时，将机械互锁断路器手动切换至维修旁路供电。机械互锁断路器能有效防止因误操作引起的相间断路。

总之，AC/DC整流单元当交流输入正常时，将输入的三相四线交流电变换为电压恒定的DC137V给DC/AC逆变单元，DC/AC逆变单元将电压恒定的DC137V变换为电压稳定频率稳定、相序依次滞后120°的A、B、C三相AC380V，然后经STS静态开关切换单元和机械互锁断路器后输出；当交流输入异常时，DC/AC逆变单元将储能单元的直流电变换为电压稳定频率稳定、相序依次滞后120°的A、B、C三相AC380V，然后经STS静态开关切换单元和机械互锁断路器后输出；当DC/AC逆变单元异常时，输入的三相四线交流电后经STS静态开关切换单元和机械互锁断路器后输出；当UPS严重故障，而又不能中断供电时，交流电通过维修旁路线路直接经机械互锁断路器输出。在UPS工作过程中，智能充电机单元在电池管理系统BMS的控制下可以对储能单元进行智能充电。

另外，AC/DC整流单元的整流模块可采用有源功率因数校正及软开关变换技术，并且可多台并机运行，其功率密度达到1.08W/cm³。DC/AC逆变单元的逆变模块采用BOOST型电路拓扑，通过提高功率因数和效率来减少模块体积，其功率密度达到2.08W/cm³。STS静态开关切换单元采用相位跟踪技术和模块化技术。储能单元内置BMS电池智能管理系统、智能充电系统和目前国内功率密度最高的波士顿三元电池，其功率密度可达0.12Wh/cm³，均达到业界最较高水平。因此一套功率为25kW，满功率后备时间不小于1小时的UPS占用体积仅为1500mm×600mm×500mm的柜体两面。

该UPS不仅功率密度高、体积小，而且运行模式多，功能齐全。该UPS系统具有交流供电模式、储能供电模式、旁路供电模式、维修旁路供电模式四种供电模式；具有相位跟踪功能、确保切换时间不大于4ms；具有智能充电功能，确保三元电池不过充；具有电池智能管理系统，实时采集电池组和充电机的相关数据信息，并对充电机的启停进行自动控制。

上述实施例中，UPS提供三相交流电，作为其他的实施例，该UPS还可以提供单相交流电，这样的话，其中的整流单元、逆变单元以及STS静态开关切换单元的结构就会发生变化，其中，整流单元和逆变单元需要使用适用于单相交流电的整流电路和逆变电路，STS静态开关切换单元只需包括2组可控硅即可，一组用于逆变输出，另一组用于旁路输出。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于UPS中的储能单元中用于存储电能的部分由至少一个波士顿三元单体电池构成。在该基本思路的基础上，本领域普通技术人员根据本实用新型的教导设计出的各种变形均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模块化高可靠性UPS，其特征在于，包括交流工作支路、储能工作支路、交流旁路供电支路和维修旁路供电支路，这四条支路的一端均用于输入连接交流电，所述交流工作支路与储能工作支路并联设置，所述交流工作支路的另一端通过一个逆变单元连接静态开关切换单元的第一输入端，所述交流工作支路上串设有整流单元，所述储能工作支路上设置有储能单元，所述交流旁路供电支路的另一端连接所述静态开关切换单元的第二输入端，所述静态开关切换单元的输出端连接互锁开关单元的第一输入端，所述维修旁路供电支路的另一端连接所述互锁开关单元的第二输入端，所述互锁开关单元的输出端为所述UPS的电能输出端；所述储能单元中用于存储电能的部分由至少一个波士顿三元单体电池构成。

2.根据权利要求1所述的模块化高可靠性UPS，其特征在于，所述储能单元包括至少一个电池模块，所述电池模块包括一个由至少两个单体电池单元串联构成的电池组，所述单体电池单元由至少两个波士顿三元单体电池并联构成。

3.根据权利要求2所述的模块化高可靠性UPS，其特征在于，所述电池模块还包括电池箱体、充电机和BMS，所述电池组、充电机和BMS集成设置在对应的电池箱体内。

4.根据权利要求2所述的模块化高可靠性UPS，其特征在于，所述储能单元包括5组并联设置的电池模块组，每组电池模块组由两个所述电池模块串联构成。

5.根据权利要求3所述的模块化高可靠性UPS，其特征在于，所述UPS包括一个柜体，所述柜体按照柜体的深度方向分为两部分，分别为电源主柜体和电池柜体；所述电池箱体为长度数值、宽度数值和高度数值依次减小的长方体电池箱体，各长方体电池箱体在电池柜体内沿着电池柜体的高度方向上下依次布置，且各长方体电池箱体的高度方向与电池柜体的高度方向平行。

6.根据权利要求1所述的模块化高可靠性UPS，其特征在于，所述静态开关切换单元包括第一切换模块和第二切换模块，所述第一切换模块的一端为所述静态开关切换单元的第一输入端，所述第二切换模块的一端为所述静态开关切换单元的第二输入端，所述第一切换模块的另一端和第二切换模块的另一端连接；所述第一切换模块和第二切换模块均为控制开关。

7.根据权利要求6所述的模块化高可靠性UPS，其特征在于，所述控制开关包括三个单相切换开关，所述单相切换开关为由两个反向并联的开关管构成的开关管组。

8.根据权利要求1所述的模块化高可靠性UPS，其特征在于，所述互锁开关单元由具有互锁功能的两个断路器构成，所述两个断路器的一端分别为所述互锁开关单元的第一输入端和第二输入端，所述两个断路器的另一端相连接。

9.根据权利要求5所述的模块化高可靠性UPS，其特征在于，所述电源主柜体内沿高度方向从高到低依次布设所述整流单元、所述逆变单元、所述静态开关切换单元、所述互锁开关单元和所述UPS的输入输出端。

10.根据权利要求1所述的模块化高可靠性UPS，其特征在于，所述整流单元包括依次连接的EMI滤波模块、第一整流模块、PFC模块、全桥移相模块、第二整流模块和LC滤波模块。