CN207398922U - 一种后备式ups不间断电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种后备式UPS不间断电源，包括电池供电支路、交流旁路供电支路、维修旁路供电支路和控制单元，这三个供电支路的一端均用于输入连接交流电，电池供电支路的另一端连接交流切换单元的第一输入端，交流旁路供电支路的另一端连接交流切换单元的第二输入端，交流切换单元的输出端以及维修旁路供电支路的另一端分别连接维修旁路开关的两个输入端，控制单元通讯连接逆变单元、电池储能单元、第一整流单元、第二整流单元和交流切换单元。该电源结构简单，设计时不需要考虑复杂的布局，系统使用占用面积较小，并且具有大功率、高可靠性、短切换时间、较高的转换效率的优点，适合为银行、医院、军队、电力系统等重要负荷供电。

Description

一种后备式UPS不间断电源

技术领域

本实用新型涉及一种后备式UPS不间断电源。

背景技术

随着社会的进步和发展，全国大部分地区的电力供应得到了很大的发展，但是很多地方仍然具有电网供电质量无法保证的问题。由于来自电网的各种不良因素，比如电压浪涌、输入波形畸变、各种尖峰干扰和噪音等，这一切对重要机构设施和不能中断的设备来说明显构成威胁，所以迫切需要可靠的UPS不间断电源设备。UPS不间断电源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。在现今时代，在经常出入场所，比如银行、医院等地方，需要占用空间较小，成本低又维护简单，输出功率大，较高可靠性的应急不间断电源设备。但是，现有的UPS不间断电源的体积较大，占用空间较大，并且，安全性和可靠性较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种后备式UPS不间断电源，用以解决传统的UPS设备的可靠性较低的问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括一种后备式UPS不间断电源，包括供电支路部分和控制单元，所述供电支路部分由电池供电支路、交流旁路供电支路和维修旁路供电支路构成，所述电池供电支路、交流旁路供电支路和维修旁路供电支路的一端均用于输入连接交流电，所述电池供电支路上依次设置有第一整流单元和电池储能单元，所述电池储能单元的另一端连接逆变单元的直流侧，所述逆变单元的交流侧连接交流切换单元的第一输入端，所述交流旁路供电支路的另一端连接所述交流切换单元的第二输入端，所述交流切换单元的输出端连接维修旁路开关的第一输入端，所述维修旁路供电支路的另一端连接所述维修旁路开关的第二输入端，所述维修旁路开关的输出端为所述不间断电源的电能输出端，所述控制单元通讯连接所述逆变单元、电池储能单元、第一整流单元和交流切换单元；所述电池储能单元中用于存储电能的部分由至少一个钛酸锂单体电池构成。

本实用新型提供的UPS为后备式UPS不间断电源，相比较在线式的UPS电源系统，系统结构简单，设计时不需要考虑复杂的布局，系统使用占用面积较小，并且具有大功率、高可靠性、短切换时间、较高的转换效率的优点。而且，利用钛酸锂单体电池构成UPS中的电池储能部分，由于钛酸锂单体电池具有低温下放电效率衰减小、充电速度快、高安全性特点，因此，本实用新型提供的后备式UPS不间断电源具备高可靠性和高安全性的优点，在满足大功率的前提下，扩大了UPS设备的应用场合范围，适合为银行、医院、军队、电力系统等需要高安全性、高可靠性的重要负荷供电。而且，该UPS设备不仅安全性和可靠性高，而且具有电池供电模式、交流旁路供电模式和维修旁路供电模式三种供电模式，当市电正常时，市电经由后备式UPS的交流旁路向用户的各种应急负载供电，用户负载所消耗的电能是来自电网的市电，并且在交流切换单元调控下，逆变单元停止工作，处于空载运行状态，也就是说，在正常状态下，后备式UPS不间断电源一直工作在空载状态，内部的相关功率设备不工作，可以有效的达到节能的效果。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。

所述不间断电源还包括一个直流电源，所述直流电源包括第二整流单元，所述第二整流单元的交流侧用于连接交流电，所述第二整流单元的直流侧供电连接所述逆变单元，用于为所述逆变单元提供空载工作的直流电，所述控制单元通讯连接所述第二整流单元。

所述电池储能单元包括一个BMS和三个并联设置的电池模块组，所述控制单元与所述BMS通讯连接，所述电池模块组由三个电池模块串联构成，所述电池模块包括一个BMU和三个串联设置的电池包，所述电池包由至少一个钛酸锂单体电池构成，所述BMS与各BMU通讯连接。

任意相邻两个电池包之间通过插接件插拔式连接。

所述电池模块还包括电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块，BMU采样连接对应的电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块，所述电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块通过相应的插接件插拔布置在对应的采样点上。

所述交流切换单元包括第一切换模块、第二切换模块、交流切换控制器和辅助电源板，所述第一切换模块的一端为所述交流切换单元的第一输入端，所述第二切换模块的一端为所述交流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相连接，所述第一切换模块和第二切换模块均为控制开关，所述辅助电源板的一端用于连接交流电，另一端供电连接所述交流切换控制器，所述交流切换控制器控制连接所述第一切换模块和第二切换模块，所述交流切换控制器还与所述控制单元通讯连接。

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可控硅构成的开关管组。

所述维修旁路开关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维修旁路开关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。

所述第一整流单元包括三个整流模块，各整流模块与各电池模块组一一对应，且各整流模块输出连接对应的电池模块组。

所述逆变单元由至少两个逆变模块并联组成。

附图说明

图1是后备式UPS不间断电源的组成原理示意图；

图2是电池储能单元的组成结构示意图；

图3是AC/DC整流单元中任意一个整流模块的结构示意图；

图4是DC/AC逆变单元中任意一个逆变模块的结构示意图；

图5是交流切换单元的结构示意图；

图6是交流旁路供电时的能量流动示意图；

图7是电池储能供电时的能量流动示意图；

图8是维修旁路供电时的能量流动示意图。

具体实施方式

本实施例中，该后备式UPS不间断电源为三相UPS，输出三相交流电。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，本实用新型提供的后备式UPS不间断电源包括电池供电支路、交流旁路供电支路、维修旁路供电支路和控制单元，其中，本实施例中，控制单元的型号为ZCDK-12，该控制单元为本系统控制核心器件，采用分散测量及控制，集中管理的集散模式，使系统组成层次分明，扩容方便、灵活，并且，以微处理器为核心，对整流单元、电池储能单元、BMS、交流切换单元的情况进行采集，并实施全方位监视、测量、控制。该控制单元的作用有：实现控制AC/DC整流单元输出为DC/AC逆变单元提供直流电源，以及接受电池智能管理BMS控制对电池储能单元的电池智能充电，另外也可以现场人工根据工作环境进行实时控制AC/DC整流单元对电池储能单元充电。而且，控制器单元还用于实现对交流输入信号采集，实时传递切换控制信号给交流切换单元，实现整体系统的智能用电控制管理。另外，控制器单元还具有不间断电源系统事件记录、实时告警提醒、历史告警记录的功能。

如图1所示，电池供电支路、交流旁路供电支路和维修旁路供电支路的一端均输入连接交流电，电池供电支路上依次设置有第一AC/DC整流单元和电池储能单元，电池储能单元的另一端连接DC/AC逆变单元的直流侧，DC/AC逆变单元的交流侧连接交流切换单元的第一输入端，交流旁路供电支路的另一端连接交流切换单元的第二输入端，交流切换单元的输出端连接维修旁路开关的第一输入端，维修旁路供电支路的另一端连接维修旁路开关的第二输入端，维修旁路开关的输出端为后备式UPS不间断电源的电能输出端。相应地，控制单元通讯连接其中的DC/AC逆变单元、电池储能单元、第一AC/DC整流单元和交流切换单元。

为了提高DC/AC逆变单元的运行功率，DC/AC逆变单元由至少两个逆变模块并联组成，具体个数根据实际要求进行设定，各逆变模块采用高频变换技术设计，体积小，功率密度高，功率密度可达到2.06W/cm³，而且，逆变模块采用并联冗余设计，具有自动均流技术，所有模块可进行热拔插，并通过CAN通信接口实现通讯。

为了保证DC/AC逆变单元的正常运行，该不间断电源中还设置一个直流电源，专门用于为DC/AC逆变单元供电。该直流电源包括一个AC/DC整流单元，称为第二AC/DC整流单元，该第二AC/DC整流单元的交流侧连接交流电，直流侧供电连接DC/AC逆变单元，用于为DC/AC逆变单元提供空载工作的直流电，控制单元通讯连接第二AC/DC整流单元。同理，第二AC/DC整流单元也可以由至少两个整流模块并联组成。第二AC/DC整流单元可以进行自控调节，能稳定的将输入的三相四线交流电变换为可控范围为直流电压200～260V给DC/AC逆变单元进行供电，并且采用先进的低差自主均流技术，多个整流模块并机工作时，具有理想的均流性能。

电池储能单元的基本组成单位为钛酸锂单体电池，即由至少一个钛酸锂单体电池构成，由于钛酸锂单体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。电池储能单元中的钛酸锂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：

该电池储能单元整体为三组并联设计，具体为包括一个BMS和三个并联设置的电池模块组，控制单元与该BMS通讯连接，对于任意一个电池模块组，如图2所示，该电池模块组由三个电池模块串联构成，每个电池模块均包括一个BMU和三个串联设置的电池包，并且，每个电池包由至少一个钛酸锂单体电池构成。BMS与各电池模块中的BMU通讯连接。也就是说，该电池储能单元包括27个电池包，分为并联设置的三组，每组包括9个串联设置的电池包。在交流失电的情况下，该电池储能单元能够连续1小时为DC/AC逆变单元提供30kW后备式电源供电。

控制单元通过CAN通讯实时采集整体电池储能单元的BMS信号状态信息，并通过RS485通讯方式控制第一AC/DC整流单元实现对各个电池模块的智能化均衡充电，充电过程中，充电电压可控(范围在200～260V)，限制电流连续可调(范围在5A～11A)，如果充电过程中任意一个电池模块出现异常告警或者出现通讯线路问题，则控制单元迅速切断该组电池模块与整体电池储能单元的电气连接。进一步地，第一AC/DC整流单元包括三个整流模块，由于电池储能单元也包括三个电池模块组，那么，每个整流模块对应连接一个电池模块组，通过控制单元的控制，实现每个整流模块对对应的电池模块组的智能化均衡充电控制，如果任意一个电池模块组出现异常告警或者出现通讯线路问题，则控制单元迅速切断对应的整流模块与该电池模块组的电气连接，并关闭该整流模块。

另外，系统为保证直流输出达到200-260V，选择单只电池包的容量为24V/54Ah。为了保证系统整体功率为30kW满功率后备时间不小于1小时，最大输出功率为120kW的UPS后备时间不小于10分钟，电池结构选择三组并联设计。系统在外部配备了1个电池管理系统BMS，9只BMU数据采集模块，每只BMU监视三只电池包，包括采集单体电压、温度等，并通过CAN通讯与系统控制单元通讯，由控制单元根据传输数据进行电池储能单元的快速充电。

为了便于各单体电池单元的快速维修和更换，任意相邻两个电池包之间通过插接件插拔式连接，在更换故障电池包的时候，直接将电池包取下，然后接入正常的电池包即可。并且，电池模块中的电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块也通过相应的插接件插拔布置在对应的采样点上，BMU采样连接对应的电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块，进一步地，电池模块内的所有输入、输出和采样均集中在电池模块的后端快换端子上，无需系统断电，就可以实现电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块的快速更换。

第一AC/DC整流单元和/或第二AC/DC整流单元采用全桥移相软开关技术，如图3所示，对于其中的任意一个整流模块，包括依次连接的EMI滤波电路、全桥整流电路、PFC电路、全桥移相电路、高频整流电路和LC滤波电路。交流电输入后，先经EMI滤波，再经全桥整流变成高压直流电，经全桥移相自身控制进行逆变、整流，经滤波后输出电压可调的稳定直流电。其工作原理是：在主功率开关管的驱动脉冲为占空比50％的固定频率脉冲下，其中一桥臂功率开关管的驱动的相位固定不变情况下，通过调节另外一个桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位进行调节，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。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。所以在电路内部存在环流。该硬件电路实现了功率开关管的零电压开通，从而减少了功率开关管的电压、电流应力和损耗。进而提高了整机装置的可靠性、使用寿命和转换效率。

DC/AC逆变单元采用多个并联的逆变模块，每个逆变模块的功率为3kW，组成结构如图4所示。将176～280V范围变化的直流输入电压，通过高频功率变换，产生高品质的220V/50Hz纯正正弦波输出。如果系统有旁路市电输入，并联逆变电源可以和市电电源同步锁相，在外部交流切换单元的控制下，实现逆变和旁路市电间的不间断切换。

交流切换单元是UPS不间断电源中的重要部分，主要实现逆变输出和交流旁路输出之间的不间断切换功能，还可以实现逆变和交流旁路的锁相功能。交流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交流切换单元的第一输入端，第二切换模块的一端为交流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可控硅构成。如图5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；第二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，交流切换单元通过检测输入的交流电，实现三相逆变的输入和三相旁路的输入之间的不间断切换功能。交流切换控制器与控制单元通讯连接，控制单元通讯采集当前交流切换单元工作状态和交流旁路输入信息、逆变单元输入信息等信息，实时监视交流切换单元运行。并且，交流切换控制器控制连接第一切换模块和第二切换模块中的各可控硅，通过控制可控硅实现切换，并且保证逆变和交流旁路之间的切换时间小于4ms。另外，通过专门的辅助电源板为交流切换控制器供电，辅助电源板的一端连接交流电，另一端供电连接交流切换控制器。还有就是，特殊情况下，在交流切换单元出现故障情况时，控制单元可以控制自带开出硬件回路进行电气操作DC/AC逆变单元和交流旁路之间的切换。

维修旁路开关实现两条交流旁路和维修旁路的切换，可以采用手动机械闭锁开关，防止误操作，本实施例中，维修旁路开关由具有互锁功能的两个断路器构成，两个断路器的一端分别为维修旁路开关的第一输入端和第二输入端，这两个断路器的另一端相连接。为了防止误操作，维修旁路开关设置有专门的互锁机构，只有确保先断开其中一个断路器，另一个断路器才可以投入。

因此，该UPS有交流旁路供电模式、电池供电模式和维修旁路供电模式三种工作模式，其运行优先级高低顺序为交流旁路供电模式、电池供电模式和维修旁路供电模式。

交流旁路供电模式：当市电正常时，交流切换单元切换到旁路的交流电源，经维修旁路开关给重要负载供电。同时，第二AC/DC整流单元在BMS的控制下可以给DC/AC逆变单元提供空载工作的直流电源，第一AC/DC整流单元在BMS的控制下独立给电池储能单元智能充电，BMS还根据电池容量、单体电压对第一AC/DC整流单元实现智能控制以及硬件控制保护。此时，市电经由后备式UPS的交流旁路向用户的各种应急负载供电，并且在交流切换单元调控下，DC/AC逆变单元处于待机运行状态，即处于空载运行状态。在此条件下，用户负载所消耗的电能是来自电网的市电。正常状态下，后备式UPS应急电源也是通常说的一直工作在空载状态，可以有效的达到节能的效果。能量流动示意图如图6粗实线所示。

电池供电模式：当市电供电中断或市电电压超限(±15％或±20％额定输入电压)时，交流切换单元根据检测到的交流输入信息自行判断或者在接收控制单元的控制信号，立即投切至逆变供电，此时，用户负载所使用的电源是通过将电池储能单元储存的电能经DC/AC逆变单元逆变产生的稳压稳频的A、B、C三相交流电，而不是来自市电。能量流动示意图如图7粗实线所示。

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维修旁路开关输出给负载供电。为了防止误操作，维修旁路开关设置有专门的互锁机构，并且只有确保先断开交流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。能量流动示意图如图8粗实线所示。

另外，UPS按工作方式一般分为在线式UPS电源、后备式UPS电源和介于两者之间的UPS电源系统。本实施例提供的不间断电源是一套后备式UPS电源系统，系统整体功率为30kW满功率后备时间不小于1小时，最大输出功率为120kW的UPS后备时间不小于10分钟，占用体积为2700mm×800mm×2060mm。其正常使用时工作于交流旁路模式，逆变单元不进行功率输出，只维持待机备用状态。后备式UPS电源也是通常说的平常工作在空载状态，能有效的达到节能的效果。

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AC/DC整流单元、DC/AC逆变单元以及交流切换单元等结构就需要进行相应的变化，其中，AC/DC整流单元和DC/AC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，交流切换单元只需包括2组可控硅即可，一组用于逆变输出，另一组用于交流旁路输出。

Claims (10)

1.一种后备式UPS不间断电源，其特征在于，包括供电支路部分和控制单元，所述供电支路部分由电池供电支路、交流旁路供电支路和维修旁路供电支路构成，所述电池供电支路、交流旁路供电支路和维修旁路供电支路的一端均用于输入连接交流电，所述电池供电支路上依次设置有第一整流单元和电池储能单元，所述电池储能单元的另一端连接逆变单元的直流侧，所述逆变单元的交流侧连接交流切换单元的第一输入端，所述交流旁路供电支路的另一端连接所述交流切换单元的第二输入端，所述交流切换单元的输出端连接维修旁路开关的第一输入端，所述维修旁路供电支路的另一端连接所述维修旁路开关的第二输入端，所述维修旁路开关的输出端为所述不间断电源的电能输出端，所述控制单元通讯连接所述逆变单元、电池储能单元、第一整流单元和交流切换单元；所述电池储能单元中用于存储电能的部分由至少一个钛酸锂单体电池构成。

2.根据权利要求1所述的后备式UPS不间断电源，其特征在于，所述不间断电源还包括一个直流电源，所述直流电源包括第二整流单元，所述第二整流单元的交流侧用于连接交流电，所述第二整流单元的直流侧供电连接所述逆变单元，用于为所述逆变单元提供空载工作的直流电，所述控制单元通讯连接所述第二整流单元。

3.根据权利要求1或2所述的后备式UPS不间断电源，其特征在于，所述电池储能单元包括一个BMS和三个并联设置的电池模块组，所述控制单元与所述BMS通讯连接，所述电池模块组由三个电池模块串联构成，所述电池模块包括一个BMU和三个串联设置的电池包，所述电池包由至少一个钛酸锂单体电池构成，所述BMS与各BMU通讯连接。

4.根据权利要求3所述的后备式UPS不间断电源，其特征在于，任意相邻两个电池包之间通过插接件插拔式连接。

5.根据权利要求3所述的后备式UPS不间断电源，其特征在于，所述电池模块还包括电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块，BMU采样连接对应的电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块，所述电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块通过相应的插接件插拔布置在对应的采样点上。

6.根据权利要求1所述的后备式UPS不间断电源，其特征在于，所述交流切换单元包括第一切换模块、第二切换模块、交流切换控制器和辅助电源板，所述第一切换模块的一端为所述交流切换单元的第一输入端，所述第二切换模块的一端为所述交流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相连接，所述第一切换模块和第二切换模块均为控制开关，所述辅助电源板的一端用于连接交流电，另一端供电连接所述交流切换控制器，所述交流切换控制器控制连接所述第一切换模块和第二切换模块，所述交流切换控制器还与所述控制单元通讯连接。

7.根据权利要求6所述的后备式UPS不间断电源，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可控硅构成的开关管组。

8.根据权利要求1所述的后备式UPS不间断电源，其特征在于，所述维修旁路开关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维修旁路开关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3所述的后备式UPS不间断电源，其特征在于，所述第一整流单元包括三个整流模块，各整流模块与各电池模块组一一对应，且各整流模块输出连接对应的电池模块组。

10.根据权利要求3所述的后备式UPS不间断电源，其特征在于，所述逆变单元由至少两个逆变模块并联组成。