TWI436551B - 高效率的不間斷電源裝置 - Google Patents

Description

高效率的不間斷電源裝置

本發明涉及電力電子變換器技術領域，特別涉及一種高效率的不間斷電源裝置。

不間斷電源裝置(Uniterruptible Power Supply，UPS)是一種交流電源供應器，其可以在市電不正常時瞬間為負載提供穩定的交流電。

請參見第6圖，其為現有的一種UPS結構圖，當市電正常時僅將市電通過濾波器44直接經過繼電器45連到輸出端，供連接在UPS輸出端的負載使用，當市電不正常時(電壓過高或過低等)，UPS將其內部的電池41，先經過直流/直流換流器42(DC/DC converter)轉換成高的直流電壓，再利用反流器43將此高的直流電壓轉換成交流電壓再經過繼電器45切換輸出。

但是，第6圖的這種UPS只能用在市電電壓波動範圍較小的場所，且其交流電壓輸出是一種方波形式，對於電感性負載(如變壓器，馬達)，此種方波輸出，將會造成負載容易損壞。

請參見第7圖，其為習知的另一種UPS結構圖，當市電正常時，市電輸入經過濾波器51後，再經過繼電器52切換經過工頻變壓器53直接輸出，當市電電壓過低，經由繼電器52切換工頻變壓器53的繞組抽頭，提高電壓輸出，當停電時，UPS將其內部的電池55，經逆變器54與工頻變壓器53產生交流電壓輸出。

但是，第7圖的這種UPS，其交流電壓輸出也是一種方波形式，同樣容易對電感性負載造成損壞，並且，其採用繼電器52直接切換工頻變壓器53繞組抽頭，切換時會產生尖波電壓影響電力供電質量。

請參見第8圖，其為習知的另一種UPS結構圖，當市電正常時市電經過全波整流電路61後轉換為直流電源，再經過逆變裝置63逆變為穩定交流電壓，經轉換開關64輸出。當停電時，由電池裝置62提供直流電供逆變裝置63持續供電。

雖然第8圖的這種UPS可以輸出正弦波，但是其無法適用在市電電壓波動範圍較大的場所，且其逆變裝置63使用了四個開關，從而造 成使用過程中的功耗較大，導致整機效率低，成本高。

綜上所述，習知的UPS存在功耗大、成本高、不能在市電電壓波動大的場合使用的問題，且習知的UPS只使用市電當作主要能源。

本發明的目的是提供一種高效率的不間斷電源裝置，以解決現有的不間斷電源裝置功耗大、成本高、不能在市電電壓波動大的場合使用的問題，並且還能以新能源當做優先使用能源。

本發明提出一種高效率的不間斷電源裝置，包括：一逆變裝置，具有一組輸入端及一組輸出端，所述輸入端通過一交流/直流換流器和市電電網連接，所述輸出端通過一開關裝置和一交流電源輸出端連接；一直流/直流變換器，具有一輸入端及一輸出端，所述輸出端和前述逆變裝置的輸入端連接；一並網逆變裝置，是連接在前述直流/直流變換器的輸入端和交流/直流換流器的輸入端間；一蓄電池裝置，是通過一蓄電池開關裝置連接在並網逆變裝置和直流/直流變換器間；一光伏電池裝置，是通過一光伏開關裝置連接在並網逆變裝置和直流/直流變換器間；一風能裝置，是通過一風能開關裝置連接在並網逆變裝置和直流/直流變換器間。

依照本發明較佳實施例所述的高效率的不間斷電源裝置，並網逆變裝置包括第六電容、工頻變壓器、由第五開關、第六開關、第七開關和第八開關以及第三電容，工頻變壓器一次繞組的兩端分別與火線及零線相連，第六電容設置在工頻變壓器一次繞組的兩端之間，工頻變壓器二次繞組的一端連接到第五開關及第六開關的一端，工頻變壓器二次繞組的另一端連接到第七開關及第八開關的一端，第五開關和第七開關的另一端與第三電容的一端相連，第六開關與第八開關的另一端與第三電容的另一端相連。

依照本發明較佳實施例所述的高效率的不間斷電源裝置，直流/ 直流變換器包括第一開關、第二開關、變壓器以及全波整流電路。變壓器由第一一次繞組、第二一次繞組、第一二次繞組、第二二次繞組構成。全波整流電路由第一二極體、第二二極體、第三二極體和第四二極體組成。第一一次繞組的異名端和第二一次繞組的同名端連接正向輸入，第一一次繞組的同名端與第一開關的一端相連，第二一次繞組的異名端與第二開關的一端相連，第一開關和第二開關的另一端連接到反向輸入，第一二次繞組的異名端和第二二次繞組的同名端連接到零線，第一二次繞組的同名端與第一二極體的正極以及第二二極體的負極相連，第二二次繞組的異名端與第三二極體的正極以及第四二極體的負極相連，第一二極體和第三二極體的負極連接正向輸出，第二二極體和第四二極體的正極連接到反向輸出。

依照本發明較佳實施例所述的高效率的不間斷電源裝置，交流/直流換流器包括第五二極體、第六二極體、第一電容和第二電容。第五二極體的正極以及第六二極體的負極連接火線，第五二極體的負極與第一電容的一端相連，並連接正向輸出，第六二極體的正極與第二電容的一端相連，並連接反向輸出，第一電容和第二電容的另一端連接零線。

依照本發明較佳實施例所述的高效率的不間斷電源裝置，逆變裝置包括第三開關、第四開關、電感以及第四電容，第三開關的一端連接正向輸入，第四開關的一端連接反向輸入，第三開關和第四開關的另一端均與電感的一端相連，電感的另一端與第四電容的一端相連，並作為逆變裝置的輸出，第四電容的另一端連接零線。

相對於現有技術，本發明的有益效果是：

1、本發明採用了市電電壓補償的方式，具有修正市電電壓來達到輸出穩壓的功能，從而使高效率的不間斷電源裝置不僅可以在市電斷電的情況下使用，還可以在市電電壓波動大的場合使用，可以有效避免電壓不穩定對用戶設備所帶來的損害。

2、本發明除了將新能源並網利用外，當市電電壓過高或過低時還將新能源作為市電電壓補償提供能源使用，減少與降低了材料成本，並減少能源多次的轉換損耗。

3、本發明的逆變裝置採用低頻換相高效運作，在使用過程中不會產生尖波電壓，保證了電力供電質量以及負載的安全。

4、本發明高效率的不間斷電源裝置輸出的是正弦波形式的電壓，不會對電感性負載造成損害。

5、本發明結構簡單、成本低廉，具有很高的整機運行效率，且功耗低，具有節能減排、降低電費的優點。

6、本發明以電網電力為主要供電動力，新能源為優先使用能源，蓄電池為最後使用動力，從而可以最大化地延長供電時間，確保對用戶重要設備的安全不間斷供電。

本發明採用混合動力輸入設計，以電網電力為主要供電動力，新能源為優先使用能源，蓄電池為最後使用動力，確保了用戶重要設備能安全不間斷供電的原則。

以下結合附圖，具體說明本發明。

請參見第1圖，其為本發明高效率的不間斷電源裝置的一種實施例結構示意圖，其包括光伏開關裝置20、風能開關裝置21、逆變裝置15、直流/直流變換器14、並網逆變裝置12、蓄電池裝置13、光伏電池裝置17以及風能裝置18。逆變裝置15具有一組輸入端及一組輸出端，所述輸入端通過交流/直流換流器11和市電電網連接，所述輸出端通過開關裝置16和交流電源輸出端連接。直流/直流變換器14具有一輸入端及一輸出端，所述輸出端和前述逆變裝置15的輸入端連接。並網逆變裝置12是連接在前述直流/直流變換器14的輸入端和交流/直流換流器11的輸入端間。蓄電池裝置13是通過一蓄電池開關裝置19連接在並網逆變裝置12和直流/直流變換器14間。光伏電池裝置17是通過一光伏開關裝置20連接在並網逆變裝置12和直流/直流變換器14間。風能裝置18是通過一風能開關裝置21連接在並網逆變裝置12和直流/直流變換器14間。

市電正常時，切換開關裝置16，使市電經開關裝置16直接輸出供給用戶設備使用。若蓄電池裝置13電能未飽和，則控制蓄電池開關裝置19閉合，令市電通過並網逆變裝置12對蓄電池裝置13進行充 電，充滿後，控制蓄電池開關裝置19斷開。此時若光伏電池裝置17有電壓輸出，則利用光伏開關裝置20控制最大功率的輸出，若風能裝置18有電壓輸出，則利用風能開關裝置21控制最大功率的輸出，以達到每個能源的最佳輸出百分比。然後通過並網逆變裝置12將光伏電池裝置17及風能裝置18的輸出逆變轉換成與市電電壓同相位的輸出電流後並入市電，即輸出功率因素為1的有效功率與市電並網提供電力供用戶使用。因而本發明充分利用到了自然能源，具有節能減排的優點。

其中，光伏電池裝置17和風能裝置18的最大功率輸出可以是通過檢測來確定的。功率p=V(電壓)xI(電流)x時間T，光伏開關裝置20、風能開關裝置21可以為MOSFET或IGBT半導體開關，工作中進行高頻切換，通過控制這兩個開關的PWM(脈寬調製)寬度，來控制光伏電池裝置17和風能裝置18的投入時間，也即是說，在兩段相同時間內比較光伏電池裝置17和風能裝置18的輸出功率變化，若輸出功率提高則加寬開關的PWM寬度，若輸出功率降低則縮小開關的PWM寬度，若輸出功率不變則維持寬度，此時即為最大輸出功率。

市電電壓過低或過高時，開關裝置16將禁止市電直接輸出供電給用戶設備，並將逆變裝置15的輸出作為交流電源供給用戶設備。此時，市電經由交流/直流換流器11整流成正負半周的正弦波輸出到逆變裝置15。另外市電還經過並網逆變裝置12隔離整流後濾波成直流電壓，並輸出給直流/直流變換器14。此時，開關裝置19處於關閉狀態，以防止蓄電池裝置13放電輸出，若光伏電池裝置17有電壓輸出，則利用光伏開關裝置20控制最大功率的輸出，若風能裝置18有電壓輸出，則利用風能開關裝置21控制最大功率的輸出，使每個能源以最佳的百分比輸出給直流/直流變換器14。然後直流/直流變換器14將並網逆變裝置12、光伏電池裝置17以及風能裝置18輸出的直流電壓轉換成高諧波補償修正電壓後，與交流/直流換流器11輸出的正弦波一同輸入到逆變裝置15，直流/直流變換器14與交流/直流換流器11輸出的兩路電壓合成為額定的市電正弦波電壓波形後，由逆變裝置15工頻換相濾波後得到穩定的交流電源供給用戶設備。因此，在市電電 壓波動範圍較大的情況下，可以通過本發明的高效率的不間斷電源裝置對輸出給用戶設備的電壓進行修正，進而達到穩壓的作用，也有效避免了電壓不穩定對用戶設備所帶來的損害，並優先使用新能源，進一步減少市電尖峰用電，供電的負擔。

當市電停電時，利用開關裝置19控制蓄電池裝置13放電輸出，若光伏電池裝置17有電壓輸出，則利用光伏開關裝置20控制最大功率的輸出，若風能裝置18有電壓輸出，則利用風能開關裝置21控制最大功率的輸出，且光伏電池裝置17和風能裝置18的能源優先使用，當光伏電池裝置17和風能裝置18的能源不足時，則利用開關裝置19控制蓄電池裝置13放電輸出，蓄電池裝置13、光伏電池裝置17及風能裝置18輸出的直流電經過直流/直流變換器14，採用正弦脈波寬度調變技術，將直流電壓隔離後升壓為正弦脈波寬度調變電壓波形，供逆變裝置15工頻換相轉換為穩定的交流電壓輸出，供電給用戶設備。本發明將自然能源作為優先使用，蓄電池能源為最後使用的動力，從而可以最大化地延長供電時間，確保對用戶重要設備的安全不間斷供電。

下面對第1圖中高效率的不間斷電源裝置的各個部件進行詳細說明。

請參見第2圖，其為交流/直流換流器11的一種實施例電路圖，其包括第五二極體111、第六二極體112、第一電容113和第二電容114。第五二極體111的正極以及第六二極體112的負極連接火線，第五二極體111的負極與第一電容113的一端相連，並連接正向輸出，第六二極體112的正極與第二電容114的一端相連，並連接反向輸出，第一電容113和第二電容114的另一端連接零線。

市電經由第五二極體111與第六二極體112組成的半橋整流後，經第一電容113與第二電容114濾除高頻諧波，輸出正端為正半周的正弦波工頻電壓，輸出負端為負半周的正弦波工頻電壓，輸出零端為市電中性線。

請參見第3圖，其為並網逆變裝置12的一種實施例電路圖，其包括第六電容127、工頻變壓器121、由第五開關122、第六開關123、 第七開關124和第八開關125組成全橋逆變電路(逆變並網時)或全波整流電路(市電輸入時)以及第三電容126。工頻變壓器121一次繞組的兩端分別與火線及零線相連，第六電容127設置在工頻變壓器一次繞組的兩端之間。工頻變壓器121二次繞組的一端連接到第五開關122和第六開關123相接的一端，工頻變壓器121二次繞組的另一端連接到第七開關124及第八開關125相接的一端，第五開關122和第七開關124的另一端與第三電容126的一端相連，第六開關123與第八開關125的另一端與第三電容126的另一端相連。

當市電電壓過高或過低時，市電經工頻變壓器121隔離降壓後，經四支開關122~125全波整流成為直流電壓，再經第三電容127濾波為直流電壓輸出，作為市電補償的主要能量。值得注意的是，此時四隻開關122~125的功能類似於二極體，即市電正半周輸入時，開關123、124導通，開關122、125截止，市電負半周輸入時，開關122、125導通，開關123、124截止，從而實現整流。當然，也可以通過在四支開關122~125中內置二極體來實現整流功能。當市電正常時，將光伏電池裝置17及風能裝置18輸入的直流能量，採用逆變電流控制技術，控制四支開關122~125組成的全橋逆變結構，將光伏電池裝置17及風能裝置18輸入的直流能量轉化為交流電，並經過工頻變壓器121升壓以及第六電容127濾波後，輸出與市電電壓同相位的電流，即輸出了功率因素為1的有效功率與市電並網輸出，提供電力供用戶設備使用。

請參見第4圖，其為直流/直流變換器14的一種實施例電路圖，其包括第五電容141、第一開關142、第二開關143、變壓器145以及由第一二極體147、第二二極體148、第三二極體146和第四二極體149組成全波整流電路。第五電容141連接在兩個輸入端之間。變壓器145由第一一次繞組1451、第二一次繞組1452、第一二次繞組1453、第二二次繞組1454構成。第一一次繞組1451的異名端和第二一次繞組1452的同名端連接正向輸入，第一一次繞組1451的同名端與第一開關142的一端相連，第二一次繞組1452的異名端與第二開關143的一端相連，第一開關142和第二開關143的另一端連接到反向輸入。 第一二次繞組1453的異名端和第二二次繞組1454的同名端連接到零線，第一二次繞組1453的同名端與第一二極體147的正極以及第二二極體148的負極相連，第二二次繞組1454的異名端與第三二極體146的正極以及第四二極體149的負極相連，第一二極體147和第三二極體146的負極連接正向輸出，第二二極體148和第四二極體149的正極連接到反向輸出。

其中，第一開關142和第二開關143的開關狀態可以通過微控制器來控制。在沒有市電時，直流/直流變換器14的輸入電壓由蓄電池裝置13、光伏電池裝置17及風能裝置18提供，變壓器145的第一一次繞組1451與第二一次繞組1452組成推挽式(Push-pull)電路結構，控制第一開關142與第二開關143，採用正弦脈波寬度調變技術將輸入電壓隔離後，由第一二次繞組1453、第二二次繞組1454以及4只二級管升壓全波整流成正負零三端輸出，輸出的電壓為正弦脈波寬度調變電壓波形。若有市電且市電電壓過高或過低時，控制第一開關142與第二開關143，採用市電電壓差補償修正輸出市電與額定正弦波電壓差的諧波電壓。由此可見，所述直流/直流變換器是一個混合運作的直流/直流變換裝置。

請參見第5圖，其為逆變裝置15的一種實施例電路圖，其包括第三開關151、第四開關152、電感153以及第四電容154。第三開關151的一端連接正向輸入，第四開關152的一端連接反向輸入，第三開關151和第四開關152的另一端均與電感153的一端相連，電感153的另一端與第四電容154的一端相連，並作為逆變裝置的輸出，第四電容154的另一端連接零線。

市電停電時，逆變裝置15的輸入電壓是由直流/直流變換器14單獨提供的；當有市電且市電電壓過高或過低時，逆變裝置15的輸入是由交流/直流換流器11和直流/直流變換器14的輸出電壓合並後提供的。直流正端經第三開關151、電感153、第四電容154後輸出工頻正半周正弦波電壓，再返回直流零端；直流負端經第四開關152、電感153、第四電容154輸出工頻負半周正弦波電壓，再返回直流零端。此逆變裝置15僅設置有兩個開關，並通過控制第三開關151和第四開 關152實現了工頻換相，開關損耗極低，保證了整機效率的同時也實現了節能減排及降低電費。

本發明的高效率的不間斷電源裝置採用市電電壓補償的方式，具有修正市電電壓來達到輸出穩壓的功能，實現了高效率的在線式高效率的不間斷電源裝置。並且，本發明的高效率的不間斷電源裝置利用簡單的電路結構，可用在市電電壓波動範圍較大的場所，在市電電壓形成低電壓補償或高電壓衰減時不產生尖波電壓，可提高輸入功率因數、降低輸入總諧波電流，有很高的整機運行效率。

本發明的高效率的不間斷電源裝置採用新能源做為優先使用能源可以減少對市電供電的依賴，充分使用新能源，實現節能減排及降低電費。

以上公開的僅為本發明的幾個具體實施例，但本發明並非局限於此，任何本領域的技術人員能思之的變化，只要不超出所附申請專利範圍所述，都應落在本發明的保護範圍內。

41‧‧‧電池

42‧‧‧直流/直流換流器

43‧‧‧反流器

44‧‧‧濾波器

45‧‧‧繼電器

51‧‧‧濾波器

52‧‧‧繼電器

53‧‧‧工頻變壓器

54‧‧‧逆變器

55‧‧‧電池

61‧‧‧全波整流電路

62‧‧‧電池裝置

63‧‧‧逆變裝置

64‧‧‧開關

20‧‧‧光伏開關裝置

21‧‧‧風能開關裝置

11‧‧‧交流/直流換流器

111‧‧‧第五二極體

112‧‧‧第六二極體

113‧‧‧第一電容

114‧‧‧第二電容

12‧‧‧並網逆變裝置

121‧‧‧工頻變壓器

122‧‧‧第五開關

123‧‧‧第六開關

124‧‧‧第七開關

125‧‧‧第八開關

126‧‧‧第三電容

127‧‧‧第六電容

13‧‧‧蓄電池裝置

14‧‧‧直流/直流變換器

141‧‧‧第五電容

142‧‧‧第一開關

143‧‧‧第二開關

145‧‧‧變壓器

1451‧‧‧第一一次繞組

1452‧‧‧第二一次繞組

1453‧‧‧第一二次繞組

1454‧‧‧第二二次繞組

146‧‧‧第三二極體

147‧‧‧第一二極體

148‧‧‧第二二極體

149‧‧‧第四二極體

15‧‧‧逆變裝置

151‧‧‧第三開關

152‧‧‧第四開關

153‧‧‧電感

154‧‧‧第四電容

16‧‧‧開關裝置

17‧‧‧光伏電池裝置

18‧‧‧風能裝置

19‧‧‧開關裝置

第1圖為本發明高效率的不間斷電源裝置的一種實施例結構示意圖；第2圖為本發明交流/直流換流器的一種實施例電路圖；第3圖為本發明並網逆變裝置的一種實施例電路圖；第4圖為本發明為直流/直流變換器的一種實施例電路圖；第5圖為本發明為逆變裝置的一種實施例電路圖；第6圖為第一種習知的UPS結構圖；第7圖為第二種習知的UPS結構圖；第8圖為第三種習知的UPS結構圖。

20‧‧‧光伏開關裝置

21‧‧‧風能開關裝置

11‧‧‧交流/直流換流器

12‧‧‧並網逆變裝置

13‧‧‧蓄電池裝置

14‧‧‧直流/直流變換器

15‧‧‧逆變裝置

16‧‧‧開關裝置

17‧‧‧光伏電池裝置

18‧‧‧風能裝置

19‧‧‧開關裝置

Claims (5)

1. 一種高效率的不間斷電源裝置，包括：一逆變裝置，具有一組輸入端及一組輸出端，所述輸入端通過一交流/直流換流器和市電電網連接，所述輸出端通過一開關裝置和一交流電源輸出端連接；一直流/直流變換器，具有一輸入端及一輸出端，所述輸出端和前述逆變裝置的輸入端連接；一並網逆變裝置，是連接在前述直流/直流變換器的輸入端和交流/直流換流器的輸入端間；一蓄電池裝置，是通過一蓄電池開關裝置連接在並網逆變裝置和直流/直流變換器間；一光伏電池裝置，是通過一光伏開關裝置連接在並網逆變裝置和直流/直流變換器間；一風能裝置，是通過一風能開關裝置連接在並網逆變裝置和直流/直流變換器間；當市電停電時，開關裝置將禁止市電直接輸出供電給用戶設備，並將逆變裝置的輸出作為交流電源供給用戶設備，此時，利用開關裝置控制蓄電池裝置放電輸出，若光伏電池裝置有電壓輸出，則利用光伏開關裝置控制最大功率的輸出，若風能裝置有電壓輸出，則利用風能開關裝置控制最大功率的輸出，且光伏電池裝置和風能裝置的能源優先使用，當光伏電池裝置和風能裝置的能源不足時，則利用開關裝置控制蓄電池裝置放電輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述的高效率的不間斷電源裝置，其中，該並網逆變裝置包括一第六電容、一工頻變壓器、由一第五開關、一第六開關、一第七開關和一第八開關以及一第三電容，該工頻變壓器一次繞組的兩端分別與火線及零線相連，該第六電容設置在該工頻變壓器一次繞組的兩端之間，該工頻變壓器二次繞組的一端連接到該第五開關及該第六開關的一端，該工頻變壓器二次繞組的另一端連接到該第七開關及該第八開關的一端，該第五開關和該第七開關的另一端與該第三電容的一端相連，該第六開關與該第八開關的另一端與該 第三電容的另一端相連。
3. 如申請專利範圍第1項所述的高效率的不間斷電源裝置，其中，該直流/直流變換器包括一第一開關、一第二開關、由一第一一次繞組、一第二一次繞組、一第一二次繞組、一第二二次繞組構成的一變壓器、由一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體和一第四二極體組成的一全波整流電路，該第一一次繞組的異名端和該第二一次繞組的同名端連接正向輸入，該第一一次繞組的同名端與該第一開關的一端相連，該第二一次繞組的異名端與該第二開關的一端相連，該第一開關和該第二開關的另一端連接到反向輸入，該第一二次繞組的異名端和該第二二次繞組的同名端連接到零線，該第一二次繞組的同名端與該第一二極體的正極以及該第二二極體的負極相連，該第二二次繞組的異名端與該第三二極體的正極以及該第四二極體的負極相連，該第一二極體和該第三二極體的負極連接正向輸出，該第二二極體和該第四二極體的正極連接到反向輸出。
4. 如申請專利範圍第1項所述的高效率的不間斷電源裝置，其中，該交流/直流換流器包括一第五二極體、一第六二極體、一第一電容和一第二電容，該第五二極體的正極以及該第六二極體的負極連接火線，該第五二極體的負極與該第一電容的一端相連，並連接正向輸出，該第六二極體的正極與該第二電容的一端相連，並連接反向輸出，該第一電容和該第二電容的另一端連接零線。
5. 如申請專利範圍第1項所述的高效率的不間斷電源裝置，其中，該逆變裝置包括一第三開關、一第四開關、一電感以及一第四電容，該第三開關的一端連接正向輸入，該第四開關的一端連接反向輸入，該第三開關和該第四開關的另一端均與該電感的一端相連，該電感的另一端與該第四電容的一端相連，並作為該逆變裝置的輸出，該第四電容的另一端連接零線。