WO2024002254A1 - 一种可扩展的快速转换开关的系统架构 - Google Patents

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陈晓航
赵海军
宋杨峰
陈加敏
董济华
杨青
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施耐德电器工业公司
石莹
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Abstract

提供了一种快速转换开关的系统架构，包括：主功率回路，被配置为接入至少两路电源，在所述至少两路电源之间进行转换，并输出交流信号；第一并联旁路模块，被配置为输出交流信号，第一并联旁路模块包括独立电源；主控制器，被配置为响应于检测至少两路电源中的第一电源异常，通过在主功率回路在所述至少两路电源之间进行转换期间调节第一并联旁路模块输出的交流信号，以便从第一电源经由主功率回路输出交流信号转换为至少两路电源中的第二电源经由主功率回路输出交流信号。

Description

一种可扩展的快速转换开关的系统架构
本申请要求于2022年6月30日递交的第202210771234.0号中国专利申请的优先权，在此全文引用上述中国专利申请公开的内容以作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及电源转换领域，具体涉及一种可扩展的快速转换开关的系统架构。
背景技术
目前，负载无间断的双电源转换方案为自动转换开关(ATS)以及不间断电源(UPS)架构。ATS是单纯的机械结构，受制于机械结构固有的缺点，传统的ATS切换时间往往大于100ms，对于一些对掉电时间敏感的设备，这个间断时间往往是不能接受的，所以对于此类负载，ATS不能独立的完成电源切换的工作，往往需要配合UPS以满足负载不间断供电的需求。具体地，ATS连接到两个电源，以在两个电源之间切换，并且在切换时，通过配合UPS来维持短时切换掉电过程的负载供电。
发明内容
技术问题
现有的机械式ATS转换时间长，不能够满足对系统供电连续性要求高的场合的需求，例如，体育场馆照明、医疗设备、数据中心、电子厂房等。虽然现有的ATS+在线式UPS系统可以提供系统供电连续性，但缺点是必须使用电池或超级电容，维护成本高；使用整流逆变回路长期给负载供电，供电效率低，不利于减少碳排放，尽快实现双碳目标；体积大，不适用于楼宇建筑的应用。
问题的解决方案
根据本公开的一方面，提出了一种快速转换开关的系统架构，包括：主 功率回路，被配置为接入至少两路电源，在所述至少两路电源之间进行转换，并输出交流信号；第一并联旁路模块，被配置为输出交流信号，第一并联旁路模块包括独立电源；主控制器，被配置为响应于检测至少两路电源中的第一电源异常，通过在主功率回路在所述至少两路电源之间进行转换期间调节第一并联旁路模块输出的交流信号，以便从第一电源经由主功率回路输出交流信号转换为至少两路电源中的第二电源经由主功率回路输出交流信号。
公开的有益效果
与现有的ATS和UPS架构相比，本发明的可扩展的快速转换开关的系统架构能够实现负载零失电，无缝切换(负载电压不会发生幅值、相位的瞬变)，并且不受ATS拉弧的影响。此外，本公开可以针对不同的系统额定电流和功能进行系统架构的扩展。
附图说明
从以下结合附图的描述中，本公开的特定实施例的上述和其他方面、特征和优点将变得更加清晰，其中：
图1是根据本公开实施例的快速转换开关系统的原理电路图；
图2是根据本公开实施例的快速转换开关系统的拓展拓扑图；
图3是使用带充电管理的并联旁路模块的快速转换开关系统的拓展拓扑图；
图4是使用带充电管理的并联旁路模块的快速转换开关系统的另一拓展拓扑图；
图5是使用带充电管理的并联旁路模块的快速转换开关系统的又一拓展拓扑图。
具体实施方式
在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或 与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。
贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。
在本专利文件中，变换块的应用组合以及子变换块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，变换块的应用组合以及子变换块的划分层级可以具有不同的方式。
以下讨论的图1至5以及用于描述本专利文档中的本公开的原理的各种实施例仅作为说明，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的系统或设备中实施。
图1是根据本公开实施例的快速转换开关系统的原理电路图。
如图1所示，快速转换开关系统至少包括一个主控制器，一个主功率回路和一个或多个并联旁路模块。
主功率回路包括一个或多个电力电子器件(例如，图1所示的晶闸管SCR1、SCR2)，以及一个或多个机械开关(例如，图1所示的机械开关K1)。晶闸管SCR1、SCR2用于分合主功率回路的电流。机械开关K1用于实现隔离作用。主功率回路还可以包括一个或多个机械开关K2，用于从并联旁路模块选电。主功率回路可以接入至少2路电源，例如图1所示的S1和S2。
一个或多个并联旁路模块包括逆变电路(例如，图1所示的VSI模块)以及直流设备(例如，图1所示的AC-DC整流器)。直流设备用于向逆变电路输出直流信号，逆变电路用于向负载输出交流信号。每个并联旁路模块支持一定的输出功率，并且可以通过将多个模块并联来实现更大的输出功率(例如，图1的AC-DC整流器和VSI模块的两个组合被并联)。每个并联旁路模块可以接收从主控制器发送的控制指令从而进行工作模式的转换，并且可以 向主控制器上报状态从而通过通讯来与主控制器进行实时数据(例如，输出信号的相位、幅值等参数)同步。并联旁路模块能够在旁路模式下根据控制指令要求的工作模式给负载供电。并联旁路模块具有多种类型，诸如隔离型/非隔离型，带储能设备(例如，电池、超级电容等)及充电管理/不带储能设备管理，带AC->DC整流器/不带AC->DC整流器。
主控制器包括电源异常检测电路(例如，图1的源电路电压检测电路)，电力电子器件驱动控制电路(例如，图1所示的SCR驱动电路)，机械开关驱动控制电路(例如，图1所示的电磁铁驱动控制电路或继电器)，以及通讯电路。主控制器可以对主功率回路和并联旁路模块进行控制。主控制器可以通过通讯总线对并联旁路模块进行控制，并进行实时数据同步；可以识别并联旁路模块的类型，并根据类型进行模块状态管理。图1的源电路电压检测电路可以检测两路或多路电源，识别电源异常(例如，过压，欠压，过频，欠频，电压暂降等)。
当快速转换开关系统处于正常工作模式时，主功率回路将一路电源(图1中的S1)用作向负载供电的主电源。同时，并联旁路模块由备用电源S2供电，并处于等待状态。
当快速转换开关系统检测到主电源S1异常后，可以启动并联旁路模块，进入并联旁路模式。在并联旁路模式下，可以在逐渐将SCR1关断的同时，将并联旁路模块输出的交流信号的幅值和相位调节为跟随主电源S1的幅值和相位并与之同步，使得系统从主电源S1供电逐渐向并联旁路模块供电转换。在SCR1关断后将K1从触点1拨动至触点2，在将K1从触点1拨动至触点2期间，可以将并联旁路模块输出的交流信号的幅值和相位调节为跟随备用电源S2的幅值和相位并与之同步。当K1拨动至触点2后，导通SCR2，并且可以关闭并联旁路模块输出，使得系统从并联旁路模块转换到备用电源S2。最后，将K2从触点2拨动至触点1。通过上述步骤，确保能从主电源S1无缝切换到并联旁路模块，再从并联旁路模块无缝切换到备用电源S2。当备用电源S2异常时，也可以以同样的方式切换回主电源S1。应当理解，以上操作不必按照描述的精确顺序执行。反而，可以以不同的顺序或同时处理各个步骤，并且也可以添加或省略步骤。
由于晶闸管SCR1无触点，在调节使其导通和关断时，不会产生由于触 点间的电压击穿空气层而造成的拉弧现象。并且并联旁路模式不需要支持长时间工作。
图2是根据本公开实施例的快速转换开关系统的拓展拓扑图。图2的各个拓展拓扑图的主控制器(未示出)与图1相同，不再重复描述。
如图2(a)所示，快速转换开关系统包括两个晶闸管SCR1和SCR2、两个机械开关K1和K2、两个整流器、两个SMPS DC/DC(高频变压器隔离)和一个逆变器VSI，以及一个电容。
图2(a)的机械开关K1和K2对应于图1的机械开关K1。即，图1的机械开关K1被拆分为图2(a)的机械开关K1和K2。当图2(a)的机械开关K1导通，K2关断时，相当于图1的K1拨动至触点1处；当图2(a)的机械开关K1关断，K2导通时，相当于图1的K1拨动至触点2处。图2(a)的并联旁路模块未连接机械开关(即，省略了图1的机械开关K2)，并且整流器和SMPS DC/DC的两个组合分别连接到两路电源S1和S2，通过SMPS实现隔离。SMPS DC/DC和逆变器之间连接电容的一端，电容的另一端接地，该电容至少起到滤波作用。
如图2(b)所示，快速转换开关系统包括两个晶闸管SCR1和SCR2、三个机械开关K1-K3、一个整流器、一个SMPS DC/DC和一个逆变器VSI，以及一个电容。
图2(b)的机械开关K1和K2的操作方式与图2(a)的机械开关K1和K2的操作方式相同。图2(a)的机械开关K3的操作方式与图1的机械开关K2的操作方式相同。SMPS DC/DC以及电容的作用与图2(a)相同。
如图2(c)所示，快速转换开关系统包括一个晶闸管SCR1、两个机械开关K1和K2、一个整流器、一个SMPS DC/DC(高频电压隔离)和一个逆变器VSI，以及一个电容。
图2(c)的机械开关K1和K2的操作方式与图1的机械开关K1和K2的操作方式相同。图2(c)的SCR1对应于图1的SCR1和SCR2。即，图1的SCR1和SCR2被合并为图2(c)的SCR1。图2(c)的SCR1通过与机械开关K1共同作用，起到与图1的SCR1和SCR2相同的作用。SMPS DC/DC以及电容的作用与图2(a)相同。
如图2(d)所示，快速转换开关系统包括两个晶闸管SCR1和SCR2、两 个机械开关K1和K2、一个整流器、一个SMPS DC/DC(高频电压隔离)和一个逆变器VSI，以及一个电容。
图2(d)相比于图1的区别为增加了SMPS DC/DC以及电容且没有多个AC-DC整流器和逆变器VSI的组合并联，其余部分相同。SMPS DC/DC以及电容的作用与图2(a)相同。
图3-图5是针对不同的系统额定电流和系统功能对图1的快速转换开关系统进行的系统架构的拓展。
图3是使用带充电管理的并联旁路模块的快速转换开关系统的拓展拓扑图。
如图3所示，当快速转换开关系统处于正常工作模式时，主功率回路将图3的电源S1(例如，诸如市电电源的在线电源)用作向负载供电的主电源。同时，并联旁路模块处于等待状态。并联旁路模块的储能设备(例如，图3中的电池)可以经由整流器被充电或经由逆变器VSI被反向充电。
当快速转换开关系统检测到主电源S1异常后，可以启动并联旁路模块，进入并联旁路模式。图3的并联旁路模块包括独立电源。独立电源包括直流设备(例如，图3中的整流器和诸如电池的储能设备)以及VSI逆变器。在并联旁路模式下，可以在逐渐将SCR1关断的同时，将通过电池供电经由VSI逆变器输出的交流信号的幅值和相位调节为跟随主电源S1的幅值和相位并与之同步，使得系统从主电源S1逐渐向并联旁路模块转换。并且在检测到主电源S1异常后，快速启动作为备用电源的发电机。在SCR1关断后将K1从触点1拨动至触点2，在将K1从触点1拨动至触点2期间，可以将通过电池供电经由VSI逆变器输出的交流信号的幅值和相位调节为跟随发电机备用电源S2的幅值和相位并与之同步。当K1拨动至触点2后，导通SCR2，并且可以关闭并联旁路模块输出，使得系统从并联旁路模块转换到备用电源S2。通过上述步骤，确保能从主电源S1无缝切换到并联旁路模块，再从并联旁路模块无缝切换到备用电源S2。备用电源S2可以是市电电源或者发电机。应当理解，以上操作不必按照描述的精确顺序执行。反而，可以以不同的顺序或同时处理各个步骤，并且也可以添加或省略步骤。如图3所示，使用带充电管理的并联旁路模块还包括机械开关K2和整流器以及SMPS DC/DC。在由主功率回路供电的情况下，也可以同时经由整流器以及VSI逆变器供电，这可以 改善为负载供电的电能质量(诸如，谐波治理等)，但这不是必要的。
图4是使用带充电管理的并联旁路模块的快速转换开关系统的另一拓展拓扑图。
如图4所示，当快速转换开关系统处于正常工作模式时，主功率回路将电源S1(例如，诸如市电电源的在线电源)用作向负载供电的主电源。同时，并联旁路模块1、并联旁路模块2处于等待状态。
当快速转换开关系统检测到主电源S1异常后，可以启动并联旁路模块2，进入并联旁路模式。在并联旁路模式下，可以在逐渐将SCR1关断的同时，将并联旁路模块2输出的交流信号的幅值和相位调节为跟随主电源S1的幅值和相位并与之同步，使得系统从主电源S1逐渐向并联旁路模块2转换。在SCR1关断后将K1从触点1拨动至触点3，在将K1从触点1拨动至触点3期间，可以将并联旁路模块2输出的交流信号的幅值和相位调节为跟随备用电源S3的幅值和相位并与之同步。当K1拨动至触点3后，导通SCR3，并且可以关闭并联旁路模块2的输出，使得系统从并联旁路模块转换到备用电源S2。最后，将K2从触点3拨动至触点1。通过上述步骤，确保能从主电源S1无缝切换到并联旁路模块2，再从并联旁路模块2无缝切换到备用电源S3。当备用电源S3异常时，也可以以同样的方式切换回主电源S1。应当理解，以上操作不必按照描述的精确顺序执行。反而，可以以不同的顺序或同时处理各个步骤，并且也可以添加或省略步骤。
当快速转换开关系统检测到主电源S1和备用电源S3都异常后(例如，在主电源S1异常之后，备用电源S3也出现异常)，可以启动并联旁路模块1，进入并联旁路模式。图4的并联旁路模块1包括独立电源。独立电源包括直流设备(诸如图4中的电池的储能设备)以及VSI逆变器。在并联旁路模式下，可以在逐渐将SCR3关断的同时，将通过电池供电经由VSI逆变器输出的交流信号的幅值和相位调节为跟随备用电源S3的幅值和相位并与之同步，使得系统从备用电源S3逐渐向并联旁路模块1转换。并且在检测到主电源S1和备用电源S3都异常后，快速启动作为备用电源2的发电机。在SCR3关断后将K1从触点3拨动至触点2，在将K1从触点3拨动至触点2期间，可以将通过电池供电经由VSI逆变器输出的交流信号的幅值和相位调节为跟随发电机备用电源S3的幅值和相位并与之同步。当K1拨动至触点3后，导 通SCR2，并且可以关闭并联旁路模块输出，使得系统从并联旁路模块1转换到备用电源S2。通过上述步骤，确保能从备用电源S3无缝切换到并联旁路模块1，再从并联旁路模块1无缝切换到备用电源S2。备用电源S2可以是市电电源或者发电机。应当理解，以上操作不必按照描述的精确顺序执行。反而，可以以不同的顺序或同时处理各个步骤，并且也可以添加或省略步骤。
图5是使用带充电管理的并联旁路模块的快速转换开关系统的又一拓展拓扑图。
图5与图4相比，区别为图5的并联旁路模块1的独立电源还包括整流器，并且并联旁路模块1还包括SMPS DC/DC。在由主功率回路供电的情况下，也可以同时经由整流器以及VSI逆变器供电，这可以改善为负载供电的电能质量(诸如，谐波治理等)，但这不是必要的。
通过图3-图5，可以将图1的快速转换开关系统针对不同的系统额定电流和功能进行系统架构的扩展。使得本公开的快速转换开关系统更加灵活，能够适用于不同可靠性等级要求的场景，但本公开不限于此。
文本和附图仅作为示例提供，以帮助理解本公开。它们不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。尽管已经提供了某些实施例和示例，但是基于本文所公开的内容，对于本领域技术人员而言清晰的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所示的实施例和示例进行改变。
尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。
本发明中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。

Claims (12)

  1. 一种快速转换开关的系统架构，包括：
    主功率回路，被配置为接入至少两路电源，在所述至少两路电源之间进行转换，并输出交流信号；
    第一并联旁路模块，被配置为输出交流信号，第一并联旁路模块包括独立电源；
    主控制器，被配置为响应于检测至少两路电源中的第一电源异常，通过在主功率回路在所述至少两路电源之间进行转换期间调节第一并联旁路模块输出的交流信号，以便从第一电源经由主功率回路输出交流信号转换为至少两路电源中的第二电源经由主功率回路输出交流信号。
  2. 如权利要求1所述的系统架构，其中，从第一电源经由主功率回路输出交流信号转换为第二电源经由主功率回路输出交流信号包括：
    从第一电源经由主功率回路输出交流信号转换为独立电源经由第一并联旁路模块输出交流信号，
    随后从独立电源经由第一并联旁路模块输出交流信号转换为第二电源经由主功率回路输出交流信号。
  3. 如权利要求2所述的系统架构，其中，在主功率回路在所述至少两路电源之间进行转换期间调节第一并联旁路模块输出的交流信号包括：
    在从第一电源经由主功率回路输出交流信号转换为独立电源经由第一并联旁路模块输出交流信号期间，使独立电源经由第一并联旁路模块输出的交流信号跟随第一电源的幅值和相位，并与第一电源的幅值和相位同步，
    在从独立电源经由第一并联旁路模块输出交流信号转换为第二电源经由主功率回路输出交流信号时，使独立电源经由第一并联旁路模块输出的交流信号跟随第二电源的幅值和相位，并与第二电源的幅值和相位同步。
  4. 如权利要求1所述的系统架构，其中，第一并联旁路模块的所述独立电源包括储能设备和逆变器，
    其中，所述储能设备被配置为向逆变器输出直流信号，并且
    其中，所述逆变器被配置为输出交流信号。
  5. 如权利要求1或4所述的系统架构，还包括第二并联旁路模块，第二并联旁路模块包括整流器和逆变器，
    其中，所述整流器被配置为从所述至少两路电源中的一路电源接收交流信号，并向所述逆变器输出直流信号，并且
    其中，所述逆变器被配置为输出交流信号。
  6. 如权利要求4所述的系统架构，其中，第一并联旁路模块还包括整流器，其中，所述整流器被配置为从所述至少两路电源中的一路电源接收交流信号，并向所述逆变器和/或所述储能设备输出直流信号。
  7. 如权利要求5所述的系统架构，接入的所述至少两路电源还包括第三电源，
    其中，通过第一并联旁路模块在第一电源或第三电源输出交流信号与第二电源输出交流信号之间进行转换，并且
    其中，通过第二并联旁路模块在第一电源输出交流信号与第三电源输出交流信号之间进行转换。
  8. 如权利要求7所述的系统架构，其中，第一电源和第三电源是在线电源，第二电源是发电机，并且主控制器还被配置为响应于检测至少两路电源中的第一电源和第三电源都异常，启动作为第二电源的发电机。
  9. 如权利要求5或6所述的系统架构，其中，所述整流器和所述逆变器之间具有高频变压器隔离(SMPS DC/DC)。
  10. 如权利要求9所述的系统架构，其中，所述高频变压器隔离(SMPS DC/DC)和所述逆变器之间连接电容的一端，所述电容的另一端接地。
  11. 如权利要求4所述的系统架构，其中，所述储能设备包括电池或者超级电容。
  12. 一种用于操作如权利要求1-11所述的系统架构的方法。
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