利用不定可用电源支持高效旁路操作的不间断电源系统和方法

摘要

本发明提供一种不间断电源(UPS)系统，其包括：配置成耦合到AC电源（10）的AC输入端；配置成耦合到负载（20）的AC输出端；功率转换电路（210），其包括配置成从不定可用电源（30）接收电力的第一转换器电路（212）、耦合到AC输出端的第二转换器电路（214）、耦合第一和第二转换器电路的DC链接；以及开关电路（230），比如旁路电路，其配置成选择性地耦合和解耦AC输入端和AC输出端。该UPS系统还包括控制电路（240），其在操作上与功率转换电路和开关电路关联，并且配置成使分别经由开关电路和功率转换电路从AC电源和不定可用电源同时将电力传递到AC输出端处的负载。

说明书

技术领域

本发明主题涉及电源系统和方法，并且更具体地涉及不间断电源(UPS)系统和方法。

背景技术

UPS系统一般在诸如数据中心、医疗中心和工业设施的设施中使用。UPS系统可以在这种设施中使用以提供备用电力，从而在主要公共电源出故障时维持工作。这些UPS系统一般具有“在线(on-line)”配置，该配置包括通过DC链接耦合的整流器和逆变器，该DC链接也耦合到诸如电池、燃料电池或其它能量存储装置的辅助电源。在一些UPS应用中，诸如光伏电源的不定可用可再生电源可以耦合到在线UPS的DC链接以提供补充电力，这例如在Parmley的美国专利No.7,411,308以及Jayasimha等人的IEEE TENCON 2003 Conference on Convergent Technologies forAsia-Pacific Region,vol.4,pp.1419-1423(2003)，题为"PhotovoltaicUPS"的文章中进行了描述。

这些应用中目的常常是高效提供不间断电力。为此目的，在这些应用中使用的在线UPS可以支持“效率”模式，在该模式中当公共电源在标称上可接受界限内时，利用静态开关旁路整流器/逆变器转换链。

发明内容

本发明主题的一些实施例提供了一种不间断电源(UPS)系统，包括：配置成耦合到AC电源的AC输入端；配置成耦合到负载的AC输出端；功率转换电路，其包括配置成从不定可用电源接收电力的第一转换器电路、耦合到AC输出端的第二转换器电路以及耦合第一和第二转换器电路的DC链接；以及开关电路，其配置成选择地耦合和去耦合AC输入端和AC输出端。该UPS系统还包括控制电路，其在操作上与功率转换电路和开关电路关联，并且配置成使分别经由开关电路和功率转换电路从AC电源和不定可用电源同时将电力传递到AC输出端处的负载。在一些实施例中，DC链接配置成从辅助电源接收电力，并且控制电路配置成支持功率转换电路响应于AC电源的状态从辅助电源提供电力到负载的操作模式。

在另外实施例中，功率转换电路包括第一功率转换电路，UPS系统还包括第二功率转换电路，该第二功率转换电路在操作上由控制电路控制并且包括耦合到AC输入端的AC/DC转换器、耦合到AC输出端的DC/AC转换器以及将AC/DC转换器耦合到DC/AC转换器的DC链接。开关电路可包括旁路电路。控制电路可支持分别经由旁路电路和第一功率转换电路从AC电源和不定可用电源同时将电力传递到负载的模式，以及其中从不定可用电源和耦合到第一功率转换电路的DC链接的辅助电源同时将电力传递到负载的模式。控制电路还可以支持分别经由第二功率转换电路和第一功率转换电路从AC电源和不定可用电源同时将电力传递到负载的模式。在一些实施例中，第一和第二功率转换电路的DC链接配置成从相应辅助电源接收电力，并且控制电路支持从不定可用电源和从辅助电源同时将电力传递到负载的模式。

在另外实施例中，第一和第二功率转换电路包含在相应第一和第二功率转换模块中，所述第一和第二功率转换模块均包括能够灵活地配置成用作整流器和用作DC/DC转换器的转换器单元。在一些实施例中，第一功率转换电路的转换器单元配置成用作DC/DC转换器。

本发明主题的一些实施例提供了操作UPS系统的方法，该UPS系统包括：配置成耦合到AC电源的AC输入端；配置成耦合到负载的AC输出端；功率转换电路，其包括配置成从不定可用电源接收电力的第一转换器、耦合到AC输出端的第二转换器、耦合第一和第二转换器电路的DC链接；开关电路，其配置成选择性地耦合和解耦AC输入端和AC输出端；以及控制电路，其在操作上与功率转换电路和开关电路关联。所述方法包括分别经由开关电路和功率转换电路从AC电源和不定可用电源同时将电力传递到AC输出端处的负载。

DC链接可以配置成从辅助电源接收电力，并且所述方法还可以包括响应于AC电源的状态经由功率转换从辅助电源向负载提供电力。功率转换电路可包括第一功率转换电路，UPS系统还可以包括第二功率转换电路，该第二功率转换电路在操作上由控制电路控制并且包括耦合到AC输入端的AC/DC转换器、耦合到AC输出端的DC/AC转换器以及将AC/DC转换器耦合到DC/AC转换器的DC链接。开关电路可包括旁路电路。所述方法还可以包括分别经由旁路电路和第一功率转换电路从AC电源和不定可用电源同时将电力传递到负载，以及从不定可用电源和耦合到第一功率转换电路的DC链接的辅助电源同时将电力传递到负载。所述方法还可以包括分别经由第二功率转换电路和第一功率转换电路从AC电源和不定可用电源同时将电力传递到负载。在另外实施例中，第一和第二功率转换电路的DC链接可以配置成从相应辅助电源接收电力，并且所述方法还可以包括从不定可用电源和从辅助电源同时将电力传递到负载。

第一和第二功率转换电路可以包含在相应第一和第二功率转换模块中，所述第一和第二功率转换模块均包括能够配置成用作整流器和用作DC/DC转换器的转换器单元。第一功率转换电路的转换器单元可以用作DC/DC转换器。

附图说明

图1为示出根据本发明主题的一些实施例的UPS系统的示意图。

图2为示出根据本发明主题的一些实施例的模块化UPS系统的示意图。

图3-5为示出图2的UPS系统的操作的示意图。

图6为示出根据本发明主题的另外实施例的模块化UPS系统的示意图。

图7和8为示出图6的UPS系统的操作的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明主题的特定示例性实施例。然而，此发明主题可以用许多不同形式实施并且不应解读为限于此处给出的实施例；更确切地，这些实施例被提供使得此公开内容将更为彻底和全面，并且将本发明主题的范围完整地传递给本领域技术人员。在图中，相似的附图标记指代相似元件。将理解，当元件被提到“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到该另一元件或者可以存在中间元件。如此处使用的术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任意和全部组合。

此处使用的术语仅仅是用于描述具体实施例的目的并且不是旨在限制本发明主题。如此处所使用，单数形式的“一”、“一个”以及“该”旨在也包括复数形式，除非明确地另外指出。还将理解，在此说明书中使用时，术语“包含”和/或“包括”是指存在所指出的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或者添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。

除非另外定义，此处使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与此发明主题所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，诸如在通常使用的字典中定义的术语之类的术语应解释为具有与它们在说明书和相关领域的情境中的含义一致的含义，并且将不在理想化或过度正式的含义中解释，除非在此处明确如此限定。

本领域技术人员将理解，本发明主题可以实施为系统、方法和计算机程序产品。本发明主题的一些实施例可包括硬件和/或硬件与软件的组合。本发明主题的一些实施例包括配置成提供此处描述的功能的电路系统。将理解，这种电路系统可包括模拟电路、数字电路以及模拟和数字电路的组合。

在下文中参考根据本发明主题的各种实施例的系统和方法的框图和/或操作图示来描述本发明主题的实施例。将理解，框图和/或操作图示的每个框以及框图和/或操作图示中的框的组合可以通过模拟和/或数字硬件，和/或计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供到通用计算机、专用计算机、ASIC和/或其它可编程数据处理设备的处理器，使得经由该计算机和/或其它可编程数据处理设备的处理器执行的所述指令产生用于实施在框图和/或操作图示中指定的功能/动作的装置。在一些实施方式中，在图中指出的功能/动作可以不按照框图和/或操作图示中指出的顺序发生。例如，示为连续地发生的两个操作实际上可以基本上同时被执行，或者所述操作有时可以按照相反顺序执行，取决于所涉及的功能/动作。

本发明主题的一些实施例涉及不定可用电源与UPS的接口。如此处所提到，“不定可用电源”包括可用性(存在和/或容量)随环境条件(比如风、阳光或潮汐变化的可用性)波动并且一般不是按需可用的电源，诸如太阳能、风能、潮汐能和类似可再生能源。这种电源也可以称为“可变的”、“间歇的”或“不是可调度的”，并且出于本申请的目的，这种电源应称为“不定可用电源”。

图1示出根据本发明主题的一些实施例的UPS系统100。UPS系统100包括配置成耦合到AC电源10的AC输入端101和配置成耦合到负载20的AC输出端102。AC电源10可以是单相或多相的并且可以包括例如公共电源和/或诸如发电机的本地电源。负载20通常可以包括一个负载或者单相和/或多相负载的集合，诸如在典型的数据中心或类似设施中可以找到的一系列三相或单相负载。

UPS系统100包括第一功率转换电路110，该第一功率转换电路110包括配置成从不定可用电源30接收电力的第一转换器电路112，耦合到AC输出端102的第二转换器电路114，以及耦合第一和第二转换器电路112、114的DC链接115。取决于不定可用电源30的性质，第一转换器电路112可以用作AC/DC转换器(整流器)或者用作DC/DC转换器。

UPS系统100还包括配置成用作在线UPS的第二功率转换电路120。第二功率转换电路120包括通过DC链接125耦合到DC/DC转换器电路124的AC/DC转换器电路122。辅助电源40(比如一个或多个电池)耦合到DC链接125，并且可以在AC电源10发生故障的情况下供应备用电力。另外的辅助电源40可以耦合到第一功率转换电路110的DC链接115。

UPS系统100还包括开关电路，此处该开关电路示为旁路电路150，其配置成通过选择性地耦合和解耦AC输入端101和AC输出端102来选择性地旁路第二转换电路120。控制电路160在操作上与第一功率转换电路110、第二功率转换电路120和旁路电路150关联，并且配置成使分别经由旁路电路150和第一功率转换电路110从AC电源10和不定可用电源30同时将电力传递到负载20。

图2示出根据另外实施例的可以提供这种功能的模块化UPS系统200。UPS系统200包括具有共同架构的第一和第二功率转换模块210、220，所述架构包括通过DC总线215链接的第一和第二转换器单元212、214，用于将电池耦合到DC总线215的电池接口单元216，以及模块控制单元218。模块控制单元218可以在操作上与系统控制电路240关联，该系统控制电路240例如定义在如下所述各种操作模式中功率转换模块210、220的互操作。模块210、220可以具有相同或不同的形状因子和/或容量。例如，模块210、220可以具有共同形状因子和/或外部连接配置，并且可以设计成可互换地安装在系统底座中。

第二功率转换模块220配置成提供在线UPS操作，其中从AC电源10和一个或多个备用电池40将电力选择性地供应到负载20。第一功率转换模块210配置成提供用于不定可用电源30(诸如光伏电源或风力发电机)的接口。取决于不定可用电源30的性质，第一功率转换模块210的第一转换器单元212可以配置成提供适当的转换，该转换可以不同于由第一功率转换电路210的第一转换器单元212提供的转换。例如，第一和第二功率转换模块210、220的各第一转换器单元212可以包括相应起作用的桥电路，所述桥电路根据例如由模块控制单元218向其施加的控制信号，能够选择性地配置成用作整流器或者用作DC/DC转换器。一个或多个另外的备用电池可以耦合到第一功率转换模块210的电池接口单元216。

UPS系统100的控制电路可以支持多个操作模式。例如，如图3所示，当AC电源10在标称限制内工作使得第二功率转换模块220可以被旁路时，电力可以分别经由旁路电路230和第一功率转换模块210从AC电源10和不定可用电源30同时递送到负载20。在图4示出的另一模式中，当旁路电路230断开并且在线转换由第二功率转换模块220执行时，电力可以分别经由第二功率转换模块220和第一功率转换模块210从AC电源10和不定可用电源30同时递送到负载20。如图5所示，当AC电源10故障时，电力可以分别经由第二功率转换模块220和第一功率转换模块210从耦合到第二功率转换模块220的一个或多个电池40和从不定可用电源30递送到负载20。另外的电力可以由耦合到第一功率转换模块210的一个或多个电池40供应。

根据另外的实施例，可以通过将从不定可用电源接收电力的功率转换模块耦合到静态开关的输出端来提供类似功能。图6示出了UPS系统600，其包括配置成将AC电源10耦合到负载20以及从负载20解耦AC电源10的静态开关230。包括按照如上文参考图2所描述的部件的功率转换模块210也耦合到负载20，并且配置成将电力从不定可用电源30传递到负载20。一个或多个电池40耦合到功率转换模块210的电池接口单元216。功率转换模块210和静态开关230由系统控制电路240协作控制。

如图7所示，当AC电源10处于标称条件下时，电力可以分别经由静态开关230和功率转换模块210从AC电源10和不定可用电源30同时供应。如图8所示，一旦AC电源10发生故障，电力就可以经由功率转换模块210从不定可用电源30和所述一个或多个电池40递送到负载20。

在图和说明书中，已经公开了本发明主题的示例性实施例。尽管使用了特定术语，这些术语仅仅是在通用和描述性意义上使用，而不是用于限制的目的，本发明主题的范围由下述权利要求限定。