使用不间断电源过渡到发电机供电运行的电力系统和方法

摘要

检测母线的电源的丧失。响应于检测到电源的丧失，使用不间断电源(UPS)在母线上产生电压。与使用UPS在母线上产生电压同时地，将发电机过渡到希望的输出状态。响应于发电机达到希望的输出状态，将发电机耦合到母线。UPS可用于在发电机处于过渡的同时向连接到母线的负载提供电力。例如，检测到电源的丧失之前，可将耦合到母线的UPS的转换器运行为整流器，且使用UPS在母线上产生电压可包含将UPS的转换器运行为逆变器。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统和方法，特别涉及使用发电机的电力系统和方法。

背景技术

用于设施的电力系统可能服务于关键性的、生命安全的以及需要高可用性的其他类型的负载。用于这种设施的典型的电力系统因此可包含辅助发电机，例如柴油动力发动机-发电机组，其可在例如市电源等的主要电源故障时向这些负载供电。

参照图1，典型的电力系统可包含输入断路器40a，其被配置为将负载母线30耦合到市电源10。相应的断路器40d、40e、40f用于将生命安全、必需的以及非必需的负载80b、80c、80d耦合到负载母线30以及从负载母线30解除耦合。另一断路器40c被配置为将发电机60耦合到负载母线30或从负载母线30解除耦合。UPS 50通过另一断路器40b耦合到负载母线30以及从负载母线30解除耦合，使得其可从市电源10或负载母线30接收电力，取决于输入断路器40a的状态。在所示出的系统中，UPS 50为在线式UPS，其包含其输出通过DC链路耦合到输出逆变器54的的输入整流器52。逆变器54向关键性的负载80a提供AC电力。电池56耦合到DC链路，并可在传送到整流器52的AC电力故障时向逆变器54供给电力。旁路开关58可用于对整流器52以及逆变器54进行旁路。控制器电路70可包含在电力系统的多个部件之间物理分布的电路，控制断路器40a-40f以及发电机60的运行。

典型地，响应于市电的丧失，系统的负载母线30从市电源10断开，生命安全、必需和非必需的负载80b、80c、80d从负载母线30断开。发电机60的发动机被启动和加速，励磁电压被施加到转子励磁绕组，以便调节输出电压。发电机60典型地保持从负载母线30断开，直到发电机60达到可接受限制范围内的输出电压和频率。在发电机60对负载母线30进行稳定化之后，负载可以有选择地连接到负载母线30。

因此，将这样的发电机完全引入在线所需要的时间可包括检测停电需要的时间、将负载母线从市电源解除耦合需要的时间、将负载从负载母线断开的时间、将发电机引至可接受的电压和频率的时间、将发电机连接到负载母线的时间、将负载连接到负载母线的时间。这些操作可以占几秒的数量级，其可对某些负载的可用性带来负面的影响。

发明内容

本发明的某些实施例提供了运行电力系统的方法。检测母线的电源的丧失。响应于检测到电源的丧失，使用不间断电源(UPS)在母线上产生电压。与使用UPS在母线上产生电压同时地，发电机过渡(transition)到希望的输出状态。响应于发电机达到希望的输出状态，发电机被耦合到母线。UPS可用于在发电机处于过渡的同时向连接到母线的负载提供电力。例如，UPS的输入转换器可在过渡过程中支持反向的电力流动，使得母线由UPS的电池或其他辅助源供电。例如，可在检测电源的丧失之前将耦合到母线的UPS的转换器运行为整流器，使用UPS在母线上产生电压可包含将UPS的转换器运行为逆变器。

在某些实施例中，母线包含第一母线，检测电源的丧失后可继以将第一母线从被配置为连接到发电机的第二母线断开。从UPS向连接到母线的负载供电可包含从UPS向第一母线上的负载提供电力。响应于发电机达到希望的输出状态将发电机耦合到母线可包含响应于发电机过渡到希望的输出状态将发电机耦合到第二母线并接着将第一母线耦合到第二母线。在将发电机耦合到第二母线之后并在将第一母线耦合到第二母线之前，负载可被耦合到第二母线。在某些实施例中，UPS的逆变器输出可经由旁路(bypass)被耦合到母线，以便向母线提供过渡电力。

在某些实施例中，在使用UPS在母线上产生电压的同时将发电机过渡到希望的输出状态包含使发电机与UPS同步。例如，UPS可用于在母线上产生稳定的电压，其可用于减小发电机同步需要的时间。

在进一步的实施例中，UPS包含第一UPS，该方法还包含响应于检测到电源的丧失将负载从母线断开，以及在使用第一UPS在母线上产生电压的同时用第二UPS对断开的负载供电。第二UPS可包含线路互动式UPS。

本发明的附加实施例提供了一种配电系统，其包含被配置为耦合到母线的发电机和UPS。系统还包含控制电路，该电路可操作地耦合到UPS以及发电机，并被配置为检测母线的电源丧失，使得UPS响应于检测到电源的丧失在母线上产生电压，在使用UPS在母线上产生电压的同时将发电机过渡到希望的输出状态，以及响应于发电机达到希望的输出状态将发电机耦合到母线。控制电路可被配置为在将发电机过渡到希望的输出状态的同时使得UPS向负载提供电力。例如，在数据中心应用中，负载可包含对由UPS供电的电子设备进行冷却的冷却设备。

附图说明

图1为一原理图，其示出了传统的电力系统；

图2为一原理图，其示出了根据本发明某些实施例的电力系统；

图3为一流程图，其示出了根据本发明某些实施例的图2的电力系统的示例性操作；

图4为一原理图，其示出了根据本发明的附加实施例的电力系统；

图5为一流程图，其示出了根据本发明某些实施例的图4的电力系统的示例性操作；

图6为一原理图，其示出了根据本发明的进一步的实施例的电力系统；

图7为一流程图，其示出了根据本发明某些实施例的图6的电力系统的示例性操作；

图8为一原理图，其示出了根据本发明更进一步的实施例的数据中心电力系统。

具体实施方式

现在将参照附图介绍本发明的示例性实施例。然而，本发明可以用许多不同的形式实现，不应认为是限制在这里介绍的实施例，相反，提供这些实施例使得本公开更加彻底和完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在附图中，类似的号码表示类似的元件。将会明了，将元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可直接连接或耦合到所述另一元件，或者，可存在中间元件。这里所用的术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多于一个的任何以及全部组合。

这里使用的术语仅仅用于介绍特定实施例，不是为了限制本发明。这里所用的单数形式“一”、“一个”、“该”同样包括复数形式，除非明确地另有说明。将会明了，术语“包含”、“包括”、“具有”和/或“含有”在用在本说明书中时，表示存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除一个或多于一个的其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在。

除非另有限定，这里所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域普通技术人员一般所理解的相同的含义。还将明了，例如常用字典中定义的那些术语应当被解释为具有与其在说明书和相关技术背景下的含义一致的含义，不应以理想化或过于拘泥形式的方式解释，除非这里明确地这样限定。

本领域技术人员将会明了，本发明可被实现为系统和方法。本发明的实施例可包括硬件和/或软件。本发明的实施例包括被配置为提供这里介绍的功能的电路。将会明了，这样的电路可包括模拟电路、数字电路以及模拟与数字电路的组合。

下面将参照根据本发明多个实施例的系统和方法的框图和/或运行图来介绍本发明。将会明了，框图和/或运行图的各个方框以及框图和/或运行图的方框的组合可以通过模拟和/或数字硬件和/或计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、ASIC和/或其他可编程数字处理设备的处理器，使得指令在经由计算机的处理器和/或其他可编程数据处理设备执行时创建用于实现框图和/或运行图所指出的功能/动作的装置。在某些替代实施方式中，图中所述的功能/动作可以以与框图和/或运行图所示不同的顺序发生。例如，被示为相继发生的两个操作实际上可基本上同时发生，或者，操作可以以相反的顺序执行，取决于所涉及的功能/动作。

本发明的某些实施例来自这样的认识：通常对使用接收自负载母线的电力的关键性负载进行供电的UPS可用于支持附加的负载，例如生命安全负载，直到发电机被引入合适的速度(bring up to speed)并耦合到负载母线。例如，UPS可包含耦合到负载母线的四象限转换器。转换器可在市电源存在时作为整流器运行，并在市电源故障时转换为作为逆变器的运行以驱动负载母线，直到发电机被引入在线从而对负载母线供电。根据某些实施例，可以使发电机与UPS同步。在某些实施例中，UPS可用于对第一母线上的所选择的负载供电，同时，发电机被引入合适的速度且耦合到第二母线上的其他负载。一旦发电机稳定化，第一与第二母线可被耦合。在某些实施例中，第一UPS可用于在负载母线上产生电压，以便提供发电机同步的电压基准，同时，第二UPS用于对所选择的负载供电，例如生命安全负载。在更进一步的实施例中，例如在数据中心应用中，UPS可用于向对由UPS供电的数据处理设备进行服务的制冷以及其他支持设备提供过渡支持，直到发电机变为在线。

图2示出了根据本发明某些实施例的电力系统。系统包含输入断路器40a，其被配置为将第一母线240a耦合到市电源10以及从市电源10解除耦合。断路器40b和静态开关45的串联组合被配置为将第二母线204b耦合到第一母线240a以及从第一母线240a解除耦合。UPS 210被耦合到第二母线240b，其被配置为经由断路器40d向生命安全负载80b提供电力。第一母线240a经由相应的断路器40e、40f对必需的以及非必需的负载80c、80d服务。另一断路器40c被配置为将发电机60耦合到第一母线240a以及从第一母线240a解除耦合。

如图所示，UPS 210具有在线式配置，包含通过DC链路接合的第一与第二转换器212、214。第二转换器214可运行为逆变器，以便向关键性负载80a提供电力。电池216被耦合到DC链路，旁路开关218被配置为对第一与第二转换器212、214进行旁路。

如进一步所示出的，UPS 210可被配置为支持到以及来自第二母线240的电力流动。例如，第一转换器212可被配置为运行为整流器或逆变器，以类似于授予Taimela的美国专利No.6906933介绍的双向转换器的方式，其整体并入此处作为参考。在其他的实施例中，不是使用第一转换器212向第二母线240b提供电力以及从第二母线240b接收电力，旁路电路218可用于使用第二转换器214向第一母线240a提供电力。以这种方式使用旁路电路来支持电力流的灵活路由的在线式UPS系统在例如授予Tracy等人的美国专利No.7050312中讨论，其并入此处作为参考。

UPS 210、发电机60、断路器40a-40f以及静态开关45受到控制器电路220的控制，控制器电路220可响应于例如电力系统的多种参数(例如电压、电流、频率、相位)运行。控制器电路220可以为一个单元，或者，可包含分布在电力系统各处的部件。例如，控制器电路220可与UPS 210集成，以便提供集成的后备系统。一般而言，控制器电路220可使用模拟电路、数字电路(包括数据处理电路，其执行支持特定功能的程序代码)或其组合。控制器电路220和与控制器电路220配合动作的装置——例如断路器40a-40f、静态开关45和发电机60以及UPS 210中的电路——可被统一看作提供支持这里参照图2-3所介绍的功能的控制电路。

图3示出了根据本发明某些实施例的图2的系统的示例性运行。将会明了，这些运行可通过控制器电路220和UPS 210、发电机60、断路器40a-40f以及静态开关45中的多个的配合动作来实现。电力从市电源10被供到UPS 210、生命安全、必需的以及非必需的负载80b、80c、80d(方框310)。在这种模式下，UPS 210的第一转换器212可运行为整流器，以便向第二转换器214和/或电池216提供电力。在检测到市电源210丧失时，UPS 210和第二母线240b通过静态开关45和断路器40b的动作从第一母线240a断开，第一母线240a通过输入断路器40a从市电源10断开，必需以及非必需的负载80c、80d通过断开其相应的断路器40e、40f从第一母线240a解除耦合(方框320)。UPS 210于是改变运行模式，将第一转换器212用作由电池216供电的逆变器，以便在第二转换器214继续对关键性负载80a供电的同时在第二母线240b上产生AC电压(方框330)。发电机60被启动并开始运行直到合适的速度(方框340)。响应于发电机60达到希望的状态，例如希望的频率、电压和/或相位，发电机60被连接到第一母线240a(方框350)。这之后，必需和非必需负载80c、80d中的所有或某些可被连接到第一母线240a(方框360)。在第一母线240a稳定化之后，第二母线240b可被重新连接到第一母线240a(方框370)。UPS210于是可返回到其故障前(pre-fault)运行模式。

对于第一与第二母线240a、240b的连接使发电机60和UPS 210同步的方式可以改变。例如，在某些实施例中，发电机60可同步到第二母线240b上由UPS 210产生的电压，例如，通过检测此电压以产生频率/相位基准信号和/或通过使用由UPS 210产生的基准信号。在某些实施例中，发电机60可被引入合适的速度并耦合到第一母线240a，而不依赖于由UPS210在第二母线240b上产生的电压，此后，发电机60和/或UPS 210的输出频率/相位可被调节，以便在耦合第一与第二母线240a、240b之前实现频率/相位对准。

将会明了，参照图2和3介绍的电路配置及其运行可在本发明的范围内改变。例如，断路器40a-40f和/或静态开关45的全部或某些功能可由其他的开关装置和/或开关装置的组合提供，例如接触器或自动转换开关。

图4示出了根据本发明进一步的实施例的电力系统。系统包含输入断路器40a，其被配置为将第一母线440a耦合到市电源10以及从市电源10解除耦合。第二断路器40b和静态开关45被配置为将第二母线440b耦合到第一母线440a以及从第一母线440a解除耦合。第二母线440b被配置为经由相应的断路器40d、40e、40f向生命安全、必需以及非必需的负载80b、80c、80d提供电力。服务于关键性负载80a的UPS 410被耦合到第二母线440b。另一断路器40c被配置为将发电机60耦合到第一母线440a以及从第一母线440a解除耦合。UPS 410具有在线式配置，包含第一与第二转换器412、414、电池416以及旁路开关418。UPS 410可被配置为以类似于上面参照图2中的UPS 210介绍的类似的方式支持电力的双向流动

UPS 410、发电机60、断路器40a-40f以及静态开关45受到控制器电路420的控制，控制器电路420可响应于例如电力系统的多种参数(例如电压、电流、频率、相位)运行。控制器电路420可为一个单元，或者，可包含分布在电力系统各处的部件。例如，控制器电路420可与UPS 410集成，以便提供集成的后备系统。一般而言，控制器电路420可使用模拟电路、数字电路(包括数据处理电路，其执行支持特定功能的程序代码)或其组合。控制器电路420和与控制器电路420配合动作的装置——例如断路器40a-40f、静态开关45和发电机60以及UPS 410中的电路——可被统一看作提供支持这里参照图4-5所介绍的功能的控制电路。

图5示出了根据本发明某些实施例的图4的系统的示例性运行。将会明了，这些运行可通过控制器电路420和UPS 410、发电机60、断路器40a-40f以及静态开关45中的多个的配合动作来实现。电力从市电源10被供到UPS 410以及生命安全、必需的以及非必需的负载80b、80c、80d(方框510)。在这种模式下，UPS 410的第一转换器412可运行为整流器，以便向第二转换器414和/或电池416提供电力。在检测到市电源10丧失时，通过静态开关45和断路器40b的动作将第二母线440b(以及UPS 410)从第一母线440a断开，通过输入断路器40a的动作将第一母线440a从市电源10断开(方框520)。必需和非必需负载80c、80d中的全部或某些也可从第二母线440b断开(方框530)。UPS 410于是可改变运行模式，将第一转换器412用作由电池416供电的逆变器，以便在第二转换器414继续对关键性负载80a供电的同时在第二母线440b上产生AC电压，从而对生命安全负载80b以及任何剩余的必需或非必需负载80c、80d供电(方框540)。发电机60被启动并开始运行到合适的速度(方框550)。响应于发电机60达到希望的输出状态，例如希望的频率、电压和/或相位，发电机60被连接到第一母线440a(方框560)。第二母线440b于是可通过断路器40b以及静态开关45的动作连接到第一母线440a(方框570)，之后，附加的必需和非必需负载80c、80d可被重新连接(方框580)。UPS410可返回其故障前运行模式。

将会明了，参照图4和5介绍的电路配置及其运行可在本发明的范围内改变。例如，断路器40a-40f和/或静态开关45的全部或某些功能可由其他的开关装置和/或开关装置的组合提供，例如接触器或自动转换开关。

图6示出了根据本发明进一步的实施例的电力系统。该系统包含输入断路器40a，其被配置为将母线640耦合到市电源10以及从市电源10解除耦合。母线640被配置为分别经由静态开关90和相应的断路器40e、40f向生命安全、必需以及非必需的负载80b、80c、80d提供电力。断路器40b和静态开关45的串联组合被配置为将UPS 610耦合到母线640以及从母线640解除耦合。第二、线路互动式UPS 650被耦合到生命安全负载80，并包含双向转换器652以及电池654。第二UPS 650可响应于母线640上的电力的丧失和/或静态开关90的断开向生命安全负载80b提供后备电力。另一断路器40c被配置为将发电机60耦合到母线640以及从母线640解除耦合。第一UPS 610具有在线式配置，包含第一与第二转换器612与614、电池616以及旁路开关618。第一UPS 610可被配置为以与上面参照图2的UPS 210所介绍的类似的方式支持双向电力流动。

UPS 610、断路器40a、40b、40c、40e、40f、发电机60以及静态开关45、90受到控制器电路620的控制，控制器电路620可响应于例如电力系统的部件的多种参数(例如电压、电流、频率、相位)运行。控制器电路620可以为一个单元或者可包含分布在电力系统各处的部件。例如，控制器电路620可与UPS 610集成，以便提供集成的后备系统。一般而言，控制器电路620可使用模拟电路、数字电路(包括数据处理电路，其执行支持特定功能的程序代码)或其组合。控制器电路620和与控制器电路620配合动作的装置——例如断路器40a、40b、40c、40e、40f、静态开关45、90和发电机60以及UPS 610中的电路——可被统一看作提供支持这里参照图6-7所介绍的功能的控制电路。

图7示出了根据本发明某些实施例的图6的系统的示例性操作。将会明了，这些操作可通过控制器电路620和UPS 610、650、发电机60、断路器40a、40b、40c、40e、40f以及静态开关45、90中的多个的配合动作来实现。电力从市电源10被供到UPS 610以及生命安全、必需的以及非必需的负载80b、80c、80d(方框710)。在这种模式下，UPS 610的第一转换器612可运行为整流器，以便向第二转换器614和/或电池616提供电力。在检测到市电源10丧失时，通过静态开关90的动作将生命安全负载80b从母线640断开(方框720)。通过断路器40a、40b的动作，负载母线640从市电源10断开且UPS 610连接到负载母线640(方框730)。所有或某些必需以及非必需的负载80c、80d可在这一点上脱落(shed)。UPS 610可用于沿着上面讨论的思路在母线640上产生电压(方框740)。发电机60被启动并被引入合适的速度，直到其达到与母线640上的电压同步(方框750)。发电机60可将由UPS 610在母线640上产生的稳定电压用作同步基准。在达到同步时，发电机60可被连接到母线640(方框760)。在发电机60稳定化之后，生命安全负载80b可重新连接到母线640(方框770)。附加的必需以及非必需负载80c、80d可被连接，如发电机60的容量所允许(方框780)。

将会明了，参照图6和7介绍的电路配置及其运行可在本发明的范围内改变。例如，断路器40a-40c、40e-40f和/或静态开关45、90的全部或某些功能可由其他的开关装置和/或开关装置的组合提供，例如接触器或自动转换开关。

可由沿着上面讨论的思路接近的认识想到的本发明更进一步的实施例可用在数据中心和类似的应用中，以便提供对于例如冷却设备等重要支持设备的过渡电力。特别地，随着服务器中心和其他数据中心的增大的电力密度，热管理变成越来越重要的问题。例如，如果对于数据中心的冷却系统的电力丧失，仍由UPS供电的设备可迅速过热，这可导致损坏和设备故障。

根据本发明某些实施例用于提供对数据中心或其他类型的设备进行冷却的过渡电力的示例性方法在图8中示出。特别地，用于数据中心应用的电力系统可沿着图4的电力系统的思路配置，图4和8中相似的部件用相似的标号表示。UPS 410可用于向关键性数据处理设备80a提供不间断电力。在市电源10故障时，静态开关45和断路器40b可运行，以便将第一母线440a从第二母线440b断开，其中，第二母线440b经由断路器40d向对数据处理设备80a进行冷却的数据处理冷却设备80b提供电力。第一母线440a通过断路器40a的动作从市电源10断开，此后，发电机60启动。UPS 410可向制冷设备负载80b提供电力，同时，发电机60通过闭合断路器40c引入在线，此后，第一与第二母线440a、440b被连接，使得发电机60可用于向UPS 410以及冷却设备负载80b提供电力。将会明了，可使用与上面参照图2、3、6、7所介绍的类似的方法，例如，用于由UPS服务的关键性数据处理负载的制冷设备可以以类似于对于这些实施例介绍的向生命安全设备提供电力的方式由UPS过渡性地供电。

在附图和说明书中公开了本发明的示例性实施例。尽管使用了具体的术语，它们仅仅用于一般性和说明性意义，不是为了进行限制，本发明的范围由所附权利要求限定。