利用互连电力路由单元的不间断电源系统和方法与流程

本发明主题涉及配电系统和方法，并且更具体地，涉及不间断电源(ups)系统和方法。

ups系统通常在例如数据中心、医疗中心和工业设施的设备处使用。可以在此类设备处使用ups系统来提供备用电源，以在主要公共设施电源故障的情况下维持运行。这些ups系统通常具有“联机”配置，其包含通过dc(dc)链路耦接的整流器和逆变器，所述dc链路还耦接至辅助电源，例如蓄电池、燃料电池或其他能量存储装置。其他ups系统可以使用待机的在线互动式架构或其他架构。

ups系统可以利用模块化组件来实现。例如，ups系统可以包含多个ups模块，每个ups模块可以包含例如整流器、逆变器以及用于接口连接至蓄电池的dc/dc转换器。ups模块可以连同控制和接口电路，例如旁通开关等，一起安装在公共机架中。ups模块可以设计成并行地运行以提供可扩展的功率容量，例如，模块可以共同耦接至ac源、dc源(例如，蓄电池)和/或负载。此类模块化ups组件的一个实例为powerxpert9395ups(http://powerquality.eaton.com上进行了描述)，其可以配置为包含两个或更多个不间断电力模块(upm)，每个upm包含双转换ups电路，所述双转换ups电路包含整流器、逆变器以及耦接至公共dc总线的蓄电池转换器。2013年7月8日提交的标题为《利用可变配置模块的ups系统和方法(upssystemsandmethodsusingvariableconfigurationmodules)》的美国专利申请序列第13/936,741号(代理人案号：9060-321)中描述了其他模块化ups架构，并且其通过引用并入本文。

技术实现要素：

本发明主题的一些实施例提供了一种包含多个电力路由单元的系统。电力路由单元中的每一个包含第一ac端口、第二ac端口，以及配置为使第一ac端口和第二ac端口耦接和分离的静态开关。电力路由单元中的每一个进一步包含dc端口和耦接在第二ac端口和dc端口之间的双向转换器电路。电力路由单元的dc端口共同耦接至dc总线，并且系统进一步包含控制电路，所述控制电路配置为控制电力路由单元以经由dc总线在至少两个电力路由单元之间提供电力传输。

在一些实施例中，第一电力路由单元的第一ac端口可以耦接至第一ac电源，并且第二电力路由单元的第一ac端口可以耦接至第二ac电源。控制电路可以配置为：响应于第一ac电源的故障和/或第一电力路由单元的静态开关的故障，促使第二电力路由单元经由dc总线向第一电力路由单元提供电力。

在其他实施例中，第一电力路由单元的第二ac端口可以耦接至第一负载，并且第二电力路由单元的第二ac端口可以耦接至第二负载。第二电力路由单元可以配置为：从第二ac电源经由第二电力路由单元的静态开关和转换器电路、dc总线以及第一电力路由单元的转换器电路，向第一负载提供电力。

在一些实施例中，控制电路可以配置为控制电力路由单元以从第二电力路由单元和第三电力路由单元经由dc总线，向第一电力路由单元提供电力。控制电路可以配置为操作第二电力路由单元以调节dc总线上的电压，以及操作作为经调节的电流源的第三电力路由单元以向第一电力路由单元提供电力。第一、第二以及第三电力路由单元的第二ac端口可以共同耦接至ac电源，并且第一、第二以及第三电力路由单元的第一ac端口可以耦接至相应第一、第二以及第三负载。

根据其他实施例，第一电力路由单元和第二电力路由单元的第一ac端口可以共同耦接至ac电源，第一和第二电力路由单元的第二ac端口可以耦接至相应第一和第二负载，并且控制电路可以配置为同时地从ac电源经由第一电力路由单元的静态开关向第一负载提供电力以及经由第一和第二电力路由单元的转换器电路向第二负载提供电力。控制电路可以配置为操作电力路由单元中的两个，以提供从ac源到耦接至两个电力路由单元中一个的负载的多转换器电力链。

在一些实施例中，控制电路可以包含在电力路由单元中的相应电力路由单元中的本地控制电路，和配置为控制电力路由单元的本地控制电路的主控制器。

在一些实施例中，控制电路可以包含定位在电力路由单元中的相应局部控制电路，并且所述相应局部控制电路配置为操作相关联的转换器电路以选择性地提供第一模式和第二模式，在第一模式中转换器电路调节dc总线上的电压，并且在第二模式中转换器电路向dc总线提供经调节的电流。

在一些实施例中，系统可以进一步包含耦接至dc总线的dc电源。

在其他实施例中，静态开关可以是第一静态开关，并且电力路由单元中的每一个可以进一步包含第三ac端口和第二静态开关，所述第二静态开关配置为使第三ac端口和第二ac端口耦接和分离。

其他实施例提供了一种电力路由单元，其包含配置为耦接至外部ac源的第一ac端口、配置为耦接至外部负载的第二ac端口，以及配置为使第一ac端口和第二ac端口耦接和分离的静态开关。电力路由单元进一步包含配置为耦接至外部dc总线的dc端口、耦接在第二ac端口和dc端口之间的双向转换器以及控制电路，所述控制电路配置为控制静态开关和转换器电路以选择性地提供第一模式和第二模式，在第一模式中转换器调节外部dc总线上的电压，并且在第二模式中转换器向外部dc总线提供经调节的电流。

其他实施例提供了方法，包含提供多个电力路由单元，每个电力路由单元包括第一ac端口、第二ac端口、配置为使第一ac端口和第二ac端口耦接和分离的静态开关、dc端口，以及耦接在第二ac端口和dc端口之间的双向转换器电路。方法进一步包含将电力路由单元的dc端口共同耦接至dc总线并控制电力路由单元以经由dc总线在至少两个电力路由单元之间提供电力传输。

附图说明

图1是示出了根据一些实施例的利用互连电力路由单元的不间断电源(ups)系统的示意图。

图2是示出了图1中的电力路由单元的电路配置的示例的示意图。

图3是示出了根据一些实施例的静态ups系统的示意图。

图4是示出了根据一些实施例的捕捉ups系统的示意图。

图5和图6是示出了根据一些实施例的具有利用电力路由单元的可重新配置操作模式的ups系统的示意图。

图7是示出了根据一些实施例的用于ups系统中的dc总线控制的控制架构的示意图。

图8是示出了根据一些实施例的图7的控制架构在ups系统中的应用的示意图。

图9是示出了根据一些实施例的利用具有多静态开关的电力路由单元的ups系统的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明主体的具体示范性实施例。然而，本发明主题可以按照不同的形式体现并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例，而是，这些实施例被提供为使得本公开可以透彻和完整，并且可以充分向本领域技术人员传达本发明主题的范围。在附图中，相同的标号指代相同的项目。应当理解，当一个项目被称为“连接”或“耦接”至另一个项目时，其可以直接连接或耦接至其他项目或者可以存在中间项目。如本文所使用的，术语“和/或”包含相关所列项目中一个或多个的任意和全部组合。

本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的而不是旨在限制本发明的主题。如本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“所述”旨在也包含复数形式，除非另行指明。还应当理解，当在说明书中使用时，术语“包含(includes)”、“包括(comprises)”、“包含(including)”和/或“包括(comprising)”指定了所述特征、整数、步骤、操作、项目和/或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、项目、部件和/或其组的存在或添加。

除非另行定义，本文中所使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)具有和本发明主题所属技术领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。还应当理解，例如那些在常用词典中使用的术语，应当被解释为具有和其在说明书以及相关技术领域背景下含义相一致的含义，并且不应按照理想化的或过分正式的含义进行解释，除非本文中明确地如此定义。

图1示出了根据本发明主题的一些实施例的系统。系统包含多个电力路由单元110，其共同连接至外部dc总线120。电力路由单元110中的每一个包含至少一个静态开关112，所述静态开关112连接在电力路由单元110的ac输入端口111和ac输出端口113之间。每个电力路由单元110进一步包含至少一个双向转换器电路114，所述双向转换器电路114耦接在ac输出端口113和dc端口115之间，后者耦接至dc总线120。转换器电路114配置为支持电力沿两个方向流动从而支持电力路由单元110的多种不同的设置，如参考图3至图9更详细进行解释的。

应当理解，电力路由单元110可以利用大量不同类型的电路中的任一种来实现。例如，静态开关112可以利用多种不同类型的固态切换装置中的任一种来实现，例如scr或功率mosfet。转换器电路114可以利用不同类型的转换器架构来实现，例如桥式转换器电路。这些电路可以使用多种不同类型的固态切换装置中的任一种，例如igbt或功率mosfet。静态开关112和转换器114可以利用多种不同的模拟和/或数字控制电路中的任一种进行控制，包含但不限于，基于微控制器的或者其他类型的数字控制电路。

图2示出了根据其他实施例的用于电力路由单元的电路配置的示例。电力路由单元210包含三相静态开关212，其利用反平行连接的可控硅整流器(scr)对来实现。静态开关212耦接在电力路由单元的ac输入端口211和ac输出端口213之间。电力路由单元210进一步包含三相桥接电路214，所述三相桥接电路214包含耦接用于相应相的相应半桥对的晶体管q(例如，igbt或功率mosfet)和用于相应相的相应电感器l。桥接电路214耦接在ac输出端口213和dc端口215之间。桥接电路214可以进一步包含耦接至dc端口215的一个或多个dc链路电容器c，其可以提供能量存储以支持对连接至dc端口215的dc总线上电压的维持，但是应当理解，此类电容可以由位于电力路由单元210外部的电容器提供或补充。控制电路216配置为控制静态开关212和桥接电路214，以提供支持在ac端口211、213和dc端口215之间各种电力流动的各种操作模式。控制电路215可以利用多种不同的模拟和/或数字电路中的任一种来实现，包含例如，采用数据处理电路的控制电路，例如微控制器或微处理器。

根据一些实施例，电力路由单元连同以上参考图1和图2所述的线路可以用于提供多种不同的不间断电源(ups)系统。例如，参考图3，ups系统可以包含第一和第二电力路由单元310a、310b，其每一个包含静态开关312、转换器电路314以及控制静态开关312和转换器电路314的控制电路316。相应的第一和第二源10a、10b耦接至电力路由单元310a、310b中相应一个的ac输入端口，并且相应负载20a、20b连接至电力路由单元310a、310b中相应一个的ac输出端。电力路由单元310a、310b的dc端口共同连接至dc总线320。

图3中所示的布置可以被实现为无蓄电池的静态ups系统。具体地，在正常操作条件下，电力可以从第一和第二ac源10a、10b中的相应源经由第一和第二电力路由单元310a、310b中的相应单元的静态开关提供给第一和第二负载20a、20b。响应于例如第一ac源10a的故障，电力可以从第二电力源20b经由第二电力路由单元310b的转换器电路314、dc总线320以及第一电力路由单元310a的转换器电路314提供给第一负载20a。类似地，响应于第二ac源10b的故障，电力可以从第一ac源10a经由第一电力路由单元310a的转换器电路314、dc总线320以及第二电力路由单元310b的转换器电路314提供给第二负载20b。

如图3中进一步所示，dc电源15可以耦接至dc总线320。dc电源15可以包含，例如蓄电池、燃料电池发电机、光伏源等。在一些实施例中，dc源15可以用于在ac源10a、10b中任一个或两个故障的情况下提供附加的备用电源。在其他实施例中，dc源15可以例如用于支持电力共享操作，例如调峰操作，其使用dc源15以在峰值速率期间为ac源10a、10b中任一个或两个提供补充电力。

图4示出了另一种ups系统布置，其有利地使用了以上所述的电力路由单元。第一、第二和第三电力路由单元310a、310b、310c的ac输出连接至相应负载20a、20b、20c，其ac输入端口共同连接至ac源10并且其dc端口共同耦接至dc总线320。第一、第二和第三电力路由单元310a、310b、310c中的每一个包含静态开关312、转换器电路314以及控制静态开关312和转换器电路314的控制电路316。主控制器30配置为与控制电路316进行通信以提供监测和管理控制。

电力路由单元310a、310b、310c可以操作为提供备用电源输送选项。例如，在正常条件下，电力路由单元310a、310b、310c可以经由其静态开关312向其相应负载20a、20b、20c提供电力。响应于例如第一电力路由单元310a的静态开关312的故障，第二和第三电力路由单元310b、310c可以经由dc总线320向第一负载20a提供电力。此类操作可以由主控制器330来控制，例如，主控制器330可以从第一电力路由单元310a接收指示其静态开关312故障的状态信息，并且可以命令第一电力路由单元310a操作其转换器电路314作为逆变器以向第一负载20a提供电力。主控制器330可以同时地命令第二和第三电力路由单元310b、310c操作其转换器电路314作为整流器，以提供支持第一电力路由单元310a的转换器314的操作所需要的电力。

图4中所示的布置还可以用于支持对电力输送路径的灵活配置，其为具有不同级别关键性的负载提供不同级别的电力安全性。例如，参考图5，第二负载20b可以具有比第一和第三负载20a、20c更大的关键性，并且第一和第二电力路由单元310a、310b可以用于提供双转换链，以用于为第二负载20b提供经提高的电力质量。具体地，第一电力路由单元310a可以经由其静态开关312向第一负载20a提供电力，并且可以附带地操作其转换器电路314作为整流器以向dc总线320提供电力。第二电力路由单元310b可以打开其静态开关312并操作其转换器电路314作为逆变器以从dc总线320向第二负载20b提供电力，由此使第二负载20b与ac源10的质量偏差隔离。在这种功能模式中，第二电力路由单元310b的静态开关312可以按照类似于静态旁通开关在常规双转换ups中使用的方式使用。例如，响应于ac源10的电力质量满足特定电力质量标准，可以关闭第二电力路由单元310b的静态开关312并且可以禁用第二电力路由单元310b的转换器电路314，使得可以按照更有效的方式向第二负载20b提供电力。如果ac源10的电力质量再次偏离，则可以打开静态开关312并且可以利用双转换电力系再次对第二负载20b供电。

在其他实施例中，可以按照类似的方式使用第三电力路由单元310c，使得第一和第三电力路由单元310a、310c两者均向dc总线320提供电力以用于由第二电力路由单元310b的转换器电路314使用。还可以动态地调整电力安全分配。例如，如图6中所示，系统可以配置为转变成操作第二和第三电力路由单元310b、310c的转换器电路314，以为第三负载20c提供双转换电力系。在一些应用中，这样的动态配置性可能是特别有用的，例如数据中心应用，其中负载20a、20b、20c为不同组的服务器或其他计算设备，它们运行具有不同电力安全需求的进程。

图7示出了根据其他实施例的可以用于支持电力路由单元之间电力传输的控制架构。参考图7并结合图8，电力路由单元310a、310b、310c可以配置为操作其转换器电路314以提供对dc总线320的电压或电流控制。如图8中所示，第一和第二电力路由单元310a、310b可以用于向具有故障静态开关312的第三电力路由单元310c提供电力。为了利于所述传输，第一电力路由单元310a的转换器电路314可以在电压控制模式下操作，其中其在dc总线320上保持期望电压，而第二电力路由单元310的转换器电路在受控电流模式中使用，其中其向dc总线320提供期望量的电流。由第二电力路由单元310b提供的电流的量可以由主控制器330命令。

电力路由单元310a、310b、310c中的每一个可以配置为为其转换器314提供支持多控制模式的控制架构。在电压控制模式中，电压回路的补偿器710经由选择器720向具有补偿器730的电流回路提供第一电流命令idc1，补偿器730向脉冲宽度调制(pwm)驱动电路740提供控制信号，脉冲宽度调制驱动电路740驱动转换器的晶体管或其他切换元件。然而，当在电流控制模式中操作时，作为替代，选择器720向电流回路提供第二电流命令idc2，其中第二电流命令idc2表示转换器的期望电流输出。第二电流命令idc2可以例如通过主控制330提供。补偿器710、730可以采用多种不同形式中的任一种，包含但不限于，比例微分器、积分器、比例积分器-微分器(pid)、超前滞后，以及其组合。

根据其他实施例，电力路由单元可以包含多于一个的静态开关以支持其他ups系统配置。例如，参考图9，系统可以包含第一和第二电力路由单元910a、910b，其各自包含第一和第二静态开关912a、912b以及转换器电路914。第一和第二电力路由单元910a、910b的ac输出端口耦接至相应的第一和第二负载20a、20b。电力路由单元910a、910b的第一和第二ac输入连接至第一和第二ac源10a、10b中的相应一个。第一和第二电力路由单元910a、910b的dc端口共同耦接至dc总线920。

这种布置可以用于在发生部件或电源故障的情况下在电力路由和冗余度方面提供灵活性。例如，这种布置允许负载20a、20b经由静态开关912a、912b耦接至ac源10a、10b中的任一个。这种布置还可以用于为负载20a、20b中的任一个提供双转换电力链。

在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的示范性实施例。尽管采用了特定术语，但是它们仅在一般性和描述性的含义上使用而并非处于限制的目的，本发明主题的范围由所附权利要求书进行限定。