动态dc链路电压控制的制作方法
【专利摘要】根据一方面，本发明的实施例提供了一种UPS系统，所述UPS系统包括输入端，所述输入端被配置为接收输入AC电力；输出端，所述输出端被配置为向负载提供输出AC电力；转换器，所述转换器耦合到所述输入端，并被配置为将所述输入AC电力转换为DC电力；DC总线，所述DC总线被配置为接收所述DC电力；逆变器，所述逆变器被配置为将来自所述DC总线的DC电力转换为输出AC电力，以及向所述输出端提供所述输出AC电力；以及控制器，所述控制器被配置为从用户接收输出AC的输出电压电平选择，操作所述逆变器以基于所述输出AC的输出电压电平选择产生具有AC电压电平的所述输出AC电力，以及操作所述转换器以基于所述输出AC的输出电压电平选择产生具有DC电压电平的所述DC电力。
【专利说明】动态DC链路电压控制
[0001]发明背景1.发明领域
[0002]本发明通常涉及控制不间断电源(UPS)的系统和方法。
[0003]2.相关技术讨论
[0004]为诸如计算机系统和其它数据处理系统的敏感负载和/或临界负载提供调节的、不间断电力的电力设备的使用是人们熟知的，所述电源设备，例如，不间断电源(UPS)。公知的不间断电源包括在线UPS、离线UPS、在线互动UPS以及其它UPS。在线UPS提供调节的AC电力以及在AC主用电源中断时提供备用AC电力。离线UPS通常不提供输入AC电力的调节，但在主用AC电源中断时提供备用AC电力。在线互动UPS与离线UPS类似，在于当发生断电时它们切换到电池电力。
[0005]发明概述
[0006]本发明的至少一个方面针对不间断电源(UPS)系统，所述UPS系统包括:输入端，其被配置为接收输入AC电力;输出端，其被配置为向负载提供输出AC电力;转换器，其耦合到输入端并且配置为将输入AC电力转换成DC电力;DC总线，其耦合到转换器并且配置为接收DC电力;逆变器，其耦合到DC总线并且配置为将来自DC总线的DC电力转换成输出AC电力以及提供输出AC电力到输出端；以及控制器，其被配置为从用户接收输出AC的输出电压电平选择，基于输出AC的输出电压电平选择，操作逆变器以产生输出具有AC电压电平的输出AC电力，并且基于输出AC的输出电压电平选择，操作逆变器以产生具有DC电压电平的DC电力。
[0007]根据一个实施例，在操作转换器产生DC电力时，控制器还被配置为操作转换器以对于不同的AC输出电压选择值维持DC电压电平和AC电压电平之间的幅度调制比。
[0008]根据另一个实施例，控制器包括参考信号发生器，其被配置为基于来自用户的输出AC的输出电压电平选择产生DC总线参考信号。在一个实施例中，参考信号发生器包括数字处理器。在另一个实施例中，UPS系统还包括反馈控制器，其耦合到DC总线并且配置为监控DC总线的DC总线电压电平以及基于DC总线电压电平产生DC总线电压电平信号。在一个实施例中，UPS系统还包括耦合到反馈控制器、参考信号发生器和转换器的调压器。调压器配置为基于DC总线参考信号和DC总线电压电平信号的差值操作转换器以产生DC总线上的DC总线电压电平。
[0009]根据一个实施例，控制器包括接口，接口配置为从用户接收输出AC的输出电压电平选择。在一个实施例中，接口包括手动开关。在另一个实施例中，接口配置为从外部系统接收指示来自用户的输出AC的输出电压电平选择的信号。
[0010]本发明的另一个方面为针对操作UPS系统的方法，该方法包括:在UPS系统的输入端接收输入AC电力，接收来自用户的第一 AC输出电压电平选择，基于第一 AC输出电压电平选择将输入AC电力转换成具有第一DC电压电平的DC电力，向DC总线提供DC电力，基于第一AC输出电压电平选择将DC电力转换成具有第一AC电压电平的AC电力，以及，向UPS系统的输出端提供AC电力。
[0011]根据一个实施例，方法还包括:接收来自用户的第二AC输出电压电平选择，基于第二AC输出电压电平选择将DC电力调整到第二DC电压电平，以及基于第二AC输出电压电平选择将AC电力调整到第二 AC电压电平。
[0012]根据另一个实施例，将DC电力调整到第二DC电压电平包括维持幅度调制比在基本恒定值。在一个实施例中，将输入AC电力转换成具有第一 DC电压电平的DC电力包括基于第一DC电压电平产生第一DC参考信号。在另一个实施例中，将输入AC电力转换成具有第一DC电压电平的DC电力包括监控DC总线上的DC总线电压电平并且产生第一 DC总线电压电平信号。
[0013]根据一个实施例，将输入AC电力转换成具有第一DC电压电平的DC电力包括基于第一 DC参考信号和第一 DC总线电压电平信号之间的差值将输入AC电力转换成具有第一 DC电压电平的DC电力。在一个实施例中，将DC电力调整到第二DC电压电平包括基于第二DC电压电平产生第二DC参考信号。在另一个实施例中，将DC电力调整到第二DC电压电平包括监控DC总线上的DC总线电压电平并且产生第二DC总线电压电平信号。在一个实施例，将DC电力调整到第二 DC电压电平包括基于第二 DC参考信号和第二 DC总线电压电平信号之间的差值将输入AC电力转换成具有第二 DC电压电平的DC电力。
[0014]根据另一个实施例，方法还包括将来自DC源的备用DC电力转换成具有第一DC电压电平和第二 DC电压电平中的一个电压电平的DC电力。
[0015]本发明的一个方面针对不间断电源(UPS)系统，所述UPS系统包括:输入端，其配置为接收输入AC电力;输出端，其配置为向负载提供输出AC电力;转换器，其耦合到输入端并且配置为将输入AC电力转换成DC电力;DC总线，其耦合到转换器并且配置为接收DC电力;逆变器，其耦合到DC总线并且配置为将来自DC总线的DC电力转换成输出AC电力以及向输出端提供输出AC电力；以及装置，其用于在维持UPS系统的幅度调制比时调整输出AC电力的AC电压电平。
[0016]附图简述
[0017]附图不旨在按比例绘制。在附图中，用相似的数字来表示在各图中示出的各个相同的或几乎相同的组件。为了清楚起见，并不是每一个组件可以被标记在每个附图中。在附图中:
[0018]图1示出根据本发明的方面的UPS系统的框图；以及
[0019]图2是根据本发明的一方面示出的用于操作UPS系统的过程的流程图。
[0020]详细描述
[0021]本文所讨论的方法和系统的示例并不将其应用限于下文描述中阐述的或者在附图中示出的组件的结构以及布置的细节。该方法和系统能以其他的实施方式实现并且能以各种方式被实践或者执行。本文提供的具体实施的示例仅用于说明性目的并不旨在限制。特别地，结合任何一个或者多个示例论述的动作、组件、元素以及特征并不旨在排除任何其他的示例中的类似作用。
[0022]另外，本文所用的措辞和术语也是出于说明的目的，不应视为具有限制性。对本文以单数形式提到的系统和方法的示例、实施例、组件、元素或者动作的任何引用，也可以包括包含复数的实施例，以及本文以复数形式对任何实施例、组件、元素或者动作的任何引用也可以包括只包含单数的实施例。以单数形式或者复数形式的引用并不旨在限制目前公开的系统或者方法、它们的组件、动作或者元素。本文使用的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”和“涉及”及其变型是指包括其后列举的项目和其等价物以及额外的项目。“或”的引用可解释为包括一切的，使得使用“或”所描述的任何项可以指示所描述的项的单个、多于一个以及全部中的任何一种。此外，在本文档和通过引用合并到本文中的文档之间的术语的使用不一致的情况下，在被合并的参考资料中的术语用法是对本文档的术语用法的补充;对于不可调和的不一致性，以本文档中的术语用法为准。
[0023]如上所述，电力设备，如不间断电源(UPS)通常用于为敏感负载和/或临界负载提供调节的、不间断的电力。一些通常的UPS允许用户选择UPS的输出电压电平。例如，在至少一个实施例中，UPS的输出电压在208Vrms到240Vrms的范围上是用户可选择的。在UPS可选的电压输出可以给用户提供更大的灵活性的同时，如果输出电压从240Vrms改变到208Vrms，通常的UPS的效率可降低百分之二。
[0024]改善UPS效率的已知的方法通常导致成本和/或空间需求的增加。例如，改善UPS效率的通常的方法包括使UPS内的主电力耗散元件(例如，如磁性组件或开关半导体器件)超大尺寸。这种方法增加成本且增大装置的物理尺寸。
[0025]本文描述的至少一些实施例提供无需增加UPS的成本或空间需求改善可变输出电压的UPS效率的系统和方法。
[0026]图1是根据本发明的一方面的在线UPS100的框图。UPS100包括输入端102、转换器104、DC总线106、逆变器108、输出端110、电池112、反馈控制器118、DC总线调压器120以及控制器117。控制器117包括输出电压选择模块114和动态DC总线参考发生器116。
[0027]输入端102耦合到转换器104 AC总线106耦合在转换器104和逆变器108之间。输出端110耦合到逆变器108 O反馈控制器118耦合到DC总线106。输出电压选择模块114耦合到逆变器和动态DC总线参考发生器116。动态DC总线参考发生器116和反馈控制器118还耦合到调压器120。调压器120还耦合到转换器104。
[0028]输入端102配置为耦合到AC主电源。UPS 100配置为基于提供到输入端102的AC电力的状态以不同的工作模式工作。当提供到输入端102的AC电力是可接受的(例如，高于输入电力阈值)时，UPS 100工作在正常的工作模式。在正常工作模式中，来自输入端102的AC电力被提供给转换器104。根据另一个实施例，转换器104为功率因数校正转换器104;然而，在其他实施例中，任何类型的转换器104可被利用。转换器104将AC电力转换成DC电力并向DC总线106提供DC电力。在一个实施例中，DC电力还从转换器104被提供到电池以为电池112充电。在正常的工作模式中，逆变器108从DC总线106接收DC电力，将DC电力转换成AC电力并且向输出端110提供AC电力。
[0029]当提供给输入端102的AC电力是不可接受的(例如，低于输入电力阈值)时，UPS100以备用的工作模式工作。在备用工作模式时，来自电池112的DC电力由转换器104调节并且被提供给DC总线106。逆变器108从DC总线106接收DC电力，将DC电力转换成AC电力并且向输出端110提供AC电力。
[0030]在正常的工作模式或备用的工作模式中，用户115可操作输出电压选择模块114以将UPS 100的输出电压设置到期望电平。例如，如果用户115操作输出电压选择模块114选择240Vrms的输出电压，那么输出电压选择模块114操作逆变器108以将来自DC总线106的DC电力转换为具有期望的240Vrms电压电平的AC电力。根据一个实施例，输出电压选择模块114包括接口 113，其允许用户选择UPS系统100的输出电压。在一个实施例中，接口 113是手动开关。在另一个实施例中，接口 113耦合到由用户115操作的外部系统，并配置为从外部系统接收选择UPS系统100所期望的输出电压的信号。还是在其他实施例中，接口 113可以是嵌入到UPS100的图形用户界面(GUI)的一部分。
[0031]输出电压选择模块114还控制动态DC总线参考发生器116以产生对应于所期望的DC总线电压电平(例如，+/-395V)的合适的DC参考信号，该合适的DC参考信号需要在输出端110产生240Vrms电压(S卩，UPS 100的所选的输出电压)。在一个实施例中，动态DC总线参考发生器116包括数字处理器。
[0032]反馈控制器118监控DC总线106上的电压，并且基于DC总线106的电压电平，产生DC总线电压电平信号。由控制器117计算的DC参考信号(来自动态DC总线参考发生器116)和DC总线电压电平信号(来自反馈控制器118)之间的差值被提供给DC总线调压器120。基于DC参考信号和当前的DC总线电压电平信号之间的差值，调压器120驱动转换器104的输出(S卩，DC总线106)到所期望的DC总线电压电平(例如，+/-395V)。
[0033]用户115可操作输出电压选择模块114以改变所期望的UPS100的输出电压。例如，在一个实施例中，用户115可操作输出电压选择模块114以将所期望的输出电压从240Vrms改变到208Vrms。输出电压选择模块114控制逆变器108以将来自DC总线106的DC电力转换成具有所期望的208Vrms电压电平的AC电力。
[0034]在标准的可变输出的UPS系统中，在UPS系统的所期望的输出电压的改变并不影响在耦合在转换器和逆变器之间的DC总线上的DC电压电平。例如，一些UPS系统配置为在DC总线上维持最大电压，而不管UPS系统的所期望的输出电压。最大DC总线电压足够维持在UPS系统的输出端的最大电压;然而，一旦UPS系统的输出电压降低，转换器继续在DC总线上产生相同(最大电平)的DC电压。当工作于可选择的电压范围的低端时，这种静态的DC总线电压可导致标准UPS系统的愈发低下的效率。
[0035]在UPS系统的低效与输出电压和DC总线电压的比率有关。这个比率被称为幅度调制比(Ma)，并且以下等式的方式表示为:
[0036]Ma = Voutpk/Vbus
[0037]其中:
[0038]Voutpk = UPS系统的峰值输出电压；以及
[0039]Vbus = DC 总线 106 的 DC 电压。
[0040]在UPS系统中的逆变器开关损耗与幅度调制比成反比。当幅度调制比减小时，逆变器开关损耗增加，导致UPS系统的效率更低。例如，在一个实施例中，UPS系统所期望的输出电压是240Vrms，以及对应的最大DC总线电压是+/-395V，幅度调制比是约百分之八十六。如果UPS系统所期望的输出电压降至208Vrms，但是DC总线电压维持在最大电平+/-395V，那么幅度调制比降到约百分之七十四，并且逆变器的开关损失变高，导致更低效率的UPS系统。
[0041]在图1中示出的UPS系统100中，输出电压选择模块114不仅操作逆变器108以将来自DC总线106的DC电力转换成具有由用户115设置的电压电平的AC电力，而且它控制转换器104以基于由用户115选择的输出电压电平动态地调整DC总线106上的电压电平。
[0042]当用户115操作输出电压选择模块114以改变UPS100所期望的输出电压(例如，从240Vrms到208Vrms)时，输出电压选择模块114控制动态DC总线参考发生器116以产生对应于在输出端110产生所调整的208Vrms电压所需的经调整的DC总线电压电平(例如，+/-342V)的合适的DC参考信号。
[0043]反馈控制器118监控在DC总线106上的电压，并且基于DC总线106的电压电平，产生DC总线电压电平信号。DC参考信号(来自动态DC总线参考发生器116)和DC总线电压电平信号(来自反馈控制器118)之间的差值被提供给DC总线调压器120。基于DC参考信号和当前的DC总线电压电平信号之间的差值，调压器120驱动转换器104的输出(S卩，DC总线106)至所调整的DC总线电压电平(例如，+/-342V)。
[0044]为了 208Vrms的UPS输出电压，在驱动DC总线电压电平下降到+/-342V时，幅度调制比维持在约百分之八十六。因此，UPS系统100的效率也维持在基本相同的水平。如果缺失DC总线电压电平调整，幅度调制比会降低，并且UPS系统100的效率响应于UPS输出电压的降低就会增加。
[0045]如上所述，通过动态地调整DC总线电压以响应于用户所选择的UPS系统的输出电压，尽管UPS输出电压电平降低，UPS系统的效率可简单且低成本地维持。
[0046]图2是根据本发明的一方面示出的用于操作UPS系统100的过程200的流程图。在框200处，UPS系统100以正常模式或备用模式工作，并且将向耦合到输出端110的负载提供具有所需电压电平(由用户115选择的)的电力。在框202处，对用户是否已经改变了UPS系统100所期望的输出电压电平进行确定。在框200处，响应于用户115还没有改变UPS系统所选择的输出电压电平的确定，UPS系统100继续向耦合到输出端110的负载提供具有所选择的电压电平的电力。
[0047]在框204处，响应于用户已经改变UPS系统100(例如，在输出电压选择模块114)所期望的输出电压电平的确定，输出电压选择模块114操作逆变器以将来自DC总线106的DC电力转换成具有由用户115设置的所选择的电压电平的AC电力。
[0048]在框206处，输出电压选择模块114还控制动态DC总线参考发生器116以产生对应于在输出端110产生所选的输出电压所需的经调整的DC总线电压电平的合适的DC参考信号。在框208处，反馈控制器118监控DC总线106上的当前的电压，并且基于DC总线106的当前的电压电平，产生DC总线电压电平信号。
[0049]在框208处，DC参考信号(来自动态DC总线参考发生器116)和DC总线电压电平信号(来自反馈控制器118)之间的差值由控制器117计算并提供给DC总线调压器120。在框212处，基于DC参考信号和当前的DC总线电压电平信号之间的差值，调压器120驱动转换器104的输出(即，DC总线106)至所调整的DC总线电压电平。在框200处，UPS系统100向耦合到输出端110的负载提供具有所期望的电压电平(由用户115选择的)的电力。
[0050]在基于由用户115选择的UPS输出电压对DC总线电压电平进行调整时，UPS系统100的幅度调制比以及UPS系统的效率可维持在基本相同的水平。如果缺失DC总线电压电平调整、UPS输出电压的减少可导致UPS系统100的效率降低。
[0051 ]如在本文中描述的，用于改善可变输出电压UPS效率的系统和方法在在线UPS系统内被利用;然而，在其他实施例中，系统和方法可以以任何其他类型的UPS系统或其他类型的电力设备(如变频器)被利用。
[0052]如在本文中描述的，UPS系统100在输入端102接收AC电力；然而，在其他的实施例中，UPS系统100可在输入端102接收DC电力，并且转换器104可将DC电力调节到适于DC总线106的电平。
[0053]如在本文中描述的，UPS系统100的输出电压电平在208Vrms和240Vrms之间变动；然而，在其他实施例中，UPS系统100的输出电压电平可被设置在任何其他合适的电平。如在本文中还描述的，DC总线电压电平在+/-342V和+/-395V之间变动;然而，在其他实施例中，DC总线电压电平可被设置在任何其他合适的电平。
[0054]本文描述的至少一些实施例提供了无需增加UPS的成本或空间需求改善可变输出电压UPS效率的系统和方法。如在本文中描述的，通过动态地调整DC总线电压以响应于用户所选择的UPS系统的输出电压，不管UPS输出电压电平的改变，UPS系统的效率可简单且低成本地维持。
[0055]在这样描述了本发明的至少一个实施例的几个方面后，应认识到，本领域中的技术人员将容易想到各种变更、修改和改善。这些变更、修改和提高旨在是本公开的一部分，且旨在本发明的精神和范围内。因此，前文的描述和附图仅仅是示例性的。
【主权项】
1.一种不间断电源(UPS)系统，所述UPS系统包括:输入端，所述输入端被配置为接收输入AC电力；输出端，所述输出端被配置为向负载提供输出AC电力；转换器，所述转换器耦合到所述输入端，并被配置为将所述输入AC电力转换为DC电力； DC总线，所述DC总线耦合到所述转换器，并被配置为接收所述DC电力；逆变器，所述逆变器耦合到所述DC总线，并被配置为将来自所述DC总线的DC电力转换 为输出AC电力，以及向所述输出端提供所述输出AC电力；以及控制器，所述控制器被配置为从用户接收输出AC的输出电压电平选择，操作所述逆变 器以基于所述输出AC的输出电压电平选择产生具有AC电压电平的所述输出AC电力，以及操 作所述转换器以基于所述输出AC的输出电压电平选择产生具有DC电压电平的所述DC电力。2.根据权利要求1所述的UPS系统，其中，在操作所述转换器产生所述DC电力时，所述控 制器还配置为操作所述转换器以对于不同的AC输出电压选择值维持在所述DC电压电平和 所述AC电压电平之间的幅度调制比。3.根据权利要求1所述的UPS系统，其中，所述控制器包括参考信号发生器，所述参考信 号发生器被配置为基于来自用户的所述输出AC的输出电压电平选择产生DC总线参考信号。4.根据权利要求3所述的UPS系统，其中，所述参考信号发生器包括数字处理器。5.根据权利要求3所述的UPS系统，还包括反馈控制器，所述反馈控制器耦合到所述DC 总线并且被配置为监控所述DC总线的DC总线电压电平以及基于所述DC总线电压电平产生 DC总线电压电平信号。6.根据权利要求5所述的UPS系统，还包括耦合到所述反馈控制器、所述参考信号发生 器和所述转换器的调压器，所述调压器被配置为基于所述DC总线参考信号和所述DC总线电 压电平信号的差值操作所述转换器以在所述DC总线上产生所述DC总线电压电平。7.根据权利要求1所述的UPS系统，其中，所述控制器包括接口，所述接口被配置为从用 户接收所述输出AC的输出电压电平选择。8.根据权利要求7所述的UPS系统，其中，所述接口包括手动开关。9.根据权利要求7所述的UPS系统，其中，所述接口被配置为从外部系统接收指示来自 用户的所述输出AC的输出电压电平选择的信号。10.—种用于操作UPS系统的方法，所述方法包括:在所述UPS系统的输入端接收输入AC电力；从用户接收第一 AC输出电压电平选择；基于所述第一 AC输出电压电平选择，将所述输入AC电力转换成具有第一 DC电压电平的 DC电力；向DC总线提供所述DC电力；基于所述第一 AC输出电压电平选择，将所述DC电力转换成具有第一 AC电压电平的AC电 力；以及向所述UPS系统的输出端提供所述AC电力。11.根据权利要求10所述的方法，还包括:从用户接收第二AC输出电压电平选择；基于所述第二AC输出电压电平选择，将所述DC电力调整成第二DC电压电平；以及基于所述第二AC输出电压电平选择，将所述AC电力调整成第二AC电压电平。12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述DC电力调整到第二DC电压电平包括将幅 度调制比维持在基本上恒定的值。13.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述输入AC电力转换成具有第一DC电压电平 的DC电力包括基于所述第一 DC电压电平产生第一 DC参考信号。14.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述输入AC电力转换成具有第一DC电压电平 的DC电力包括监控所述DC总线上的DC总线电压电平并且产生第一 DC总线电压电平信号。15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述输入AC电力转换成具有第一DC电压电平 的DC电力包括基于所述第一 DC参考信号和所述第一 DC总线电压电平信号之间的差值将所 述输入AC电力转换成具有所述第一 DC电压电平的DC电力。16.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述DC电力调整到第二DC电压电平包括基于 所述第二DC电压电平产生第二DC参考信号。17.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述DC电力调整到第二DC电压电平包括监控 所述DC总线上的DC总线电压电平并且产生第二DC总线电压电平信号。18.根据权利要求17所述的方法，其中，将所述DC电力调整到第二DC电压电平包括基于 所述第二DC参考信号和所述第二DC总线电压电平信号之间的差值将所述输入AC电力转换 成具有所述第二DC电压电平的DC电力。19.根据权利要求11所述的方法，还包括将来自DC源的备用DC电力转换成具有所述第 一 DC电压电平和所述第二DC电压电平中的一个电压电平的DC电力。20.—种不间断电源(UPS)系统，所述UPS系统包括:输入端，所述输入端被配置为接收输入AC电力；输出端，所述输出端被配置为向负载提供输出AC电力；转换器，所述转换器耦合到所述输入端，并被配置为将所述输入AC电力转换成DC电力；DC总线，所述DC总线耦合到所述转换器，并被配置为接收所述DC电力；逆变器，所述逆变器耦合到所述DC总线，并被配置为将来自所述DC总线的DC电力转换 为输出AC电力，以及向所述输出端提供所述输出AC电力；以及装置，所述装置用于在维持所述UPS系统的幅度调制比的同时调整所述输出AC电力的 AC电压电平。
【文档编号】H02J9/00GK106030975SQ201380082047
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2013年12月23日
【发明人】M·A·比格
【申请人】施耐德电气It公司