专利名称：嵌套式冗余不间断电源装置及方法
技术领域：
本发明涉及不间断电源(UPS)装置和方法，更具体地说，涉及并联冗余UPS装置和方法。
背景技术：
多种不同的技术已被用于改善不间断电源系统的可靠性。这些技术包括备用冗余、串联冗余以及并联冗余方法。典型的备用冗余UPS结构包括运行在备用基础上的、不带负载或只带部分负载的、一个或一个以上的UPS单元，其能够通过负载的转接来立即代替故障UPS单元工作。典型的串联冗余布置包含以串联方式连接的第一和第二UPS，其中，在第一运行模式下，第一UPS被旁路而第二UPS用于带负载，在第二运行模式下，第二UPS被旁路而第一UPS用于带负载，这样，第一和第二UPS可相互作为对方的备用后备(standby backup)。
在典型的并联冗余布置中，多个不间断电源(UPS)被并联耦合到负载，以便提供冗余以及通常提供增加的负载容量。AC电源(例如UPS)的并联冗余布置已在例如Tassitino，Jr.等人的美国专利No.5,745,357，Tassitino，Jr.等人的美国专利No.6,549,440，Luo等人的美国专利No.6,803,679，Wallace等人的美国专利No.6,118,680，Hase的美国专利No.4,104,539，Wang等人的美国专利公开No.2005/0162792，以及Luo等人的美国专利公开No.2005/0073783中进行了描述。
发明内容
在本发明的一些实施例中，不间断电源(UPS)系统包括被配置为并联连接到共有负载的至少三个UPS。该系统还包括控制电路，该电路被配置为支持UPS中的至少两个冗余组以及支持至少一个UPS冗余组中的至少两个冗余子组。通过这种方式，可以提供“嵌套式(nested)”冗余。
在一些实施例中，控制电路被配置为当所述至少一个冗余组的负荷(loading)小于预定等级时提供所述至少两个冗余子组。控制电路可被配置为当冗余组的负荷小于预定等级时允许有选择地启用和停用冗余组中的UPS，以及当冗余组的负荷大于预定等级时要求集中启用和停用冗余组中的UPS。
在本发明进一步的实施例中，UPS冗余组中相应的各个包括相应的UPS组件，每个UPS组件包括多个UPS模块和控制电路。该控制电路被配置为通过第一数字通信总线与所述多个UPS模块进行通信以及通过第二数字通信总线与另一UPS组件的控制电路进行通信。控制电路可包括第一和第二数字通信总线之间的网络桥。各UPS组件可还包括旁路电路，UPS组件中的控制电路可被配置为控制旁路电路以便对UPS组件中的UPS模块进行旁路。UPS模块的控制电路和UPS模块可被安装在共有框架内和/或安装在共有框架上。
本发明进一步的实施例提供了一种UPS组件，该UPS组件包括框架；安装在该框架内和/或该框架上的多个UPS模块；被耦合到各UPS模块的第一数字通信总线；安装在该框架内和/或框架上的控制电路，该控制电路被耦合到第一数字通信总线并被配置为被耦合到第二数字通信总线。控制电路可将AC波形同步信息通过第一数字通信总线传达到UPS模块以及通过第二数字通信总线传达到另一UPS组件。交流波形同步信息可包括频率和相位误差信息。控制电路可被配置为当UPS组件与另一UPS组件并联连接到负载时，使该UPS组件作为另一UPS组件的冗余备用运行，并在其多个UPS模块中提供至少两个冗余子组。
在一些实施例中，控制电路可被配置为当该UPS组件的负荷小于预定等级时提供所述至少两个冗余子组。控制电路可被配置为当UPS组件的负荷小于预定等级时允许有选择地启用和停用UPS模块，当UPS组件的负荷大于预定等级时要求集中启用和停用UPS模块。UPS组件可还包括安装在框架内和/或框架上的旁路电路，且控制电路可被配置为控制旁路电路以便对所述多个UPS模块进行旁路。控制电路可包括第一和第二数字通信总线之间的网络桥。
本发明另外的实施例提供了运行不间断电源(UPS)系统的方法。至少三个UPS并联连接到共有负载。对所述至少三个UPS进行控制，以便支持UPS中的至少两个冗余组，以及进一步支持至少一个UPS冗余组中的至少两个冗余子组。对所述至少三个UPS进行控制以便支持UPS中的至少两个冗余组以及进一步支持至少一个UPS冗余组中的至少两个冗余子组可包括当所述至少一个冗余组的负荷小于预定等级时，提供所述至少两个冗余子组。例如，当所述至少一个冗余组的负荷小于预定等级时，可允许有选择地启用与停用所述至少一个冗余组中的UPS，当所述至少一个冗余组的负荷大于预定等级时，可要求集中启用与停用所述至少一个冗余组中的UPS。UPS冗余组中相应的各个可包括相应的UPS组件，每个UPS组件包括多个UPS模块和控制电路，该控制电路被配置为与该UPS组件的UPS模块以及与另一UPS组件的控制电路进行通信。
图1示出了根据本发明某些实施例的嵌套式冗余UPS系统及其运行；图2示出了根据本发明进一步的实施例的、使用模块化UPS组件的嵌套式冗余UPS系统及其运行；图3和4示出了模块化UPS组件，其可用于根据本发明附加实施例的嵌套式冗余UPS系统；图5和6示出了根据本发明某些实施例的模块化UPS组件的通信运行；图7和8示出了根据本发明进一步的实施例的、典型的UPS模块同步控制结构；图9为一流程图，其示出了用于根据本发明进一步的实施例的UPS系统嵌套冗余运行的操作。
具体实施例方式
现在将参照所附图介绍本发明的具体典型实施例。然而，本发明可以用多种不同的形式实现且不应被解释为限于这里提出的实施例；相反，提供这些实施例以便使公开彻底、完全，并向本领域人员充分传达本发明的范围。对附图所示特定典型实施例的详细介绍中使用的术语并非对本发明的限制。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
这里所用的单数形式“一”、“一个”和“该”同样包括复数形式，除非明确地另有说明。将会进一步明了，本说明书中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有”指存在所述特征、整体(integer)、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或一个以上的其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。将会明了，当一元件被称为“被连接”或“被耦合”到另一元件时，其可以被直接连接或耦合到另一元件，或者，可存在介于其间的元件。另外，这里所用的“被连接”或“被耦合”可以包括无线连接或耦合。这里所用的术语“和/或”包括一个或一个以上相关所列项目的任意以及所有组合。
除非另有定义，否则，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均与本发明所属领域普通技术人员通常所理解的具有相同的含义。将会进一步明了，那些例如在常用词典中定义了的术语应被解释为具有与其在相关领域背景中含义一致的含义，且不应被理想化地或过于拘泥形式地解释，除非文中明确地这样限定。
本发明的某些实施例来自这样的认识通过使用嵌套式冗余布置的UPS，可实现UPS系统中的改进的可靠性。在某些实施例中，对多个并联连接的UPS进行控制，以便提供至少两个UPS冗余组，在这些冗余组的至少一个中，提供至少两个UPS冗余子组。这样的方法在模块化UPS配置中特别有利。可通过例如使用模块化UPS组件来实现嵌套式冗余结构以支持嵌套式冗余，其中，模块化UPS组件包括相应的多个UPS模块以及相应的控制电路，控制电路对UPS模块进行控制以及彼此进行通信。
图1示出了根据本发明某些实施例的UPS系统100。系统100包括并联连接到负载20的多个UPS 112a、112b、112c、112d。如图所示，UPS 112a、112b、112c、112d为“在线式(on-line)”UPS，但应明了，在本发明的某些实施例中，也可以使用“备用式(standby)”、“在线互动式(lineinteractive)”或其它结构。对UPS 112a、112b、112c、112d进行控制以提供第一和第二冗余组110a、110b，例如，第二组110b可作为第一组110a的后备(和/或反之亦然)，使得组110a、110b中的一个组能在组110a、110b中的另一个故障时继续带负载20。将会明了，这种冗余运行可能被限制在一定的运行空间(operational envelope)，例如，冗余可能被限制于负载20小于UPS组110a、110b中单独一组的容量的情况，并且，当超出该容量时，UPS组110a、110b可能会被例如集中停用和/或旁路。
在至少一组110a中，存在进一步限定的冗余子组111a、111b，第一子组111a包括两个UPS 112a、112b，第二子组111b包括两个UPS 112c、112d。在组110a中，例如，第一子组111a可用于第二子组111b的备用运行，和/或反之亦然。
将会明了，出于说明目的而提供组110a、110b和子组111a、111b，本发明的其它实施例中可使用其它的冗余组划分以及子组划分。例如，在某些实施例中，可在所有冗余组中或仅在冗余组的子集中提供冗余子组。在某些实施例中，可提供额外的冗余组，以便为组110a，110b提供后备，这些额外的组中可包含或者可不包含冗余子组划分。根据进一步的实施例，可提供更高等级的嵌套式冗余，例如，UPS 112a、112b、112c、112d中的一些或全部可实际上包括多个并联连接的UPS，这些UPS被布置为提供其中的冗余子组。还可提供其它冗余，例如，UPS 112a、112b、112c、112d中的一些或全部可包括例如冗余整流器或逆变器等冗余部件。在更进一步的实施例中，可取决于例如特定UPS的负荷和/或处理(例如由于维修或其它事件的可用性)动态地重新限定冗余组和/或子组。
图2示出了根据本发明进一步的实施例的、具有模块化结构的UPS系统200。以相应的UPS组件210a、210b的形式提供第一与第二UPS冗余组。UPS组件210a、210b包括相应的多个UPS模块214，所述多个UPS模块214并联连接到负载20并与相应的控制电路212进行通信。控制电路212还被配置为彼此进行通信。根据本发明的实施例，控制电路212和UPS模块214支持UPS组件210a、210b的冗余运行，使得其中的多个UPS模块214作为相应的UPS冗余组工作，例如，UPS组件210b中UPS模块214的组可作为这样的组其为UPS组件210a中UPS模块214的组提供备用。在UPS组件210a、210b中的一个或二者中，在其UPS模块214中提供内部冗余。例如，如图所示，UPS组件中的模块214和控制电路212可被配置为在UPS组件中提供冗余子组211a、211b。
使用控制电路212和UPS模块214之间的通信可实现这样的嵌套式冗余。例如，在某些实施例中，第一UPS组件210a中的各UPS模块214可向与其相关联的控制电路212传递状态信息。例如，这些状态信息可指示UPS模块214中是否即将发生故障以及涉及UPS模块214当前所带负载的信息。对这些信息做出响应，控制电路212可判断是否允许有选择地停用UPS模块214、使得UPS组件210a中的其它UPS模块214可继续带负载20。例如，如下面参照图7详细阐释的那样，如果UPS组件210a的负荷低于某一阈值，可以使UPS组件210a中的其它UPS模块214继续为负载供电。然而，如果UPS组件210a的负荷太高以至于剩余可供使用的(operational)UPS模块214不具有足够的容量来带负载20，则控制电路212的控制法则将要求集中停用UPS组件210a中的全部UPS模块214。
控制电路210可进一步将该信息传递到其它UPS组件，以便使它们采取协同的动作。例如，对从第一UPS组件210a接收到这种信息做出响应，如果第二UPS组件210b的控制电路212判定为第一UPS组件210a一旦完全离线则其不能带负载20，第二UPS组件210b的控制电路212的控制法则将同样要求集中停用所有其当前可供使用的UPS模块214。这种选择将进一步地被传送给第一UPS组件212的控制电路212和/或可能被连接到负载20的其它UPS组件(未示出)，以便使它们采取进一步的动作。例如，如果足够数量的UPS组件不能带负载20，它们可被集中旁路，使得AC市电或其它电源被直接连接到负载20。
图3示出了根据本发明某些实施例的UPS组件300的典型结构，其可根据上文参照图2所介绍的思路用于UPS系统。UPS模块310包括整流器312，整流器312被配置为经由第一开关(例如接触器或继电器)316接收AC输入。逆变器313被DC母线315耦合到整流器312。逆变器313的输出可经由第二开关317与负载(图3中未示出)连接或从负载断开。DC-DC转换器314也被耦合到DC母线315并被配置为被连接到电池(未示出)。当整流器312的输入端没有AC电力时，DC-DC转换器314使得电池能向DC母线315提供DC电力。DC-DC转换器314同样可允许电池从DC母线315充电。控制电路311被配置为对整流器312、逆变器313、DC-DC转换器314和开关316、316进行控制。控制电路311包括被耦合到数字通信总线330的数字通信接口，在这里被示为控制器局域网(CAN)接口311a。
CAN总线330还被耦合到UPS组件300的I/O与旁路模块320的控制电路322的CAN接口322a。I/O与旁路模块320还包括旁路开关326，旁路开关326被配置为对来自控制电路322的控制信号做出响应地对UPS模块310进行旁路。I/O及旁路模块320还包括在内部通信总线330与外部总线340之间提供通信的CAN桥324。经由CAN桥324和外部总线340，可与其它UPS组件交换信息。
图4示出了模块化UPS组件300′的典型实施方式，组件300′具有根据图3所示UPS组件300的思路的结构。在所示出的实施例中，三个UPS模块310′以及I/O与旁路模块320′被安装在共有框架内和/或安装在共有框架上，共有框架在这里被示为柜子410。应当明了，图4所示的结构适于例如容量相对较大的UPS系统，本发明其它实施例中可使用包括数量更多或数量更少的UPS模块在内的其它形状因素。
图5和6示出了可用于图3的模块化UPS组件300中的典型信号传输。I/O与旁路模块320的控制电路322可通过内部CAN总线330向UPS模块310传送波形同步信息和启用/停用命令。该信息还可经由CAN桥324被传送到UPS组件300外部的另一UPS组件。参照图6，UPS模块310可通过内部CAN总线330向控制电路322传送波形同步信息和状态信息。在本发明的其它实施例中，可在无需这种显式的信号传输的情况下实现同步，例如，通过使用根据Tracy等人的美国专利No.5,745,355和Tassitino，Jr.等人的美国专利No.5,745,356中介绍的思路的技术，上述各专利的内容整体并入此处作为参考。
根据本发明的一些实施例，波形同步信息可包括频率和相位误差信息，这些信息可被模块310用来同步其逆变器313的运行。例如，参照图7，被传送到UPS模块——例如图3中的UPS模块310——的控制电路的同步信息可包括被传递到锁相环控制器710的目标频率和相位误差，锁相环控制器710产生用于模块的逆变器驱动器730的基准信号。如图所示，为了均衡模块间的负载份额，锁相环补偿可由负载份额控制器720增大，其中，根据例如Tassitino等人的美国专利No.6,549,440中介绍的思路，负载份额控制器720对模块的电力输出的量度做出响应地运行，上述专利所公开的内容整体并入此处作为参考。如图8所示，在一些实施例中，图7所示的锁相环和负载份额控制功能可在AC波形基准发生器810中实现，AC波形基准发生器810产生用于逆变器驱动器820的AC波形基准信号。
图9示出了根据本发明进一步实施例的UPS组件的嵌套式冗余运行的典型UPS操作。负载由至少两个并联的UPS组件——例如图3和4中的组件300、300′那样的模块化UPS组件——供电(程序块910)。在检测到UPS组件的第一个中的UPS模块发生故障时(程序块920)，第一UPS组件的控制电路判断负荷等级是否允许组件内部的冗余，即是否允许该组件中剩余的有效UPS模块继续供给负载(程序块930)。如果负载足够低，控制电路可停用故障的模块，并允许剩余的模块继续驱动负载(程序块940)，因此提供了组件内部的冗余。将会明了，在UPS组件的第二个中，第二模块可能出现故障，这将导致在不需要改变第一UPS组件的运行的情况下停用第二模块。然而，如果存在容量不足，则控制电路集中停用组件中的所有模块，并向另一组件发信号以通知其这种集中关断(程序块950)。在本发明进一步的实施例中，可执行其它操作。例如，在一些实施例中，可对特定模块的关断或其它不可用性做出响应地进行冗余组和/或子组的动态重新限定。
在附图及说明书中已公开了本发明的典型实施例。尽管使用了特定术语，但这些术语均只用于一般性和说明性意义，并不是出于限制目的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种不间断电源(UPS)系统，该系统包括至少三个UPS(214)，其被配置为并联连接到共有负载；以及控制电路(212)，其被配置为支持所述UPS中的至少两个冗余组(210a，210b)以及支持至少一个所述UPS冗余组中的至少两个冗余子组(211a，211b)。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制电路被配置为当所述至少一个冗余组的负荷小于预定等级时提供所述至少两个冗余子组。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述控制电路被配置为当所述冗余组的所述负荷小于所述预定等级时允许有选择地启用与停用所述冗余组中的UPS，以及当所述冗余组的所述负荷大于所述预定等级时要求集中启用与停用所述冗余组中的所述UPS。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述UPS冗余组中相应的各个包括相应的UPS组件，各个UPS组件包括多个UPS模块和控制电路，该控制电路被配置为通过第一数字通信总线与所述多个UPS模块进行通信以及通过第二数字通信总线与另一UPS组件的控制电路进行通信。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述控制电路包括所述第一与第二数字通信总线之间的网络桥。
6.如权利要求4所述的系统，其中，各个UPS组件还包括旁路电路(326)，且其中，所述UPS组件中的所述控制电路被配置为控制所述旁路电路以便对所述UPS组件中的所述UPS模块进行旁路。
7.如权利要求4所述的系统，其中，UPS组件的所述多个UPS模块和所述控制电路被安装在共有框架(410)内和/或安装在共有框架(410)上。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述UPS组件还包括安装在所述共有框架内和/或所述共有框架上的旁路电路，且其中，所述控制电路被配置为控制所述旁路电路以便对所述UPS模块进行旁路。
9.一种UPS组件，该组件包括框架(140)；多个UPS模块(310，310′)，其被安装在所述框架内和/或所述框架上；第一数字通信总线(330)，其被耦合到各个所述UPS模块；以及控制电路(322)，其被安装在所述框架内和/或所述框架上，被耦合到所述第一数字通信总线并被配置为被耦合到第二数字通信总线(340)，所述控制电路可将AC波形同步信息通过所述第一数字通信总线传送到所述UPS模块以及通过所述第二数字通信总线传送到另一UPS组件。
10.如权利要求9所述的UPS组件，其中，AC波形同步信息包括频率与相位误差信息。
11.如权利要求1所述的UPS组件，其中，所述控制电路被配置为当所述UPS组件与另一UPS并联连接到负载时，将所述UPS组件运行为所述另一UPS组件的冗余备用并在其多个UPS模块中提供至少两个冗余子组。
12.如权利要求11所述的UPS组件，其中，当所述UPS组件的负荷小于预定等级时，所述控制电路提供所述至少两个冗余子组。
13.如权利要求12所述的UPS系统，其中，所述控制电路被配置为当所述UPS组件的所述负荷小于所述预定等级时，允许有选择地启用与停用所述UPS模块，当所述UPS组件的所述负荷大于所述预定等级时，要求集中启用与停用所述UPS模块。
14.如权利要求9所述的UPS组件，其还包括安装在所述框架内和/或所述框架上的旁路电路，且其中，所述控制电路被配置为控制所述旁路电路以便对所述多个UPS模块进行旁路。
15.如权利要求9所述的UPS组件，其中，所述控制电路包括所述第一和第二数字通信总线之间的网络桥。
16.如权利要求9所述的UPS组件，其中，所述第一数字通信总线包括控制器局域网(CAN)总线。
17.一种操作不间断电源(UPS)系统的方法，该方法包括将至少三个UPS(214)并联连接到共有负载；以及对所述至少三个UPS进行控制，以便支持所述UPS中的至少两个冗余组(210a，210b)以及支持至少一个所述UPS冗余组中的至少两个冗余子组(211a，211b)。
18.如权利要求17所述的方法，其中，对所述至少三个UPS进行控制以便支持所述UPS中的至少两个冗余组以及支持至少一个所述UPS冗余组中的至少两个冗余子组包括当所述至少一个冗余组的负荷小于预定等级时，提供所述至少两个冗余子组。
19.如权利要求18所述的方法，其中，当所述至少一个冗余组的负荷小于预定等级时提供所述至少两个冗余子组包括当所述至少一个冗余组的所述负荷小于所述预定等级时，允许有选择地启用与停用所述至少一个冗余组内的UPS，当所述至少一个冗余组的所述负荷大于所述预定等级时，要求集中启用与停用所述至少一个冗余组中的所述UPS。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述UPS冗余组中相应的各个包括相应的UPS组件，各个UPS组件包括多个UPS模块和控制电路，该控制电路被配置为与所述UPS组件的所述UPS模块以及另一UPS组件的控制电路进行通信。
21.如权利要求18所述的方法，其中，UPS组件的所述UPS模块和所述控制电路被安装在共有框架内和/或共有框架上。
全文摘要
不间断电源(UPS)系统包括至少三个UPS(214)，UPS(214)被配置为并联连接到共有负载。该系统还包括控制电路(212)，控制电路(212)被配置为支持UPS中的至少两个冗余组(210a，210b)以及支持至少一个UPS冗余组中的至少两个冗余子组(211a，211b)。通过这种方式，可提供嵌套式冗余。
文档编号H02J7/00GK101060256SQ20071010069
公开日2007年10月24日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月10日
发明者J·G·特蕾西, F·小塔斯蒂诺 申请人:伊顿动力品质公司