专利名称：一种级联式在线不间断电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种级联式在线不间断电源。
背景技术：
不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)可以在停电、电压波动的情况下持续稳定地为负载输出合格电能。因此，不间断电源十分适合用来保护医院、国防基础设施、服务器机房以及大多数制造业的关键负载。除了保护负载外，不间断电源还可以实现无功补偿和谐波的隔离，从而可以提高供电质量。不间断电源大体可以分为离线式、在线互动式和在线式。他们对于负载的保护效果不同，离线式最差，在线式最优。对于离线式UPS,它不与负载直接相连，只用来做备用。只有在发生故障，输入线路断开时，它才为负载供电。因此，对于离线式UPS，最重要的性能是它快速判断线路故障和迅速切换的能力。切换过程中的延时一般是不可避免的，而且降低延时往往会提高成本。但是由于具有其它两种形式无法与之相比的低损耗，离线式UPS仍然得到了广泛应用。和离线式UPS不同，在线交互式UPS通常和负载直接相连。但负载并不是只与它相连，同时还连接到了输入线路。在正常的运行情况下，负载从输入线路获得能量，同时UPS 补偿线路的扰动。在检测到故障时，负载从输入线路断开，只与UPS相连并获取电能。因此， 在线交互式UPS的优点是功率变换的级数少，切换时间短。然而，由于负载和输入线路直接相连，在电源的切换期间会使输入线路上的故障影响到负载。因此，如果在负载供电可靠性方面的要求非常高，在线交互式UPS就不是一个最佳的选择，此时便需要使用在线式UPS。在线式UPS可以给负载提供最好的保护，而且切换时间几乎为零。由于在输入线路和负载之间没有直接的电气联系，在线式UPS不会使负载遭受线路故障的影响。它的工作原理如下UPS首先将输入电路中的交流电整流为直流，再将其逆变为交流电供应负载， 而负载直接从UPS中得到能量。在整流和逆变电路之间存在着直流环节，如果负载的功耗在最大的系统容量以下，电能可以存储到电池等存储介质中。当故障发生时，整流输入部分停止工作，改由电池经逆变器向负载供电。很明显，在线式UPS是最为可靠的，但它的成本较高。另外，在线路供电正常时它需要进行两级功率变换，必然会降低整个系统的效率。在线式UPS即使可以尽量提高其效率，也无法提高到前两种UPS的水平。因此，在保证供电可靠性的基础上，在其他方面提高在线式UPS的性能具有更重要的意义。在线式UPS拓扑如图1所示。整流器和逆变器背靠背地分布，电能存储单元放置在这两者之间的直流环节中。为了实现最好的保护，往往需要配置变压器进行隔离。变压器可以放置于输入端，或者根据实际的需要在输入端和输出端同时放置。对于具体的整流器和逆变器的拓扑可以有多种选择，但是如果目的是提高系统冗余和波形质量，那么使用单相H-桥组成多级变换器是传统上的最佳选择，其基本结构如图2。如果要获得更大的输出电压，在不增加单个开关所承受的电压应力的情况下，采用级联方式是一种很好的方法。传统H桥的级联结构如图3。在传统H桥的级联模式中，在整流侧，通过变压器绕组实现多个整流器的并联，而在逆变侧则采用级联结构。在级联结构中，两个H桥背靠背连接构成一个基本单元，通过图3的方式进行连接。通过这种连接形式，系统输出的总电压被各个单元分担，而在每个单元内部，其半导体开关所承受的电压只取决于单元内直流链的电压，因而每个开关所承受的电压小。由于其输出的电平较多，输出波形形成阶梯波，减少了谐波含量， 提高了波形质量。从而不必以提高开关频率，增大开关损耗为代价来提高输出质量。但是对于传统的级联式结构，每个基本单元由8个半导体开关构成，级联的单元越多，电路的复杂程度和成本问题就越突出。
发明内容
本发明的目的就是为在保证供电可靠性的基础上降低UPS的成本，提供一种级联式在线不间断电源，在使用传统级联方法的情况下，改变了基本单元的结构，提高了系统可靠性并降低了成本。一种级联式在线不间断电源，它包括多个基本单元，基本单元级联构成单相或三相级联式在线不间断电源；其中，基本单元包括开关Si、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5 和开关S6组成的两个H桥电路；其中，开关Si、开关S2、开关S4、S开关S5为Hl桥电路，开关S2、开关S3、开关S5和开关S6作为H2桥电路；开关S2、开关S5为Hl桥电路和H2桥电路公用；开关Si、开关S2间以及开关S4、开关S5间分别与引线ACl+和引线ACl-连接，引线ACl+和引线ACl-作为输入或输出端ACl ；开关S2、开关S3间以及开关S5和开关S6间分别与引线AC2+和引线AC2-连接，引线AC2+和引线AC2-作为输出端或输入端AC2 ；通过对开关S2、开关S5进行控制，Hl桥电路和H2桥电路自由配置为整流电路或逆变电路。所述开关Si、开关S2、开关S3串联，所述开关S4、开关S5和开关S6串联。所述开关Si、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6为全控型半导体开关。所述三相级联式在线不间断电源中，各基本单元采用三角形接法或星型接法。本发明的基本单元将两个背靠背排布的H桥变为一个由6个开关组成的单元，取代传统的8个开关。通过比较图2与图4，新的基本单元节省了 2个开关。这样，一个单元中原本分离的整流和逆变两个电路组合在了一起，每桥臂中间开关S2或S5在功能上既是上半部分接口 ACl+或ACl-的开关又是下半部分接口 AC2+或AC2-的开关。只要合理的进行控制，这个开关完全可以起到两个开关的效果。由两个桥臂组成的基本单元具有两组单相交流接口，分别为AC1、AC2。AC1、AC2既可以为整流输入端也可以为逆变输出端，即新型基本单元中Hl和H2可以自由配置为整流电路或逆变电路。这种新结构可以与输入侧隔离变压器、基本级联单元、输出滤波器、旁路线，输出侧隔离变压器(可以没有)组合。输入侧的隔离变压器副边具有多个相同的但是相互隔离的绕组。在一个基本单元中，有两个桥臂，每个桥臂各有三个全控型半导体开关串联而成。 在两个开关之间，如Sl与S2，S2与S3之间分别有一个输入或输出端。上面一组端子ACl 与下面一组端子AC2可以任意配置为输入端或输出端，只要同一组的两端子的输入和输出功能一致。下面以上面一组端子ACl作为整流的输入端，下面一组端子AC2作为逆变的输出端为例说明。两个桥臂都跨接在直流链上，直流链连接着能量存储单元，一般为蓄电池。输入侧隔离变压器一个副边绕组与AC1+、ACl-相连，经过基本单元的整流，变压器输入的交流电被整流成为直流电，当输入功率大于输出功率，电能有一部分存储到电池中，另一部分电能经基本单元逆变为级联逆变器需要的电平信号从AC2+、AC2-端与其他基本单元的 AC2+、AC2-端级联。级联的方法如图5所示。在级联结构中的某一单元m的AC2-输出端与单元m+1的AC2+输出端连接。最靠近ACBUS+的单元1的AC2+端与ACBUS+相连，最靠近ACBUS-的单元η的ACl-与ACBUS-相连。ACBUS+与ACBUS-与输出滤波器相连。经过滤波器，UPS的输出电压连接到负载。同样的，如果配置上面一组端子AC1+、ACl-作为逆变的输出端，下面一组端子 AC2+、AC2-作为整流的输入端，其输入侧并联以及输出侧级联方法都不改变，只需将端子做相应的代换。另外，由于各个单元间的相对独立性，级联的不同单元间采用不同的输入、输出端子的配置完全不影响整体性能。以上是单相应用的情况，在三相应用中，可以视情况将以上方式级联的各相连接为三角形或星型。以三角形接法为例，如图6，各相的ACBUS-连在一起，abc三相的ACBUS+ 则分别与a，b，c三相的输出端相连。本发明的有益效果是和传统的级联式在线UPS的基本单元的拓扑结构相比，它具有以下优点1.更大的系统冗余在外部电源故障，采用电池供电时，整个基本单元的6个开关都可以作为逆变桥的开关，多于传统的四个开关，这使得每个基本单元拥有了 2个开关的冗余，可以在其他开关故障时使系统仍可以正常工作。
2.减少25%的半导体开关器件数量，可以提高系统可靠性并降低成本。3.和其它用来减少UPS半导体开关器件数量的方法不同，本专利所设计的级联式在线UPS不会有任何明显的性能上的下降。
图1为在线式UPS结构。图2为传统级联式在线UPS的基本级联单元。图3为传统级联式在线UPS的级联结构图。图4为本发明中级联式在线UPS的基本单元。图5为使用本发明设计的基本单元的单相级联结构图。图6为三相系统星形接线示意图。图7为本发明基本单元的PWM调制方法示意。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。图4中每个桥臂分别有三种开关状态，以Si，S2，S3所在桥臂为例。其开关状态与输出端连接关系如表1。表 1开关状态[ACT+AC2+ ~
51= S2 = ON, S3 = OF DC+DC+
52= S3 = ON, Sl = OF DC-DC^ Sl = S3 = ON, S2 = OF DC+DC^电池等存储介质有正负电极，相应的正极连接有正直流母线DC+，负极连接有负直流母线DC-。三种状态中端口 ACl+和端口 AC2+可以同时被连接到正直流母线DC+和负直流母线DC-，或者端口 ACl+连接到正直流母线DC+、端口 AC2+连接到负直流母线DC-。然而我们不能将ACl+连接到负直流母线DC-的同时，将AC2+连接到正直流母线DC+，因为若要实现这一状态需将同一桥臂的三个开关同时开通，显然这是被禁止的，因为这意味着将直流母线DC+与DC-直接短路。这一规律同样可以应用于另一个三个开关的桥臂中。实际中 UPS的运行并不需要这种被禁止的状态，而且采用如下的调制方法时，可以实现相应功能而不会产生这种状态只需要将上部端口 ACl+的调制参考波形置于下部端口 AC2+的调制参考波形以上。如图7上半部分所示，上部端口参考波形向载波的上边界偏移了 dl和下部端口的参考信号则向下边界偏移了 d2。这种偏移能够使参考波间随移相指令水平移动的空间更大，且能保证参考波不会交叉。通过对实验结果的分析，被禁止的开关状态在这种调制方法中不会出现，但输出质量没有受到影响。和一般的H桥调制原则一样，两个桥臂上的参考波相位应相差180度，结合以上参考波的排布规则，可以应用到另一个桥臂中的调制过程中，如图7下半部，其参考波波峰和波谷同图7上部相应区域正好相反，而且相应地都升高或降低相同的量dl和d2。较高的参考波表示对第二个桥臂端口 ACl-的控制，较低的参考波表示对端口 AC2-的控制。因为两个桥臂上部端口参考信号向上的偏移量dl相等，可以抵消，故ACl+和 ACl-之间的输入参考波便是两个相位偏移了 180°的参考波的差值。这同样适用于下部端口 AC2+ 和 AC2-。另外，在控制中必须限制同一桥臂上的两个参考波的相位差。在固定的直流偏置下，两个参考波所允许的相位差是有限制的，一旦超过这个限制，参考波形就会交叉，这会造成严重的故障，如出现禁止的开关状态等。但是这种相位偏移量的限制不会影响在线式 UPS的运行，注意图1所示的旁路开关。这个开关在正常情况下是断开的，只有在UPS需要因保养、维修或其他原因被隔离开时才闭合。为了达到快速且顺利的启动，开关两端的电压必须相等，这意味UPS的输入和输出端的电压参考波形必须较为接近，更确切地说，为保证输出侧与输入侧具有相同的电压幅值相位以及 频率，必须补偿输入和输出滤波电感之间电压的跌落和相位的延迟，输出端参考波会稍微超前一点。但这种超前很小因而不需要过大的相位差。从而意味着参考波不会超出相位偏移的限制。因此，相位差的限制不会影响UPS 的运行。以上阐述了一个基本单元的具体实施方式
，在各个单元级联后，每相中含η个基本单元。与传统的H桥拓扑级联式的调制策略相同，η个单元所用的调制载波相位需要互相偏移180° /n以消除谐波。具体而言即第m+1个单元的三角载波其相位与第m个单元需相差180° /n，可以是超前也可以是滞后，但同一相上各个单元之间的超前或滞后的关系
要保持一致。
综上，本发明设计的UPS因为减少了 25%的开关而产生的种种限制都不会对UPS 的性能产生影响。
权利要求
1.一种级联式在线不间断电源，其特征是，它包括多个基本单元，基本单元级联构成单相或三相级联式在线不间断电源；其中，基本单元包括开关Si、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6组成的两个H桥电路；其中，开关Si、开关S2、开关S4、S开关S5为Hl桥电路，开关S2、开关S3、开关S5和开关S6作为H2桥电路；开关S2、开关S5为Hl桥电路和 H2桥电路公用；开关Si、开关S2间以及开关S4、开关S5间分别与引线ACl+和引线ACl-连接，引线ACl+和引线ACl-作为输入或输出端ACl ；开关S2、开关S3间以及开关S5和开关 S6间分别与引线AC2+和引线AC2-连接，引线AC2+和引线AC2-作为输出端或输入端AC2 ； 通过对开关S2、开关S5进行控制，Hl桥电路和H2桥电路自由配置为整流电路或逆变电路。
2.如权利要求1所述的级联式在线不间断电源，其特征是，所述开关Si、开关S2、开关 S3串联，所述开关S4、开关S5和开关S6串联。
3.如权利要求1或2所述的级联式在线不间断电源，其特征是，所述开关Si、开关S2、 开关S3、开关S4、开关S5和开关S6为全控型半导体开关。
4.如权利要求1、2或3所述的级联式在线不间断电源，其特征是，所述三相级联式在线不间断电源中，各基本单元采用三角形接法或星型接法。
全文摘要
本发明一种级联式在线不间断电源，在使用传统级联方法的情况下，改变了基本单元的结构，提高了系统可靠性并降低了成本。它包括多个基本单元，基本单元级联构成单相或三相级联式在线不间断电源；其中，基本单元包括开关S1、开关S2、开关S4、S开关S5为H1桥电路，开关S2、开关S3、开关S5和开关S6作为H2桥电路；开关S2、开关S5为H1桥电路和H2桥电路公用；开关S1、开关S2间以及开关S4、开关S5间分别与引线AC1+和引线AC1-连接，引线AC1+和引线AC1-作为输入或输出端AC1；开关S2、开关S3间以及开关S5和开关S6间分别与引线AC2+和引线AC2-连接，引线AC2+和引线AC2-作为输出端或输入端AC2；通过对开关S2、开关S5进行控制，H1桥电路和H2桥电路自由配置为整流电路或逆变电路。
文档编号H02J7/00GK102222948SQ201110154179
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者卢保聪, 高峰 申请人:卢保聪, 高峰