专利名称：谐波再利用型后备式不间断电源系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力电子技术、不间断电源技术和无源滤波技术领域，尤其涉及一种交流不间断电源系统和直流电源系统。
技术背景 现在的不间断电源系统和机房网络系统均无法回避谐波污染事实。这些污染系统和设备的谐波有的来自于网络(称为“网络谐波”)，有的来自于负载(称为“负载谐波”)，而负载谐波中发源于整流或逆变环节的谐波可称之为有源谐波。为了保证终端网络中特别重要负载的用电可靠性，不但需要配置各种类型的不间断电源，而且需要对终端网络的有害谐波(可称之为“目标谐波”)进行治理。现代科学治理谐波主要采用“消除”和“抑制”两种方法使设备在工作过程中少释放谐波(如某些UPS产品的整流和逆变全部采用脉宽调制技术降低谐波)或不释放谐波(如“智能型快速应急电源系统”不释放谐波)即为抑制谐波；而采用无源滤波器滤除网络内目标谐波和通过有源滤波器制造出新的谐波来对消目标谐波(两种对消谐波大小相等、方向相反)即为消除谐波。在国内外的各种机房和供电系统中配置的不间断电源实例中，有的为了降低自身释放的谐波，在整流和逆变环节采用脉宽调制技术，全脉宽调制型UPS主接线图如图I所示；有的为了消除自身释放的有源谐波，需要配套安装有源滤波装置，原理如图2所示；有的在系统输入端或负载侧并联无源滤波器(简称“并联滤波”)，将目标谐波检出后通过零或地线放掉，原理如图3所示；也有的是通过串接无源滤波器(简称“串联滤波”)滤除目标谐波，原理如图4所示。事实上，利用SPWM脉宽调制方法降低谐波的同时也降低系统效率；用有源滤波器制造有源谐波来对消UPS谐波需准确跟踪UPS谐波的相位和数值，目前国内外的技术手段还难以满足检测速度要求，因此尚未普及，也无标准；并联滤波法虽然可以有效滤除目标谐波，但无法绝对阻断工频能量流入滤波支路，所以难免在滤除目标谐波的同时也流失少量的工频能量；串联滤波法因电感器流过全部负载电流而造成工频能量的损耗和热隐患。由此可见，迄今为止的不间断电源系统或为谐波源之一，或因抑制谐波而效率极低，或根本不具备治理谐波功能，或将谐波废掉并转化为热源，因此，现代的在线式不间断电源既不节能也不环保，接入此类不间断电源的系统不可能是节能环保系统，安装此类不间断电源的机房也不可能是节能环保机房。
实用新型内容为了克服现有的不间断电源系统在消除和抑制谐波上存在的上述问题，本实用新型提供了一种自身不产生有源谐波、又能消除目标谐波、还能将目标谐波变为可利用能源的新型不间断电源系统。本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是谐波再利用型后备式不间断电源系统，由无源滤波装置、谐波充电器AC/DC和后备式不间断电源装置构成，无源滤波装置输入端与后备式不间断电源输入端并联，无源滤波装置输出端连接谐波充电器AC/DC输入端，谐波充电器AC/DC输出端正负极连接后备式不间断电源内蓄电池的正负极，后备式不间断电源的输出端连接负载。所述无源滤波装置由线圈电感L和交流电容C串联组成。所述后备式不间断电源装置由整流电路、逆变电路和蓄电池组构成，或者由逆变器和蓄电池组构成，或者由变频器和蓄电池构成，或者是消防应急电源，或者是旁路优先型的、在线互动型、DeIte变换型的UPS，或者是快速不间断电源和智能型快速不间断电源ISPS0所述谐波充电器AC/DC为整流装置，或者电压变换装置，或者“ AC/DC+DC/DC ”、 “AC/AC+AC/DC”型复合电源模块或模块组合装置。本实用新型的谐波再利用型后备式不间断电源系统，自身不产生有源谐波、又能消除目标谐波、还能将目标谐波变为可利用能源的新型不间断电源系统，结构简单，实现容易，只要事先经过测算或监测能预知某终端网络的主要谐波参数，即能设计出对应于目标谐波的谐振支路，将目标谐波能量引入该支路并进行变换，最终将谐波能量充入应急电源的蓄电池，滤波、整流、充电结合应用，既能提高用电质量，又能提高能源利用率，安全、实用、经济、环保。推而广之，如果网络内需要消除的目标谐波有若干次，则只需按需要并接各次目标谐波的谐振支路即可。
图I是全脉宽调制型UPS主接线图。图2是有源滤波法原理图。图3是并联滤波法原理图。图4是串联滤波法原理图。图5是本实用新型的单谐波再利用型后备式不间断电源系统原理图。图6是本实用新型的多谐波再利用型后备式不间断电源系统原理图。
具体实施方式
本实用新型的谐波再利用型后备式不间断电源系统原理如图5和图6所示，图5为后备式单谐波再利用系统，图6为后备式多谐波再利用系统。根据计算与实测相结合的结果在不间断电源的输入端并接LC串联支路，构成LC无源滤波装置，其输出端接谐波充电器AC/DC，谐波充电器AC/DC输出端的正负极分别接不间断电源内蓄电池的正极和负极，不间断电源的输出端直接接负载或负载网络。只要事先确定不间断电源入口处需要治理的目标谐波参数，就可以按需要选定L和C值，令无源滤波器相对于目标谐波的阻抗值最小(即满足条件《L=l/ c)，则目标谐波便被引入滤波器而被变换成有用的直流电压并用以给蓄电池充电，这样构成的不间断电源系统既不释放谐波，又能滤除电源输入侧的谐波，还可以把有害的谐波改变成有用的能源，即使有少量工频能量混入滤波支路也照样被整流和利用，达到节能、环保、不浪费、又改善电源质量的目的。不间断电源各类后备式的蓄能型不间断电源，可以由整流、逆变、和蓄电池组构成，可以由逆变器和蓄电池组构成，可以由变频器和蓄电池构成，也可以是消防应急电源，还可以是各类旁路优先型的或在线互动型或DeIte变换型的UPS，更可以是快速不间断电源和智能型快速不间断电源(ISPS )。 无源滤波器由线圈电感L和交流电容C串联组成，实际是由电感和电容组成的RLC谐振电路，其中L为电感，C为电容，R为支路的线路电阻和蓄电池的内阻(其值很小，图中虚线部分)，其电感和电容参数可根据谐波容量和幅值计算确定。谐波充电器(AC/DC)是指由电力电子器件(包括二极管、三极管、各类晶闸管、GTR、GT0, MOSFET, IGBT, IGCT, PIC、IPM或AC/DC模块等)构成的可控或不可控电压变换环节，可以是单纯的整流环节，可以是任意类型的AC/DC电压变换环节，还可以是“AC/DC+DC/DC”、“AC/AC+AC/DC”等复合电源模块或模块组合环节。蓄电池是指能为各种电力系统、电信系统、工业动力系统(含动力、照明、控制及信号等各种用途)提供能量并能通过电网和充电器蓄能的各种充放电类电力蓄电池。以图5的后备式单谐波再利用系统为例，其RLC谐振支路输入端并联于不间断电源的输入端，输出端连接谐波充电器AC/DC，谐波充电器AC/DC输出端正负极连接于不间断电源内蓄电池的正负极，其中的R为连接线电阻和蓄电池内阻的等效值，其值很小(图中虚线框内电阻)。如选定3次谐波为目标谐波，即令f=3*50HZ=150HZ，此时ω=2 Ji f=2*3. 14*150HZ (I)把(I)式代入此谐振关系式《L=l/coC后，只需确定L值即可计算出所需的C值，反之确定C值便可计算确定L值。需要注意的是在确定C值时应把蓄电池的等效电容考虑在内，图中附加的CO即为蓄电池的等效电容。按照上述条件计算出来的滤波支路对3次谐波而言，阻抗仅为πιΩ级(R值)，几乎等于短路，因此3次谐波可被吸入滤波支路。图中附加的智能充电装置处于备用状态，用于蓄电池遇特殊情况而能量放尽后快速充电(快速回复能量)的情况。如目标谐波选定为5次谐波，则将f=250HZ， ω =2 Ji f=2*2. 14*250HZ带入谐振公式ω L=I/ω C,确定L计算确定C或确定C再计算确定L,即可构成以5次谐波的谐振支路，进而构造5次谐波再利用型不间断电源。同理，如目标谐波选定为7次谐波，则将f=350HZ， ω =2 Ji f=2*2. 14*350HZ带入谐振公式oL=l/oC,确定L计算确定C或确定C再计算确定L,即可构成以7次谐波的谐振支路，进而构造7次谐波再利用型不间断电源。推而广之，如果确定3、5、7次谐波均为滤除和利用谐波，则按同样原理分别设计对应于3、5、7次谐波的谐振支路，如图6的后备式多谐波再利用系统，将各支路谐波充电器的输出端并联且与不间断电源内蓄电池正负极连接即可构成以3、5、7次谐波为目标的谐波再利用型不间断电源系统。本实用新型与市场上常见的在线式UPS相比具有显著的特点结构简单，实现容易。只要事先经过测算或监测能预知某终端网络的主要谐波参数，既能设计出对应于目标谐波的谐振支路，将目标谐波能量引入该支路并进行变换，最终将谐波能量充入应急电源的蓄电池，滤波、整流、充电结合应用，既能提高用电质量，又能提高能源利用率，安全、实用、经济和环保。推而广之，如果网络内需要消除的目标谐波有若干次，则只需按需要并接各次目标谐波的谐振支路即可。实践证明本实用新型产品具有绝对优势和发展潜力，是极具发展空间和推广价值的不间断电源系统 。
权利要求1.谐波再利用型后备式不间断电源系统，其特征在于由无源滤波装置、谐波充电器AC/DC和后备式不间断电源装置构成，无源滤波装置输入端与后备式不间断电源输入端并联，无源滤波装置输出端连接谐波充电器AC/DC输入端，谐波充电器AC/DC输出端正负极连接后备式不间断电源内蓄电池的正负极，后备式不间断电源的输出端连接负载。
2.根据权利要求I所述的谐波再利用型后备式不间断电源系统，其特征在于所述无源滤波装置由线圈电感L和交流电容C串联组成。
3.根据权利要求I所述的谐波再利用型后备式不间断电源系统，其特征在于所述后备式不间断电源装置由整流电路、逆变电路和蓄电池组构成，或者由逆变器和蓄电池组构成，或者由变频器和蓄电池构成，或者是消防应急电源，或者是旁路优先型的、在线互动型、DeIte变换型的UPS，或者是快速不间断电源和智能型快速不间断电源ISPS。
4.根据权利要求I所述的谐波再利用型后备式不间断电源系统，其特征在于所述谐波充电器AC/DC为整流装置，或者电压变换装置，或者“AC/DC+DC/DC”、“AC/AC+AC/DC”型复合电源模块或模块组合装置。
专利摘要谐波再利用型后备式不间断电源系统，由无源滤波装置、谐波充电器AC/DC和后备式不间断电源装置构成，无源滤波装置输入端与后备式不间断电源输入端并联，无源滤波装置输出端连接谐波充电器AC/DC输入端，谐波充电器AC/DC输出端正负极连接后备式不间断电源内蓄电池的正负极，后备式不间断电源的输出端连接负载。本实用新型自身不产生有源谐波、又能消除目标谐波、还能将目标谐波变为可利用能源的新型不间断电源系统，结构简单，实现容易，只要事先经过测算或监测能预知某终端网络的主要谐波参数，即能设计出对应于目标谐波的谐振支路，既能提高用电质量，又能提高能源利用率，安全、实用、经济、环保。
文档编号H02J7/00GK202474900SQ20112054583
公开日2012年10月3日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者孙毅彪 申请人:国彪电源集团有限公司