中压不间断供电源的制作方法
【专利摘要】本发明名称为“中压不间断供电源”。提出一种中压不间断供电源系统。该系统包括耦合在第一总线与第二总线之间的第一功率变流器。再者，第二功率变流器经由第一总线和第二总线操作地耦合到第一功率变流器，其中第二功率变流器包括至少三个分支，其中至少三个分支包括多个开关单元，以及其中多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置。此外，系统包括耦合在第一总线与第二总线之间的直流链路。系统还包括能量源，该能量源经由第三功率变流器、变压器和第四功率变流器的其中一个或多个耦合到第二功率变流器、直流链路或其组合。还提出一种操作中压不间断供电源系统的方法。
【专利说明】中压不间断供电源
【技术领域】
[0001]本公开的实施例一般涉及不间断供电源，以及更确切地来说涉及利用中压变流器实现的不间断供电源。
【背景技术】
[0002]传统上，不间断供电源已在如数据中心和医院的许多应用中使用，以在AC主供电电压的断电/干扰期间向负载提供不间断功率。典型地，这些不间断供电源额定为从低压(380 V - 480 V)配电网络接收AC供电电压，并以相同的电压电平向负载提供三相电压。此外，不间断供电源一般包括用于功率转换的功率变流器、用于存储电能的电容器、开关装置、能量源和控制器。常规功率变流器还包括一个或多个单级变流器。
[0003]最近，数据中心的大小已经显著地增加。由此，通过低压不间断供电源来供给负载是个挑战，因此采用中压不间断供电源是经济的。中压不间断供电源以较高电压处理功率，从而使得不间断供电源和耦合不间断供电源和负载的线缆处理较低电流值。较低的电流值降低线缆布线和安装成本以及数据中心的运行成本。
【发明内容】
[0004]根据本公开的多个方面，提出一种中压不间断供电源系统。该系统包括操作地耦合在第一总线与第二总线之间的第一功率变流器。该系统还包括经由第一总线与第二总线操作地耦合到第一功率变流器的第二功率变流器，其中第二功率变流器包括至少三个分支，其中至少三个分支包括多个开关单元，以及其中多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置。此外，该系统包括操作地耦合在第一总线与第二总线之间的直流链路。再者，该系统包括能量源，其经由第三功率变流器、变压器和第四功率变流器的其中一个或多个操作地耦合到第二功率变流器的能量源、直流链路或操作地耦合到第二功率变流器和直流链路两者。
[0005]根据本公开的另一方面，提出一种用于操作中压不间断供电源系统的方法。该方法包括经由第一总线和第二总线将第一功率变流器耦合到第二功率变流器，其中第二功率变流器包括至少三个分支，其中这至少三个分支包括多个开关单元，以及其中多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置。该方法还包括在第一总线与第二总线之间连接直流链路。此外，该方法包括经由第三功率变流器、变压器和第四功率变流器的其中一个或多个将能量源操作地耦合到第二功率变流器、直流链路或操作地耦合到第二功率变流器和直流链路两者。再者，该方法包括确定第二功率变流器中的多个开关单元的开关模式，并基于第二功率变流器的多个开关单元的开关模式在第二功率变流器处生成输出。
[0006]根据本公开的又一方面，提出一种中压不间断供电源系统。该系统包括操作地耦合在第一总线与第二总线之间的第一功率变流器。而且，该系统包括经由第一总线和第二总线操作地耦合到第一功率变流器的第二功率变流器，其中第二功率变流器包括至少三个分支，其中这至少三个分支包括多个开关单元，以及其中多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置。再者，该系统包括操作地耦合在第一总线与第二总线之间的直流链路，其中该直流链路包括操作地串联耦合的多个电容器。此外，该系统包括能量源，其经由第三功率变流器、变压器和第四功率变流器的其中一个或多个操作地耦合到直流链路的多个电容器、第二功率变流器的多个开关单元的每一个或其组合。
[0007]根据一个实施例，本申请公开了一种中压不间断供电源系统，包括:第一功率变流器，其操作地耦合在第一总线与第二总线之间；第二功率变流器，其经由所述第一总线和所述第二总线操作地耦合到所述第一功率变流器，其中所述第二功率变流器包括至少三个分支，其中所述至少三个分支包括多个开关单元，以及其中所述多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置；直流链路，其操作地耦合在所述第一总线与所述第二总线之间的；以及能量源，其经由第三功率变流器、变压器和第四功率变流器的其中一个或多个操作地耦合到所述第二功率变流器、所述直流链路或操作地耦合到所述第二功率变流器和所述直流链路两者。
[0008]优选地，将所述变压器和所述第四功率变流器组合以形成隔离的模块化单元。进一步地，所述隔离的模块化单元还包括所述第二功率变流器的所述多个开关单元的至少其中之一。
[0009]优选地，所述直流链路包括操作地串联耦合的多个电容器。
[0010]优选地，所述能量源经由所述第三功率变流器、所述变压器和所述第四功率变流器的其中一个或多个操作地耦合到所述第二功率变流器的所述至少三分分支中的所述多个开关单元的每一个开关单元。
[0011]优选地，所述第一功率变流器包括至少三个分支，其中所述至少三个分支包括多个开关单元，以及其中所述多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置。进一步地，上述系统还包括控制器，所述控制器配置成确定用于所述第一功率变流器的所述多个开关单元和所述第二功率变流器的所述多个开关单元的开关模式。
[0012]优选地，所述变压器、所述第三功率变流器和所述第四功率变流器配置成将所述能量源的电压升压。
[0013]优选地，该系统还包括操作地耦合在所述第一功率变流器和所述第二功率变流器两端的旁通分支。进一步地，所述旁通分支包括机电开关、半导体开关或其组合。
[0014]优选地，所述至少两个半导体开关包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换流晶闸管或其组合。
[0015]优选地，所述至少两个半导体开关包括基于氮化镓的开关、基于碳化硅的开关、基于砷化镓的开关或其组合。
[0016]优选地，所述第二功率变流器的所述至少三个分支包括经由第三总线操作地耦合到第二部分的第一部分。
[0017]优选地，所述第二功率变流器的所述至少三个分支中的所述多个开关单元操作地串联耦合。
[0018]优选地，所述能量源包括至少一个电池。
[0019]优选地，该系统还包括操作地耦合到所述能量源并配置成对所述能量源充电的充电单元。
[0020]优选地，所述第三功率变流器包括低频谐振变流器、高频相移谐振变流器、单向变流器、双向变流器或其组合。
[0021]优选地，所述第四功率变流器包括整流器、双向变流器、单向变流器或其组合。
[0022]优选地，所述变压器包括低频变压器、高频变压器、分级绝缘变压器、具有均匀绝缘的变压器、单相变压器、三相变压器、多相变压器、多绕组变压器或其组合。
[0023]根据一个实施例，本申请公开了一种方法，包括:经由第一总线和第二总线将第一功率变流器耦合到第二功率变流器，其中所述第二功率变流器包括至少三个分支，其中所述至少三个分支包括多个开关单元，以及其中所述多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置；将直流链路连接在所述第一总线与所述第二总线之间；经由第三功率变流器、变压器和第四功率变流器的其中一个或多个将能量源操作地耦合到所述第二功率变流器、所述直流链路或操作地耦合到所述第二功率变流器和所述直流链路两者；确定用于所述第二功率变流器中的所述多个开关单元的开关模式；以及基于所述第二功率变流器的所述多个开关单元的所述开关模式，在所述第二功率变流器的输出端处生成输出。
[0024]优选地，该方法还包括经由所述第一功率变流器、所述直流链路、所述第三功率变流器、所述变压器、所述第四功率变流器和充电单元的其中一个或多个对所述能量源充电。
[0025]优选地，该方法还包括:经由所述第三功率变流器、所述变压器和所述第四功率变流器将来自所述能量源的电压升压；以及将所升压的电压供给到所述第二功率变流器、所述直流链路和所述第二功率变流器的所述多个开关单元的其中一个或多个。
[0026]根据一个实施例，本申请公开了一种中压不间断供电源系统，包括:第一功率变流器，其操作地耦合在第一总线与第二总线之间；第二功率变流器，其经由所述第一总线和所述第二总线操作地耦合到所述第一功率变流器，其中所述第二功率变流器包括至少三个分支，其中所述至少三个分支包括多个开关单元，以及其中所述多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置；直流链路，其操作地耦合在所述第一总线与所述第二总线之间，其中所述直流链路包括操作地串联耦合的多个电容器；以及能量源，其经由第三功率变流器、变压器和第四功率变流器的其中一个或多个操作地耦合到所述直流链路的所述多个电容器、所述第二功率变流器的所述多个开关单元的每一个或其组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]当参考附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的符号表示相似部件，其中:
图1是根据本公开的多个方面的中压不间断供电源系统的示意图表示；
图2是图1的中压不间断供电源系统的一部分的示意图表示；
图3是根据本公开的多个方面的、图1的中压不间断供电源系统的一部分的另一个示范实施例的示意图表示；
图4是根据本公开的多个方面的、图1的中压不间断供电源系统的一部分的又一个示范实施例的示意图表示；
图5是根据本公开的多个方面的、图1的中压不间断供电源系统的一部分的另一个示范实施例的示意图表示；
图6是根据本公开的多个方面的、图1的中压不间断供电源系统的一部分的又一个示范实施例的示意图表示； 图7是根据本公开的多个方面的、图1的中压不间断供电源系统的一部分的另一个示范实施例的示意图表示；
图8是根据本公开的多个方面的、图1的中压不间断供电源系统的一部分的又一个示范实施例的示意图表示；以及
图9是表示根据本公开的多个方面的、使用图1的中压不间断供电源系统进行功率转换的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0028]除非另外定义，否则本文使用的技术和科学术语具有与本公开所属的领域中的普通技术人员所共识的相同的含义。如本文所使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何次序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件相区分。再有，术语“一”不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所引述的项。术语“或者”表示涵盖性的，并且意味着所列出的项的其中一个、多个或全部。“包括”、“包含”或“具有”及其变化的使用意味着涵盖其后所列出的项及其等效物以及附加项。术语“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括电连接或耦合，无论是直接的还是间接的。再者，术语“电路”和“控制器”可以包括为有源和/或无源且连接或另外耦合在一起以提供所描述的功能的单个组件或多个组件。
[0029]正如下文将详细描述的，提出示范不间断供电源(UPS)系统和用于不间断供电源的方法的多种实施例。具体来说，提出一种中压不间断供电源(MV-UPS)。该MV-UPS还可以配置成作为输入在交流(AC)主电源接收中电压并将中电压供给到负载。可以注意到，在一些实施例中，至负载的中压输出可以途径电压匹配变压器。在一个示例中，AC主电源处的中电压的范围可以从3.3 kV至20 kV。在一个示例中，MV-UPS可以包括中压变流器，如模块化多电平变流器。正如本文所使用的，术语模块化多电平变流器用于指具有多个开关单元/模块且配置成以非常低的失真生成多电平输出电压的功率变流器。
[0030]现在转到附图，在图1中，作为示例，示出根据本公开的多个方面用于供电的中压不间断供电源(MV-UPS)系统100的实施例。在一个实施例中，MV-UPS系统100可以包括第一功率变流器102、直流(DC)链路104、第二功率变流器106和能量源108。在一个示例中，第一功率变流器102和第二功率变流器106可以包括三个分支。这三个分支的每一个分支可以包括操作地串联耦合的多个开关单元(未示出)。在一个示例中，多个开关单元的每一个开关单元可以包括至少两个半导体开关和储能装置。MV-UPS系统100配置成使用低压半导体开关，并且这有助于降低MV-UPS系统的成本。
[0031]此外，MV-UPS系统100还可以包括第三功率变流器110、变压器112以及第四功率变流器114。第一功率变流器102、第二功率变流器106、第三功率变流器110和第四功率变流器114可以包括直流(DC)至DC变流器、DC至AC (交流)变流器、AC至DC变流器等。第一功率变流器102和第二功率变流器106可以包括多电平变流器。在一个非限制性示例中，第一功率变流器102和第二功率变流器106可以包括模块化多电平变流器(MMC)。在一个实施例中，第一功率变流器102还可以包括整流器，以及第二功率变流器106还可以包括逆变器。再者，第三功率变流器110可以包括低频谐振变流器、高频相移谐振变流器、单相变流器、双向变流器等。第四功率变流器114还可以包括整流器、双向功率变流器、单向功率变流器及其等效物。而且，第三功率变流器Iio和第四功率变流器114可以包括多个半导体开关、例如但不限于，基于硅的开关、基于碳化硅的开关、基于砷化镓的开关和基于氮化镓的开关。
[0032]而且，第一功率变流器102可以经由第一总线116和第二总线116操作地耦合到第二功率变流器106。第一总线116可以包括正直流总线，以及第二总线118可以包括负直流总线。将参考图2更详细地解释第一功率变流器102和第二功率变流器106的拓扑。常规操作状况期间，可以采用电源120来向第一功率变流器102供电。正如本文所使用的，术语电源120可以包括可再生电源、不可再生电源、发电机、电网等。再者，第二功率变流器106可以操作地耦合到负载122。例如，在数据中心中，负载122可以包括服务器负载。在一些实施例中，来自MV-UPS 100的中电压被负载122处的下游变压器(未示出)降压以将电压降低到期望的电压。
[0033]第一功率变流器102可以经由第一总线116和第二总线118操作地耦合到第二功率变流器106。还可以将DC链路104操作地耦合在第一总线116和第二总线118两端。在一个示例中，DC链路104可以包括DC链路电容器105。在另一个示例中，DC链路104可以包括操作地串联耦合的多个电容器。应该注意，在又一个实施例中，DC链路104可以是第一总线116与第二总线118之间的开路分支。正如本文所使用，术语操作地耦合包括有线耦合、无线耦合、电耦合、磁耦合、无线电通信、基于软件的通信或其组合。
[0034]正如上文提到的，MV-UPS系统100可以包括能量源108。作为示例，能量源108可以包括额定600伏特的低电压电池。能量源108可以操作地耦合到第一功率变流器102和第二功率变流器106。在当前设想的配置中，可以经由第三功率变流器110、变压器112和第四功率变流器114将能量源108耦合到第一功率变流器和第二功率变流器。变压器112帮助将能量源108供给的电压升压。在一个示例中，变压器112可以包括初级绕组和一个或多个次级绕组。而且，变压器112可以包括低频变压器、高频变压器、分级绝缘变压器、具有均匀绝缘的变压器、单相变压器、三相变压器、多相变压器、多绕组变压器或其组合。在一个示例中，MV-UPS系统100还可以包括多个变压器112。
[0035]再者，正如I的示例所示，可以将第四变流器114的输出耦合在第一总线116与第二总线118之间。具体来说，可以将第四功率变流器114的输出耦合在DC链路104两端，DC链路104设在第一总线116与第二总线118之间。在另一个示例中，可以将第四功率变流器114的输出操作地耦合到第二功率变流器106的开关单元(未示出)。将参考图3-8更详细地解释将第四变流器耦合在DC链路104两端和/或耦合到第二功率变流器106中的开关单元的拓扑。
[0036]此外，系统100可以包括控制器124。在一个实施例中，控制器124可以配置成控制功率变流器102、106、110和114的操作。更具体地来说，在一个示例中，控制器124可以配置成通过控制与功率变流器102、106、110和114对应的多个半导体开关的开关来控制这些功率变流器的操作。控制器124可以配置成基于参考电压和/或参考电流生成功率变流器102、106、110和114的开关模式。作为示例，控制器124可以配置成确定与第一功率变流器102的多个开关单元和第二功率变流器106的开关单元对应的开关模式。在一个实施例中，控制器124可以设在MV-UPS系统100外部远程位置处。而且，控制器124还可以配置成操作以并联配置布置的多个MV-UPS系统。[0037]系统100还可以包括旁路分支126，旁路分支126操作地耦合在第一功率变流器102和第二功率变流器106两端。旁路分支126可以包括机电开关、半导体开关或其组合。旁路分支126的半导体开关能够耐受中电压。在一个示例中，旁路分支126可以包括具有低额定电压的半导体开关的堆栈式连接(stacked connection)。这种半导体开关的堆栈式连接可以形成双向AC旁通开关，并且可以配置成耐受中压。此外，旁通分支126可以配置成克服功率变流器102、106中出现的故障。
[0038]而且，在一个示例中，如果第四功率变流器114是双向变流器，则可以使用电源120对能量源108充电。具体来说，可以使用电源120经由第一功率变流器102、DC链路104、第四功率变流器114、变压器112和第三功率变流器110来对能量源108充电。但是，如果第四功率变流器114是整流器或单向变流器，则可以使用充电单元128对能量源108充电。在一个示例中，充电单元128可以包括单独的功率变流器。
[0039]现在参考图2，其中示出图1的MV-UPS系统100的一部分的示意图表示200。具体来说，图2是功率变流器202的示意图表示，如图1的第二功率变流器106。功率变流器202可以操作地耦合在第一总线204和第二总线206之间。功率变流器202还可以包括至少三个分支208。可以将功率变流器202的三个分支208的每一个与交流相位关联，如AC相位A、AC相位B和AC相位C。可以注意到在具有单相负载的MV-UPS系统的情况中，功率变流器202可以包括两个分支。
[0040]而且，对应于功率变流器202的三个分支208中每一个可以包括多开关单元210。多个开关单元210可以操作地串联耦合。在一个示例中，多个开关单元210可以包括至少两个半导体开关和储能装置。三个分支208可以包括操作地耦合到第二部分214的第一部分212。在每个分支208中，第一部分212可以经由第三总线216操作地耦合到第二部分214。第三总线216可以包括交流相位。可以注意到图1的第一功率变流器102的拓扑可以与功率变流器202的拓扑大致相似或相等。
[0041]图3是根据本公开的多个方面的，图1的MV-UPS系统100的一部分的示范实施例的示意图表示300。可以注意图3示出能量源在DC链路两端的耦合。如图3所示，系统300包括功率变流器(如图1的第二功率变流器106)的一个分支302。为了易于表示，仅示出功率变流器的一个分支302。分支302可以操作地耦合在DC链路304两端。DC链路304可以包括多个DC链路电容器306。分支302还可以经由电感器307操作地耦合到第三总线308。在一个示例中，电感器307可以包括开合式电感器、串联的两个电感器等。第三总线308可以包括交流相位。
[0042]再者，分支302可以包括操作地串联耦合的多个开关单元320。每个开关单元320可以包括至少两个全控型半导体开关和储能装置322。在一个示例中，储能装置322两端的操作DC电压可以在800伏特附近。使用具有比操作DC电压更高的额定电压的全控型半导体开关是所期望的。作为示例，可以将两个全控型半导体开关324各额定为约1200伏特DC的电压，以便耐受储能装置两端的800伏特的电压。相应地，每个开关单元两端的电压可以是800伏特。再者，在此示例中，可以假定DC链路304两端的电压值高，例如6400伏特。而且，为了有效地控制功率变流器，分支302的两半可能都需要耐受DC链路304两端的6400 V的电压。为此，在分支302的每一半中包括8个开关单元以便耐受6400伏特的DC链路电压是所期望的。因此，功率变流器的分支302可以包括总计16个开关单元。[0043]再者，具有16个开关单元的分支302的配置可以帮助生成9个电平的相位电压。在图3的示例中，可以通过以顺序方式触发16个开关单元中与分支302对应的8个开关单元来生成9个电平的相电压。相应地，可以在第二功率变流器的输出端(未示出)处生成17个电平的线间电压。虽然图3的示例将开关单元320示出为包括两个全控型半导体开关324和一个储能装置322，但是还可设想使用其他数量的全控型半导体开关和储能装置。
[0044]再者，系统300可以包括能量源310，能量源310操作地耦合到第三变流器312，如图1的第三功率变流器110。能量源310可以包括600额定伏特的电池。在一个非限制性示例中，能量源310可以包括单个电池、操作地并联或串联耦合的多个电池等。再有，第三变流器312可以经由变压器316操作地耦合到第四功率变流器314，如图1的第四功率变流器114。正如先前提到的，变压器316可以包括低频变压器、高频变压器、分级绝缘变压器、具有均匀绝缘的变压器、单相变压器、三相变压器、多相变压器、多绕组变压器等。
[0045]而且，在一个示例中，第四功率变流器314可以包括双向变流器。因此，双向变流器314可以配置成以第一操作模式或以第二操作模式向DC链路304供给功率，双向变流器314可以配置成从DC链路304接收功率以对能量源310充电。更具体来说，在第二操作模式中，可以经由第一功率变流器、DC链路304、双向变流器314、变压器316和第三功率变流器312来对能量源310充电。第一操作模式可以称为后备操作模式，以及第二操作模式还可以称为效用操作模式。
[0046]在又一个实施例中，第四功率变流器314可以包括整流器或单向变流器。使用整流器或单向变流器能够仅以一个方向供给功率。更具体地来说，可以从能量源310向DC链路304供给功率。因此，在此示例中，整流器或单向变流器314可以不用于对能量源310充电。相应地，使用充电单元318对能量源310是所期望的。正如上文提到的，充电单元318可以包括单独的功率变流器。
[0047]再者，在图3的示例中，变压器316可以包括初级绕组311和次级绕组313。变压器316的次级绕组一侧可以包括诸如但不限于第四功率变流器314和多个开关单元320的组件。将变压器316的次级绕组一侧上的组件隔离以耐受DC链路304两端的高压是所期望的。再者，可以将对应于分支302的每个开关单元320与其他开关单元320隔离。
[0048]现在转到图4，其中示出根据本公开的多个方面的、图1的MV-UPS系统100的一部分的另一个示范实施例的示意图表示400。图4所示的系统400可以包括功率变流器的分支402，如图2的功率变流器202的分支208。分支402可以包括操作地串联耦合的多个开关单元418。分支402还可以操作地耦合到DC链路404。DC链路404可以包括操作地串联耦合的多个电容器406。在图4的示例中，DC链路404示出为包括串联耦合的四个电容器406。
[0049]而且,系统400可以包括能量源408。正如上文提到的，能量源408可以包括600额定伏特的单个电池、操作地并联和/或串联耦合的多个电池等。能量源408可以操作地耦合到第三功率变流器410，如图1的第三功率变流器110。再者，第三功率变流器410可以操作地耦合到变压器412。变压器412可以包括初级绕组411和次级绕组413。在图4的当前设想的配置中，变压器412可以包括多个次级绕组413。此外，系统400还可以包括多个第四功率变流器414，如图1的第四功率变流器114。每个次级绕组413还可以耦合到对应的第四功率变流器414。[0050]但是，在另一个实施例中，变压器412的次级绕组413可以具有多个抽头。在此实施例中，该多抽头变压器的每个分段可以耦合到对应的第四功率变流器414。在图4的示例中，可以串联连接第四功率变流器414以在DC链路404两端形成电压。还可以将第四功率变流器414的每一个隔离以便耐受DC链路404两端的电压。第四功率变流器314可以包括双向变流器和/或单向变流器，正如上文提到的。在所有第四功率变流器414包括单向变流器的实施例中，系统400还可以包括配置成对能量源408充电的充电单元420。此外，分支402可以经由电感器417操作地耦合到第三总线416。
[0051]参考图5，其中示出根据本公开的多个方面的、图1的MV-UPS系统100的一部分的又一个示范实施例的示意图表示500。图5的实施例与图4的实施例大致相似。在图5的示例中，功率变流器的分支502可以操作地耦合到DC链路504。DC链路504可以包括操作地串联耦合的多个DC链路电容器506。能量源508可以操作地耦合到第三功率变流器510。
[0052]系统500还可以包括多个第四功率变流器514。再者，第三功率变流器510可以操作地耦合到变压器512。变压器512可以包括初级绕组511和次级绕组513。在图5的示例中，变压器512可以包括多个次级绕组513，其中每个次级绕组513可以配置成向对应的第四功率变流器514供给功率。作为备选，变压器512的次级绕组513可以具有多个抽头，且多抽头变压器的每个分段可以耦合到对应的第四功率变流器514。再者，在图5的示例中，每个第四功率变流器514可以耦合在对应的DC链路电容器506两端。此外，第四功率变流器514可以彼此操作地串联耦合。
[0053]此外，分支502可以经由电感器516操作地耦合到第三总线517。分支502还可以包括操作地串联耦合的多个开关单元518。在一个实施例中，可以使用充电单元520对能量源508充电。
[0054]图6是根据本公开的多个方面的、图1的MV-UPS系统100的一部分的又一个示范实施例的示意图表示600。在图6的示例中，功率变流器的分支602可以经由电感器605操作地耦合到第三总线604。在一个示例中，第三总线604可以包括交流相位，如AC相位A、AC相位B和AC相位C。分支602可以包括操作地串联耦合的多个开关单元606。再者，系统600可以包括能量源608。能量源608可以包括单个电池、串联和/或并联耦合的多个电池以及其等效物。
[0055]能量源608还可以操作地耦合到第三功率变流器610。变压器612可以包括初级绕组611和多个次级绕组613。第三功率变流器610可以操作地耦合到变压器612的初级绕组611。在图6的示例中，系统600包括多个第四功率变流器614。多个次级绕组613的每一个可以操作地耦合到对应的第四功率变流器614。再者，每个第四功率变流器614可以耦合到对应的开关单元606。在一个示例中，第四功率变流器614的数量与一个分支602中的开关单元606的数量可以大致相等。作为示例，分支602包括16个第四功率变流器614和一个分支602的16个开关单元606。更具体地来说，每个开关单元606可以具有对应的第四功率变流器614。
[0056]为了易于表不,将对应于分支602的16个第四功率变流器614被描绘为PC1-PC1615在图6的示例中，第四功率变流器PC1和PC2的端P1和P2可以操作地耦合到个体开关单元606的对应端P1和己。在一个实施例中，可以使用高电压线缆616将第四功率变流器614操作地耦合到个体开关单元606。虽然图6仅表示了一个分支602，但是在三相MV-UPS系统中，功率变流器可以包括三个分支。正如上文提到的，三个分支的每一个可以包括16个开关单元，并且因此这三个分支可以包括总计48个开关单元。相应地，包括具有三个分支的变量变流器的三相MV-UPS系统可以包括48个第四功率变流器614。
[0057]正如上文提到的，第四功率变流器614可以包括双向变流器、单向变流器或同时包括双向变流器和单向变流器。再有，如果第四功率变流器614是单向变流器，则可以采用充电单元对能量源608充电。再者，第四功率变流器614和具有初级绕组611和次级绕组613的变压器612可以与系统600的其他组件隔离。
[0058]在一个非限制性示例中，变压器612和多个第四功率变流器614可以配置成形成模块化单元618。为此，可以将变压器612和多个第四功率变流器614封装在隔离的容器中以形成模块化单元618。在一个示例中，模块化单元618可以是机械盒。模块化单元618可以配置成提供与系统600的其他组件的隔离。在一个示例中，模块化单元618可以配置成提供与DC链路(未示出)两端的电压隔离。再者，还可以将每个第四功率变流器614与其他第四功率变流器614隔离。
[0059]现在转到图7，其中示出根据本公开的多个方面的、图1的MV-UPS系统100的一部分的示范实施例的示意图表示700。图7的示例可以包括功率变流器(如图1的第二功率变流器106)的分支702。分支702还可以经由电感器705操作地耦合到第三总线704。第三总线704可以包括交流相位，如AC相位A、AC相位B和AC相位C。功率变流器的分支702可以包括操作地串联耦合的多个开关单元706。
[0060]再者，根据本公开的多个示范方面，系统700可以包括公共能量源708、多个第三功率变流器710、多个变压器712和多个第四功率变流器714。每个变压器712可以包括对应的初级绕组711和次级绕组713。此外，公共能量源708可以操作地耦合到多个第三功率变流器710的每一个。能量源708可以包括单个电池、操作地串联和/或并联耦合的多个电池等。而且，多个第三功率变流器710的每一个可以操作地耦合到对应的变压器712。同样，一个分支中的第四功率变流器714的数量可以大致等于开关单元706的数量。同样，每个变压器712可以操作地耦合到对应的第四功率变流器714。同样，每个第四功率变流器714可以操作地耦合到对应的开关单元706。具体来说，第四功率变流器714可以耦合在对应开关单元706的电容器716两端。
[0061]在图7的示例中，变压器712、第四功率变流器714和对应开关单元706的组合可以形成模块化单元718。系统700可以包括多个此类模块化单元718。这些模块化单元718可以与其他模块化单元718隔离以提供期望的电压隔离。具体来说，模块化单元718中的变压器712可以配置成提供期望的电压隔离。模块化单元718还可以与系统700的其他组件的隔离。在一个示例中，模块化单元718可以配置成耐受DC链路(未示出)两端的电压。根据本公开的多个示范方面，包括图7的系统的MV-UPS (如图1的MV-UPS 100)可以设计成通过改变可以串联耦合的模块化单元718的数量以在一定电压范围上操作。
[0062]图8是根据本公开的多个方面的、图1的MV-UPS系统100的一部分的又一个示范实施例的示意图表示800。图8所示的系统800的示例包括分支802,分支802经由电感器805操作地耦合到第三总线804。再者，分支802可以包括操作地串联耦合的多个开关单元806。公共能量源808可以操作地耦合到公共第三功率变流器810。而且，系统800还可以包括多个变压器812。第三功率变流器810可以经由公共线路820耦合到多个变压器812的初级绕组811。多个变压器812的次级绕组813可以操作地耦合到对应的第四功率变流器814。第四功率变流器814可以操作地耦合到对应的开关单元806。更具体地来说，第四功率变流器814可以操作地耦合在与对应开关单元806关联的电容器816两端。在一个示例中，第四功率变流器814的数量可以大致等于分支802中的开关单元806的数量。
[0063]在一个示例中，功率变流器(如图1的第二功率变流器106)的所有分支可以包括相等数量的开关单元806。变压器812、第四功率变流器814和对应的开关单元806可以形成模块化单元818。每个模块化单元818可以与其他模块化单元818隔离。模块化单元818还提供与系统800的其他组件的隔离。在一个非限制性示例中，模块化单元818提供与DC链路(未示出)两端的电压隔离。
[0064]为了易于表示，图3-8的示例仅示出第二功率变流器的一个分支。虽然图3-8的示例表示MV-UPS系统，但是还可设想将相似的配置用于低电压UPS系统和高电压UPS系统。
[0065]现在转到图9，其中示出表示根据本公开的多个方面的、操作如图1的MV-UPS系统100的MV-UPS系统的方法的流程图900。将参考图1-2解释图9。方法开始于步骤902，其中可以经由第一总线116和第二总线118将第一功率变流器102耦合到第二功率变流器106。再者，可以将DC链路104耦合在第一总线116与第二总线118之间。能量源108还可以耦合到DC链路104、第二功率变流器106的开关单元210或其组合。正如上文提到的，能量源108可以包括电池。可以耦合第一功率变流器102、第二功率变流器106、DC链路104、第三功率变流器110、变压器112和第四功率变流器114以形成图1的示范MV-UPS 100。
[0066]再者，在步骤904处，可以使用第三功率变流器110、变压器112和第四功率变流器114的其中一个或多个将来自能量源108的电压升压，以在DC链路104两端供给电压。在步骤906处，可以将步骤904处生成的升压的电压作为输入供给到第二功率变流器106和/或DC链路104。更具体地来说，可以将步骤904处生成的升压的电压供给到第二功率变流器106的开关单元210。可以注意，步骤904代表后备操作模式。正如先前提到的，在后备操作模式中，从能量源108向第二功率变流器106供电。作为备选，可以从电源和/或电网120经由第一功率变流器102和DC链路104向第二功率变流器106供电。此操作模式也可以称为效用操作模式。
[0067]在步骤906之后，可以确定第二功率变流器106中的多个开关单元的开关模式，正如步骤908所指示的。可以采用控制器(如图1的控制器124)来确定多个开关单元的开关模式。而且，可以使用与多个开关单元对应的开关模式来控制多个开关单元中的全控型半导体开关的开关。此外，还可以确定第一功率变流器102的多个开关单元的开关模式。
[0068]而且，在步骤910处，将第二功率变流器106配置成生成输出。可以注意，第二功率变流器106生成的输出可以取决于第二功率变流器106中的多个开关单元上的开关模式。第二功率变流器106生成的输出可以包括线参数。在一个非限制性示例中，线参数可以包括中压AC波形。在又一个示例中，线参数可以包括可控AC电流波形。
[0069]再者，可以通过基于处理器的系统(如通用或专用计算机)上的适合代码来实现前文的示例、演示和过程步骤(如该系统可以执行的那些过程步骤)。还应该注意，本发明的技术的不同实现可以采用不同的次序或大致同时(即，并行地)执行本文描述的一些或全部步骤。再者，这些功能可以采用多种编程语言，包括但不限于C++或Java来实现。此类代码可以存储在或调适成存储在可以被基于处理器的系统访问以执行所存储的代码的一个或多个有形机器可读介质上，如存储在数据资料库芯片、本地或远程硬盘、光盘(即，⑶或DVD)、存储器或其他介质上。注意有形介质可以包括其上印制了指令的纸张或另一种适合的介质。例如，可以通过纸张或其他介质的光学扫描以电子方式捕获指令，然后在必要的情况下将编译、解释或其他处理，然后存储在数据资料库或存储器中。
[0070]上文中描述了中压UPS的多种实施例以及操作MV-UPS系统的方法，其用于帮助改进数据中心的运行效率。再者，该MV-UPS系统促成低电流值，从而降低布线成本。在MV-UPS系统中使用低电压开关也有助于降低MV-UPS系统的成本。而且，该MV-UPS系统可以应用于数据中心、医院等。
[0071]虽然本发明是参考示范实施例描述的，但是本领域技术人员将理解，在不背离本发明范围的前提下可以进行多种更改，以及可以利用等效物替换其元件。此外，在不背离本发明基本范围的前提下，可以进行许多修改以使具体情况或材料与本发明的原理相适应。
【权利要求】
1.一种中压不间断供电源系统，包括: 第一功率变流器，其操作地耦合在第一总线与第二总线之间； 第二功率变流器，其经由所述第一总线和所述第二总线操作地耦合到所述第一功率变流器，其中所述第二功率变流器包括至少三个分支，其中所述至少三个分支包括多个开关单元，以及其中所述多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置； 直流链路，其操作地耦合在所述第一总线与所述第二总线之间的；以及 能量源，其经由第三功率变流器、变压器和第四功率变流器的其中一个或多个操作地耦合到所述第二功率变流器、所述直流链路或操作地耦合到所述第二功率变流器和所述直流链路两者。
2.如权利要求1所述的系统，其中将所述变压器和所述第四功率变流器组合以形成隔离的模块化单元。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述隔离的模块化单元还包括所述第二功率变流器的所述多个开关单元的至少其中之一。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述直流链路包括操作地串联耦合的多个电容器。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述能量源经由所述第三功率变流器、所述变压器和所述第四功率变流器的其中一个或多个操作地耦合到所述第二功率变流器的所述至少三分分支中的所述多个开关单元的每一个开关单元。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述第一功率变流器包括至少三个分支，其中所述至少三个分支包括多个开关单元，以及其中所述多个开关单元包括至少两个半导体开关和储能装置。
7.如权利要求6所述的系统，还包括控制器，所述控制器配置成确定用于所述第一功率变流器的所述多个开关单元和所述第二功率变流器的所述多个开关单元的开关模式。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述变压器、所述第三功率变流器和所述第四功率变流器配置成将所述能量源的电压升压。
9.如权利要求1所述的系统，还包括操作地耦合在所述第一功率变流器和所述第二功率变流器两端的旁通分支。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述旁通分支包括机电开关、半导体开关或其组口 ο
【文档编号】H02M5/44GK103856069SQ201310618823
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2012年11月30日
【发明者】V.卡纳卡萨白, R.奈克, S.科隆比, S.F.S.埃尔-巴巴里, P.维查延 申请人:通用电气公司