具有平衡降压/升压变换器的不间断电源的制作方法

本发明涉及一种不间断电源、用于运行不间断电源的方法以及用于不间断电源的控制器。

背景技术：

电源受到交流功率变换的支配(即交流至交流的功率变换以及交流负载)。全世界安装的设施支持了这种全球性的实践。通常，交流功率变换通过用整流器将交流变换成直流以及用逆变器变换回直流来实现。通常，直流链路连接在中间级上。这种标准的双变换的缺点可为累积的端到端系统级别的效率损失。

在一种双变换电源中，电能存储器可连接在中间直流链路上。然而，当负载通过电能存储器获得供电时，在负载之前存在直流至交流的变换。

当负载由公用交流网络支持时，存在若干个改善不间断电源系统级别效率的备选方案。不间断电源可具有旁路路径，其中负载在名义条件下受到旁路路径的支持。实际上可除去整流器和逆变器损失，并可将系统效率提高若干百分比，从大约96%提高至99%。

通过用交流至直流不间断电源(电源部分)替代双变换交流不间断电源还可以除去变换步骤，从而直接供给逐步减压/降压的直流电源，其集成在大多数负载上。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种交流至直流不间断电源，其具有高的系统效率、低的交流网络失真、低的损失和简单的拓扑。

这个目的通过独立的权利要求的主旨来实现。进一步典型的实施例将从从属权利要求和以下细节中明晰。

本发明的第一方面涉及一种用于从电网为电直流负载供给电能的不间断电源系统，其例如可为(单相)16 2/3Hz铁路网络，或者可为具有可接近的网络中性点的(三相)230V/50/60Hz网络。应该注意的是，只使用三相系统中的一个相是可行的，但利用所有网络相也是可行的。其它电压电平也是可行的。

根据本发明的一个实施例，不间断电源系统包括有源整流器、从有源整流器获得供给的分流直流链路、以及平衡降压/升压变换器，有源整流器可通过线路电感器连接在电网上，用于将交流电压整流成调整的直流电压，分流直流链路包括两个电容器，其串联地互连在不间断供电系统的正输出和负输出之间，其中在两个电容器之间提供了直流链路中性点，并且直流链路中性点以及正输出或负输出中的至少一个是可接近的，从而连接到直流负载上，其中直流链路中性点在运行期间连接于网络中性点上，并且平衡降压/升压变换器与分流直流链路并联地连接在正输出和负输出之间，并通过平衡降压/升压变换器的电感器而连接在直流链路中性点上，使得降压/升压变换器适合于平衡直流链路的两个电容器。因而降压/升压变换器能够平衡储存在两个电容器中的能量。

在两个电容器之间的不平衡可能通过一个或多个连接在直流链路中性点和正输出或负输出中的至少一个之间的电直流负载而产生。

不间断电源还包括电能存储器，其通过直流链路进行充电，并当电网具有电源故障或当电网由于超负荷不能单独支持直流链路时而用于为直流链路供给电能。

为了平衡来自一个负载的不平衡的功率消耗或来自连接在不间断电源上的不止一个负载的不同的功率消耗，降压/升压变换器连接在直流链路输出和直流链路中性点之间，以便将能量从一个直流链路电容器传递至另一直流链路电容器，例如当负载相对于直流链路中性点是单边负载时，或者当不平衡负载连接在直流链路中性点以及两个直流链路电势上时。在没有应用平衡减压/升压变换器的情况下，不平衡负载将导致直流链路电容器的不平衡负载。不平衡的直流链路电容器将由于例如网络电流的可容许的直流分量的功能限制和标准限制而导致相对于交流电流的正负半波的交流网络的不平衡负载，其至少应加以避免。

通过不间断电源系统，可产生居中于直流链路中性点上的双边独立调整的直流输出，并且直流链路的一侧或两侧可连接在电直流负载上。负载的连接可位于直流链路中性点和正输出或负输出中的至少一个之间。

作为一个示例，两个输出之间的电压可在350至400V之间。直流链路中性点是电网的中性点。

根据本发明的一个实施例，正输出、负输出和/或直流链路中性点可通过电连接元件来接近。

根据本发明的一个实施例，至少两个负载连接在输出和直流链路中性点上。例如，第一负载可连接在正输出和负输出之间，并且第二负载可连接在正输出和直流链路中性点之间或连接在负输出和直流链路中性点之间。第一负载连接在正输出和直流链路中性点之间，并且第二负载连接在负输出和直流链路中性点之间也是可行的。

根据本发明的一个实施例，电能存储器可包括可充电电池或蓄电池。在储能运行模式中，平衡变换器可保持直流链路电容器对中性点的调节。这样，电能存储器可直接连接在电源系统的输出上和/或直接连接在负载输入上。

根据本发明的一个实施例，电能存储器连接在正输出和负输出之间，正输出和直流链路中性点之间，并且/或者在负输出和直流链路中性点之间。

根据本发明的一个实施例，不间断电源系统还包括第二电能存储器，其连接在正输出和负输出之间，正输出和直流链路中性点之间，并且/或者在负输出和直流链路中性点之间。例如，第一电能存储器可连接在正输出和直流链路中性点之间，并且第二电能存储器可连接在负输出和直流链路中性点之间。

根据本发明的一个实施例，电能存储器的可充电电池或蓄电池可能直接连接在或通过直流至直流变换器而间接连接在直流链路上。

根据本发明的一个实施例，不间断电源系统还包括另外的变换器，例如降压/升压变换器，其连接到直流链路上，用于通过电能存储器对直流链路充电，和/或用于通过直流链路而对电能存储器储存能量。这样，可调整供给或供自电能存储器的功率，并且/或者可使电能存储器的电压适应直流链路的电压。

通常，在不间断电源系统输入处的有源整流器可以是任何类型的有源变换器。还可能使有源整流器适合于对多相输入电压的一个或多个相进行整流。

根据本发明的一个实施例，有源整流器是一种降压/升压变换器。例如，有源整流器可为功率系数校正的降压/升压变换器，其可用于具有一个相和中性点的两线安装情形，或者用于具有三个相和中性点的四线安装情形。整流器的降压/升压变换器可与独立的和/或通电连接的或隔离的变换器协同运行。

根据本发明的一个实施例，有源整流器是一种降压/升压变换器，其中降压/升压变换器包括两个半导体开关，其串联地连接在正输出和负输出之间，并且线路电感器的一端连接在两个半导体开关之间，而另一端连接电网上。通过这个实施例，电能可从电网传递至直流链路，以及从直流链路传递至电网。降压/升压变换器因而是双向的有源整流器。

根据本发明的一个实施例，不间断电源系统还包括并联地连接在分流直流链路上的输出变换器。输出变换器可为直流至交流变换器和/或直流至直流变换器。这可在基于例如循环负载寿命的准则选择输出能量类型和/或优选源负载方面提供极大的灵活性。

根据本发明的一个实施例，输出变换器是一种降压/升压变换器，其可切换，以便作为直流至交流变换器或直流至直流变换器进行运行。

根据本发明的一个实施例，平衡降压/升压变换器、用于能量存储器充电的另一降压/升压变换器和/或输出降压/升压变换器包括两个串联地连接在正输出和负输出之间的半导体开关。换句话说，两个半导体开关以半桥连接进行连接。此外，电感器的一端连接在这两个半导体开关之间。

根据本发明的一个实施例，用于有源整流器、平衡降压/升压变换器、另外的变换器，和/或输出变换器中的至少一个半导体开关是一种具有受控单向电流的双向半导体开关，例如晶体管、IGBT和/或具有反向并联二极管的ICGT，其通常被称为续流二极管。

本发明的另一方面涉及一种用于运行不间断电源系统的方法，例如上文和下文中所述的不间断电源系统。

根据本发明的一个实施例，该方法包括：将来自电网的交流电压整流成直流电压；将直流电压供给分流直流链路，其包括串联地互连在正输出和负输出之间的两个电容器，其中直流链路中性点设于两个电容器之间，并与网络中性点相连接；从直流链路为至少一个电直流负载供给电能，电直流负载连接在直流链路中性点和正输出和负输出中的至少一个之间；并使直流链路的两个电容器与降压/升压变换器平衡，降压/升压变换器与分流直流链路并联地连接在正输出和负输出之间，并通过电感器连接在直流链路中性点上。

例如，其可为，整流器与降压/升压变换器一起进行控制，使得调整不间断电源系统输入上的功率系数，并且同时平衡直流链路的电容器。

根据本发明的一个实施例，平衡方法还包括确定和比较两个电容器的充电状态，并将能量从两个电容器的其中一个电荷较高的电容器传递至一个电荷较低的电容器。

因此对于直流链路中性点，不对称的直流负载导致了相对于中性网络的对称能量传递，其在网络电压的正半波以及负半波期间从网络传递至不间断电源。

例如，直流负载可连接在直流链路中性点和正输出之间。所有提供给负载的能量都抽取自与之并联连接的电容器中。这种电容器从网络以及通过从第二电容器传递的能量而进行充电。连接在负输出和直流链路中性点之间的第二电容器通过网络进行充电。因此，在网络电压的两个半波期间都抽取了供给负载的能量，并且网络是对称加载的。

根据本发明的一个实施例，该方法还包括：从直流链路对电能存储器充电，并在电网故障的情况下通过电能存储器放电而为直流链路供给电能。通过降压/升压变换器对电容器的平衡可在正常运行模式和/或储能运行模式下执行，正常运行模式是从电网供给功率的时候，储能运行模式是从电能存储器供给功率的时候。

根据本发明的一个实施例，该方法还包括：将直流链路提供的直流电压变换成提供给交流负载的交流电压，和/或将直流链路提供的直流电压变换成提供给直流负载的第二直流电压。直流输出和直流链路中性点可用于通过额外的变换器产生交流或直流输出电压，从而例如支持混合的交流和直流负载配置。例如，降压/升压变换器可以两种不同的方式进行控制，其要么产生直流输出电压或产生交流输出电压。

本发明的另一方面涉及一种用于上文和下文所述不间断电源系统的控制器，其中控制器适合于执行上文和下文所述的方法。例如，控制器可通过控制这些变换器的半导体开关的控制极而控制有源整流器、降压/升压变换器和可选的其它辅助电源变换器和/或可选的输出变换器。

例如，控制器可包括处理器和在处理器上执行的软件，从而可执行该方法。然而，还可以在硬件中至少部分地执行该方法。

必须懂得，上面和以下所述不间断电源系统的特征可为上面和以下所述控制器和方法的特征，并且反之亦然。

本发明的这些以及其它方面将参照后文所述实施例而变得清晰明了，并参照后文所述实施例进行说明。

附图说明

在下文中将参照附图中所示的典型实施例更详细地解释本发明的主题。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的不间断电源系统。

图2示意性地显示了用于图1的不间断电源系统的半导体开关。

图3示意性地显示了根据本发明的另一实施例的不间断电源系统。

图4示意性地显示了根据本发明的另一实施例的不间断电源系统。

图5显示了用于运行根据本发明的另一实施例的不间断电源系统的方法的流程图。

在标号列表中总结性地列出了用于附图中的标号和其含义。原则上，图中相同的部件设有相同的标号。

具体实施方式

图1显示了不间断电源系统10，其在输入12处通过线路电感器32而连接到电网14上，并且在输出16处连接到一个或多个直流负载18上。不间断电源系统10例如可用于列车或铁路应用。电网14可为(单相)16 2/3Hz铁路网络，或者可为(三相)230V/50/60Hz网络。

不间断电源系统10包括有源整流器19、作为平衡降压/升压变换器实现的平衡器20以及串联地连接在输入12和输出16之间的直流链路22。

分流直流链路22包括两个串联地连接在正输出24和负输出26之间的电容器23。在两个电容器之间，提供了直流链路参考点或中性点28，其在运行期间与电网14的中性点13相连接。电网14的中性点13也被称为网络中性点。

有源整流器19和平衡器20都可以是降压/升压变换器。它们均可具有两个串联地连接在正输出24和负输出28之间的半导体开关30。在整流器19的两个开关30之间的中点通过电感器32连接到电网14的相上。在平衡器20的两个开关30之间的中点通过平衡器32的电感器而连接到直流链路中性点28上。

控制器34适合于通过产生用于开关30的切换信号而控制整流器19和平衡器20。控制器34可从系统10上的电流和电压传感器中接收整流器输入，其中系统10中所有的电压和电流均可来源于传感器。这些电压和电流可通过控制控制器34进行调整，例如用于控制输入12处的功率系数校正和/或用于控制直流链路22的电容器23的平衡(通过从一个直流链路电容器23至另一电容器的双向能量传递)。

一个或多个直流负载18可通过电连接元件，例如夹子、插塞等等而连接在不间断电源系统10的输出16上。例如负载18a可连接在正输出24和直流链路中性点28之间，负载18b可连接在负输出26和直流链路中性点28之间，并且/或者负载18c可连接在正输出24和负输出26之间。负载18a，18b，18c是直流负载。

此外，图1显示了一个或多个电能存储器40，其例如可包括铅酸电池。能量存储器40a可连接在正输出24和直流链路中性点28之间。能量存储器40b可连接在负输出26和直流链路中性点28之间，并且/或者能量存储器40d连接在正输出24和负输出26之间。还可以通过直流至直流变换器连接到直流链路上，而非将电能存储器40直接连接在直流链路上。

图2显示了半导体开关30的一个示例，其可用于图1的不间断电源系统。半导体开关30可包括外部可切换构件36，例如晶体管、IGBT或IGCT、以及反向并联地连接在构件36上的二极管38。

图3基本显示了图1的不间断电源系统。除了或替代图1中所示不同的能量存储器40，能量存储器40d可通过另外的变换器42而连接在直流链路16上。变换器42相对于不间断电源系统10的其它构件可为集成的或独立的(外部的)变换器，其可通过控制器34进行控制。变换器42可为单向或双向运行能力的直流至直流变换器。

变换器42还可为一个降压/升压变换器或多个降压/升压变换器，每个变换器带有两个串联连接的半导体开关30，其连接在正输出24和负输出26之间，和/或每个变换器带有两个串联连接的半导体开关30，其连接在直流链路中性点28和正输出24或负输出26之间。在变换器42的两个半导体开关30之间的中点可通过电能源40d而与正输出24、负输出26或直流链路中性点28相连接。

图4显示了与之前所述相似的另一不间断电源系统10，其中输出变换器44连接在不间断电源系统10的输出16上。变换器44相对于不间断电源系统10的其它构件可为集成的或独立的(外部的)变换器，其可通过控制器34进行控制。变换器44还可为降压/升压变换器，其具有连接在正输出24和负输出26之间的两个串联连接的半导体开关30。在变换器42的两个半导体开关30之间的中点可提供和交流输出46。

或者，变换器44和/或串联连接的开关30可连接在正输出24和直流链路中性点28之间，或者连接在负输出26和直流链路中性点28之间。

交流负载18d可连接在交流输出46和中性点28之间。

应该懂得，图3和图4中具有能量存储器40d的变换器42和输出变换器44可组合在一个不间断电源系统10中。

图5显示了用于运行不间断电源系统10的流程图，不间断电源系统10可选地具有变换器42和/或44。

在步骤S10中，来自电网14的交流电压通过有源整流器19整流成直流电压。例如，整流器19的开关30可通过控制器打开和关闭，从而主动地校正不间断电源10的功率系数。然后将直流电压供给分流直流链路22。

同时可从直流链路22对电能存储器40进行充电。当具有来自电网14的正的能量流时，电能存储器40a，40b，40c一直进行充电。在电能存储器40d的情况下，可相对应地切换变换器42，直至电能存储器40d完全充电。

当电网起作用时执行步骤S10，在电网具有故障的情况下执行步骤S12。在步骤S10中，控制器34可以正常运行模式进行运行，并且在步骤S12中，控制器34可以储能运行模式进行运行。

在步骤S12中，直流链路22通过电能存储器40的放电而得到电能的供给。例如，可切换变换器42，以控制电能存储器40d的放电。

在步骤S14中，一个或多个电负载18a，18b，18c从直流链路22，要么从电网14或从其中一个或多个电能存储器40中获得电能供给。

在步骤S16中，直流链路22的两个电容器23利用降压/升压变换器20进行平衡，降压/升压变换器20可相对应地通过控制器34来切换。平衡方法包括确定和比较两个电容器的充电状态，并将能量从两个电容器的其中一个电荷较高的电容器传递至一个电荷较低的电容器。步骤S16可在正常运行模式和储能模式下执行。

当存在变换器44时，在步骤S18中，由直流链路22提供的直流电压被变换成提供给和交流负载的交流电压，或者变换成提供给直流负载的第二直流电压。变换器44可通过控制器34进行切换，以便用于产生交流输出电压或直流输出电压。

例如，变换器可通过控制器34按照以下方式进行运行：变换器44可作为限流器进行运行。变换器44可作为可调节的电压源进行运行，以便相对于直流链路电压独立地控制负载电压。变换器44可作为电流和/或电压控制装置进行运行，例如用于受控的负载拾取或关闭。变换器44可将其运行模式从连续传导改变至限流模式，从而最大限度地减小系统损失。

虽然在附图和前面的说明书中已经详细地显示和描述了本发明，但是这种图示和说明应本认为是说明性的或示例性的，而非限制性的；本发明并不局限于公开的实施例。从附图、公开和附属权利要求的研究出发，公开的实施例的其它变化可被本领域中的技术人员所理解和实现，并实践所申明的发明。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除复数。单个处理器或控制器或其它单元可实现权利要求中所陈述的若干条款的功能。在互不相同的从属权利要求中引用某些措施的事实并不意味着不能使用这些措施的组合而使优点突出。权利要求中的任何标号不应被认为限制了范围。

标号列表

10不间断电源系统

12输入

13网络中性点

13'相导体

14电网

16输出

18负载

18a，18b，18c直流负载

18d交流负载

19有源整流器

20平衡器

22直流链路

23电容器

24正输出

26负输出

28直流链路中性点

30半导体开关

32感应器

34控制器

36外部可控制的开关

38二极管

40, 40a, 40b, 40c, 40d电能存储器

42辅助功率变换器

44交流输出变换器

46交流输出。