不间断电源设备的制作方法

提供电网支持功能的非对称配置的不间断电源系统。

背景技术：

1、电力生产的首要任务是保持电网稳定，即，提供稳定的电压和频率输出。随着可再生能源的增加，公用事业公司正在变得更为环保，而且更容易受到导致频率变化的发电或消耗的突然变化的影响。不间断电源系统(ups)在稳定电网频率方面具有重要的潜力。

技术实现思路

1、传统ups设备仅消耗功率，并不需要遵守电网规范。然而，如果大功率ups系统包括四象限整流器，则它们在稳定电网方面具有重要的潜力。

2、用于正常操作产品的传统频率调节由于高存储容量要求而不太具吸引力。

3、为了帮助电网维持标称频率，使用不同的系统来提供电网支持。特别地，可以使用优点为动态能力非常快的静态转换器。

4、使用静态转换器的第一种解决方案是电池能量存储系统(bess)。这基本上是耦合到逆变器的电池，该逆变器连接到具有允许有功功率(p)、无功功率(q)和谐波功率(h)的交换的不同控制的电网。bess允许实现除电网支持之外的不同功能，例如，无功功率补偿、峰值削波、谐波有源滤波等。从经济的角度来看，bess同时实现多个功能具有重要性。事实上，如果bess仅用于电网支持，则折旧投资所需的时间可能是个挑战。

5、使用静态转换器的第二种解决方案是不间断电源(ups)。传统的双转换ups通常由整流器(r)、逆变器(i)、电池转换器(bc)和旁路(byp)组成。电池通常连接到电池转换器。典型地，存在三种操作模式：双转换、旁路和电池放电。

6、正常操作模式是双转换，其中电网可用，电池被充电，并且负载通过由整流器和逆变器形成的双转换路径被馈送。

7、如果电网不可用，则从逆变器馈送负载，该逆变器正在通过电池转换器从电池获取功率。最后，在处于双转换模式下时出现一些内部故障的情况下，负载通过旁路被馈送。通常，整流器的电流被控制为以单位功率因数从电网汲取正弦电流，同时逆变器的电压被控制为生成干净的正弦电压以供应负载。

8、传统的ups只消耗功率，而无需遵守电网规范。然而，如果大功率ups系统包括四象限整流器，则它们在稳定电网方面具有重要的潜力。

9、本发明的各方面涉及一种如独立权利要求所述的不间断电源设备和不间断电源设备的用途。

10、本发明的有利修改在从属权利要求中得以陈述。说明书、权利要求书和附图中公开的特征中的至少两个特征的所有组合都落入本发明的范围内。为了避免重复，根据该方法公开的特征也将根据所提交的系统应用并且是可要求保护的。

11、在本发明的整个描述中，过程步骤的顺序被呈现，使得容易理解该过程。然而，本领域技术人员将认识到，许多过程步骤也可以按不同的次序执行，并且得出相同或相应的结果。在这种意义上，可以相应地改变过程步骤的顺序。一些特征具有计数字，以提高可读性或使指派更为清晰，但这并不意味着存在某些特征。

12、术语“被配置为”和等同物可以意味着某些事物被实施和/或实现和/或修改和/或构建和/或改编以提供特定功能。

13、为了实现这些和其他优点并且根据本发明的目的，如本文中所体现和广泛描述的，提供了一种不间断电源设备，被配置为向电气负载提供设计电力，该不间断电源设备包括整流器模块，电耦合到电网；逆变器模块，电耦合到整流器模块并且被配置为向负载提供设计电力；以及电池转换器模块，电耦合到整流器模块和逆变器模块，并且被配置为从整流器模块接收电力和/或被配置为向逆变器模块提供电力。

14、整流器模块被配置为从电网接收电力，并且向电网提供电力。附加地，整流器模块被配置为能够处理比逆变器模块提供的设计电力更大量的电力，以使得不间断电源设备能够向电网提供稳定支持。

15、不间断电源设备或不间断电源可以是当输入功率源或总电源发生故障时向电气负载提供紧急功率的电气装置。优选地，通过供应存储在电池、超级电容器或飞轮中的能量，不间断电源可以提供对输入功率中断的近瞬时保护。大多数不间断电源的电池开启(on-battery)运行时间相对较短，例如，仅几分钟，但这足以起动备用功率源或适当地关闭受保护设备。它是一种连续功率系统。

16、不间断电源可以用于保护诸如计算机、数据中心、电信设备、医疗设备或其他电气设备之类的硬件，在这些硬件中，意外的电源中断可能导致损伤、死亡、严重的业务中断或数据丢失。不间断电源设备的尺寸范围可以从被设计为保护单个计算机的设备到为整个数据中心或建筑物供电的大型设备。

17、不间断电源设备的设计电力或标称电力或规定电力可以由逆变器模块的能力确定，该逆变器模块被配置为向不间断电源(ups)的电气负载提供期望电力。

18、整流器模块和/或整流器子模块可以被配置为关于电流进行控制以便以单位功率因数从电网汲取正弦电流，从而减少谐波失真。

19、逆变器模块可以被配置为电压源，以向电气负载生成干净的正弦电压。

20、不间断电源设备可以提供灵活和可扩展的解决方案，以实现ups功能和对电网的稳定支持，如例如，作为一个设备内的电网支持功能的示例的增强频率响应(efr)功能。这意味着，不间断电源设备被配置为提供两种功能：电网支持和/或ups功能，并且可扩展用于小型ups系统和大型ups系统，包括不间断电源设备和电耦合到电池转换器模块的电池。

21、有利地，所描述的不间断电源设备被配置为选择性地扩展整流器转换器的功率，以便完全受益于根据电网的电网规范的国家奖励方案。

22、特别地，不间断电源设备可以被配置为用于包括整流器模块需求的完全对称的电网支持能力，该整流器模块需求相对于可以被处理的电力与可以被逆变器模块处理的电力相比可能“过大”。这种整流器模块例如可以包括两个整流器子模块，它们被耦合和配置为根据需要可选地并行操作。

23、电网的电网规范详细说明了连接和使用国家输电系统(nets)的技术要求。

24、所描述的不间断电源设备可以被配置为根据特定电网支持算法进行控制，并且因为对于可变的电气负载，不间断电源设备必须被配置为根据需要提供100％的电气负载，所以被优化以在向电网提供稳定支持方面获得全部益处。对于这种情形，不间断电源设备包括整流器模块，该整流器模块被配置为处理与逆变器模块所提供的设计电力相比更大量的电力，以为电网提供非对称和/或对称的稳定支持，特别是通过存储电力和/或从可以电耦合到电池转换器模块的电池向电网提供电力/从电网提供电力。

25、用于电网的对称稳定支持意味着，在功率电网频率太低的情况下，可以提供电力；并且在功率电网频率太高的情况下，即使具有100％的电气负载，也可以分别从功率电网接收电力，吸收电力。

26、有利地，不间断电源设备提供灵活和可扩展的解决方案以实现不间断电源(ups)和例如增强频率响应(efr)功能。这可以使电网支持奖励方案的收益最大。包括两个全功率整流器子模块的整流器模块允许甚至在由不间断电源设备提供的最大电气负载下获得完全对称的设计电力能力。

27、如果最大电气负载小于设计电力，根据不间断电源设备的电气负载，整流器子模块中的整流器子模块可以在电力降低的情况下操作。

28、不间断电源可以被配置为正常操作模式与电网支持操作模式之间的无缝转换，同时通常提供电流和电压的低谐波失真。

29、作为示例，因为耦合到不间断电源设备的电池所需的低电存储容量，所以不间断电源设备可以被配置为支持针对扰动的频率调节(fcr-d)和/或快速频率调节。这意味着，可以电耦合到ups的电池无需过大。因此，典型的数据中心所有者不需要增加他的投资以受益于电网支持的收入。

30、有利地，不间断电源设备不仅可以用于保护临界负载，而且同时它们可以提供生成收入的电网支持。

31、换句话说，不间断电源设备可以被配置为选择性地扩展整流器模块的电力，以便完全受益于国家奖励方案。如果整流器模块包括和操作至少两个全功率整流器子模块，如在操作点p3中，如下所述，则即使在最大ups负载下，ups也具有完全对称地支持电网的能力。

32、本文中不考虑包括在整流器模块和/或逆变器模块和/或电池转换器模块中的转换器损耗。对于转换器的过载操作同样如此，因为这些均为瞬态条件。

33、作为示例，不间断电源设备可以用作快速储备产品，因为它们更适合于ups，因为它们不需要电池(其可以电耦合到电池转换器模块)的尺寸过大。这可以提高解决方案的经济利益。然而，所提出的不间断电源设备也适用于能量密集型储备产品。

34、从电池尺寸设计的角度以及因为所考虑的快速储备产品，电池的尺寸通常无需过大。

35、不间断电源设备对负载的典型支持时间可能为短时间，如例如，5分钟至10分钟。

36、根据一个方面，整流器模块被配置为分别接收、吸收来自电网的电力并且向电网提供电力，并且整流器模块能够和/或被配置为处理比逆变器模块的设计电力更大量的电力，以使得不间断电源设备能够向电网提供对称的稳定支持。

37、根据一个方面，不间断电源设备被配置为向电网提供电力；并且其中逆变器模块耦合到不间断电源设备的输出，优选地，用于向电气负载提供设计电力。

38、根据一个方面，整流器模块被配置为处理逆变器模块的电力至少两倍量的电力。

39、根据一个方面，整流器模块被配置为将处理一定量的电力的能力扩展到超过可选地根据需要处理逆变器模块的电力的能力。

40、可替代地或附加地，如果不间断电源设备的最大电气负载小于ups的设计电力，则可以在电力降低的情况下操作至少两个整流器子模块中的一个整流器子模块，该降低的电力可以等于ups的电气负载。可替代地或附加地，不间断电源设备可以被配置为选择性地扩展用于整流器模块的附加功率，例如，通过提供设计电力的150％，该附加功率可操作地适应实际电气负载。不间断电源设备可以被配置为包括至少两个整流器子模块以选择性地扩展附加功率。

41、根据一个方面，该整流器模块包括至少两个整流器子模块，其中这些子模块中的每个子模块的尺寸被确定为根据该逆变器模块处理功率的能力来处理一定量的电力；并且其中整流器模块被配置为电耦合这些子模块，可选择这些子模块以对与逆变器模块一样处理更大量的电力，从而向电网提供稳定支持。

42、根据一个方面，不间断电源设备可以通过使用相应种类的子模块来构建整流器模块和/或逆变器模块和/或电池转换器模块而进行模块化配置，并且不间断电源设备关于一种子模块的数目进行非对称配置，使得被配置为并联电耦合的整流器模块的大量子模块大于被配置为并联电耦合的逆变器模块的大量子模块。

43、相应子模块可以被配置为根据经实时处理的功率而在运行中被启用，即，如果对高电力进行了处理，则并联电耦合的整流器子模块的数目和/或并联电耦合的逆变器子模块的数目高于在低处理功率下被启用的子模块的数目。这意味着如果经处理的功率的需求较低，则可以停用整流器模块和/或逆变器模块的可用数目的子模块的一部分。这提高了不间断电源设备的效率。

44、有利地，模块化可配置不间断电源设备使得能够选择性地扩展相应模块的电力能力。

45、根据一个方面，整流器子模块中的至少一个整流器子模块被配置为在不间断电源设备的完全操作期间被启用或停用，以扩展整流器模块处理一定量的电力的能力，优选地，以向电网提供稳定支持。

46、换句话说，不间断电源设备被配置为根据实时需要调整处理较高量的电力或较低量的电力的能力。

47、这意味着相应子模块和/或不间断电源设备被配置为在完全操作模式期间通过包括子模块或将其解耦来增加或减小功率，以避免电网支持和/或电气负载的任何瞬态干扰。

48、运行中操作或切换意味着在完全操作模式下实时进行操作或切换。

49、有利地，因为运行不间断电源设备或相对于其功率能力具有小负载的模块会减小其效率，所以将模块(特别是，整流器模块)配置为能够通过子模块的电耦合或解耦来处理较大量的电力增加了不间断电源的效率。

50、作为示例，如果不间断电源设备被设计为用于500kw的电力，则比如整流器模块可以包括两个整流器子模块，每个整流器子模块具有处理500kw的能力，以具有处理比逆变器模块的设计电力更大量的电力的能力。

51、根据一个方面，整流器模块的子模块被配置为使用交错调制来操作以减少电流失真。

52、根据一个方面，整流器子模块和/或逆变器子模块和/或电池转换器模块被配置为并联电耦合，以增加或减小处理电力的能力，整流器子模块和/或逆变器子模块和/或电池转换器模块可以被配置为在交错调制模式下操作，以进一步减少电流失真并且适应滤波要求。这可以减少换向损耗。

53、根据一个方面，整流器模块被配置为同时向逆变器模块和电网供应电力。

54、根据一个方面，整流器模块被配置为在四象限中操作电力以向电网提供电力。

55、在四i-u象限中操作电力可以意味着相应模块和/或相应模块的逆变器能够从其输入和/或输出接收电力和向其输入和/或输出提供电力。

56、根据一个方面，不间断电源设备包括控制单元，该控制单元被配置为控制不间断电源，以用于从电网接收电力和/或用于根据电网规范向电网提供电力。

57、电网规范详细说明了连接和使用国家输电系统(nets)的技术要求。

58、根据一个方面，不间断电源设备被配置为测量电网频率，优选地，通过控制单元测量电网频率，以基于所测量的电网频率适应从电网接收的或提供给电网的电力，以向电网提供稳定支持。

59、根据一个方面，仅通过一个模块或在功率辅助服务减少而与临界负载水平无关的情况下，ups测量电网频率并且基于所测量的电网频率来在线调整来自功率电网的消耗功率，以提供对称或非对称的稳定支持。

60、有利地，具有对称或对称稳定支持的不间断电源设备(ups)可以满足不同客户和/或国家的不同要求。

61、根据一个方面，控制单元被配置为在降低的充电状态下操作电耦合到电池转换器模块的电池，以使得不间断电源设备能够向电网提供对称的稳定支持。

62、作为示例，电池可以在降低的充电状态下操作，如例如，在其负载容量的70％下操作，以提供对称的辅助服务。

63、可以耦合到不间断电源设备的电池的电池技术可以适合于在所需的功率水平和高达ups的设计功率下进行快速电池充电和放电。作为示例，可以使用现代锂离子电池。

64、对于不间断电源设备在快速响应储备方面的使用，电池的容量不需要过大。作为示例，典型的临界功率应用的自主性为6分钟至10分钟，其允许隔离电网支持时段为约30秒至60秒。

65、考虑到电池管理的具体要求，可以针对专用储备产品来选择电池的设定点。

66、作为示例，对于自主性为10分钟的电池和2分钟的最大电网支持持续时间，电池充电的典型标称设定点在电网支持可用性窗口的开始处可能为80％。这样，在电网支持可用性窗口期间，可以增加或减小ups的功耗。刚好就在电网支持可用性窗口之后，电池充电的设定点可能再次位于80％。

67、根据一个方面，不间断电源设备被配置为在完全操作期间基于从通信装置接收的参考功率命令来调整从电网接收的电力，以向电网提供稳定支持。

68、换句话说，可以操作不间断电源设备以依据所测量的频率调整稳定支持和/或依据根据特定协议提供的命令调整稳定支持。不间断电源设备可以被配置为提供对称或非对称的辅助服务而与实际负载水平无关。

69、根据一个方面，不间断电源设备包括旁路电路系统，该旁路电路系统被配置为可选地根据需要提供整流器模块的输入与逆变器模块的输出的电耦合；并且其中不间断电源设备被配置为从电网接收电力和/或根据电网规范向电网提供电力。

70、有利地，当旁路被启用时，包括旁路电路的不间断电源设备可以被配置为提供辅助服务。

71、提出了使用如上所述的不间断电源设备来为电网提供稳定支持。

72、因为如果ups提供了辅助服务，则整流器所处理的功率与逆变器所处理的功率相比可能不同，所以经启用的并联整流器模块的数目与经启用的并联逆变器模块的数目相比可能不同。