專利名稱：支持負載平衡的不間斷電源系統和方法
技術領域：
本發明的主題涉及電源系統和方法，更具體來說涉及不間斷電源(UPS)系統和方法。
背景技術：
數據中心、工業設施、醫療設施等等常常具有受到UPS系統保護的三相AC配電系統。三相UPS系統可以用在這些應用中來提供備用電力，以便在主要公共電源發生故障的情況下維持工作。三相UPS系統通常具有“在線”配置，其包括通過DC鏈接耦合的整流器和逆變器，所述DC鏈接還耦合到輔助電源，比如電池、飛輪轉換器或者其它儲能裝置。這些應用中的一個常見目標是以高效率提供不間斷電力。為此，在線UPS可以支 持“效率”模式，其中當公共源處于標稱可接受邊界內時利用靜態開關將整流器/逆變器轉換鏈旁路，從而不會在整流器/逆變器鏈中不必要地浪費電力。此外，可以把諸如光伏源之類的可再生源耦合到在線UPS的DC鏈接以便提供補充電力，這在授予Parmley的美國專利 No. 7，411，308 以及 Jayasimha 等人的標題為 “Photovoltaic UPS” (IEEE TENCON2003 Conference on Convergent Technologies for Asia-Pacific Region，vol. 4,pp. 1419-1423,2003年)的文章有描述。
發明內容
本發明的主題的一些實施例提供一種不間斷電源(UPS)系統，其包括配置成耦合到負載的多相AC輸出；其輸出耦合到所述AC輸出的逆變器；以及操作上與所述逆變器相關聯的控制電路，該控制電路配置成在獨立于所述逆變器從AC電源為耦合到所述AC輸出的負載遞送電力的同時，使得所述逆變器補償所述負載的相不平衡。在一些實施例中，所述控制電路可以配置成使得所述逆變器在所述AC輸出處加載第一相并且從其向所述AC輸出處的第二相輸送電力，以補償耦合到AC輸出的負載的相不平衡。在一些……為電池和/或不定可變太陽能或風力電源。所述控制電路可以配置成使得所述逆變器在所述輔助電源與所述AC輸出處的相之間輸送電力，以補償所述相不平衡。在其它實施例中，所述UPS系統包括配置成耦合到所述AC電源的AC輸入，配置成從所述AC輸入接收電力的整流器，將所述整流器的輸出耦合到所述逆變器的輸入的DC鏈接，以及配置成將所述AC輸入與所述AC輸出選擇性地耦合及解耦的旁路電路。所述控制電路可以配置成在所述AC輸入通過所述旁路電路耦合到所述AC輸入時，使所述逆變器在所述AC輸出處加載第一相并且從其向所述AC輸出處的第二相輸送電力，以補償耦合到所述AC輸出的負載的相不平衡。所述DC鏈接可以耦合到輔助電源，并且所述控制電路還可以配置成使所述逆變器在所述輔助電源與所述負載之間輸送電力，以補償所述相不平衡。所述輔助電源可以包括電池或者其它儲能裝置和/或諸如太陽能電源或風力電源的不定可用電源。
另外的實施例提供一種設備，該設備包括耦合到多相AC電源的逆變器和操作上與所述逆變器相關聯的控制電路，所述控制電路配置成使所述逆變器加載所述AC電源的第一相并且從其向所述AC電源的第二相輸送電力，以補償耦合到所述AC電源的負載的相不平衡。所述逆變器可以是UPS的逆變器。本發明的主題的一些方法實施例包括將一個或更多負載耦合到多相AC電源；以及操作耦合到所述多相AC電源的逆變器，以便在獨立于所述逆變器從所述AC電源向所述負載遞送電力的同時補償所述一個或多個負載的相不平衡。所述逆變器可以是UPS的逆變器。所述逆變器的輸入可以耦合到輔助電源，并且可以通過所述逆變器在所述輔助電源與所述負載之間輸送電力，以便補償相不平衡。
圖I是示出根據本發明的主題的一些實施例的UPS系統的示意圖。……本發明的主題的一些實施例……圖3是示出根據本發明的主題的其它實施例的用于圖2的UPS系統的示例性逆變器實現方式的示意圖。圖4是示出根據本發明的主題的一些實施例的具有不定可用輔助電源的UPS系統的示意圖。圖5是示出根據本發明的主題的其它實施例的用于圖4的UPS系統的示例性逆變器實現方式的示意圖。圖6是示出根據本發明的主題的其它實施例的UPS系統的示意圖。
具體實施例方式下面將參照附圖描述本發明的主題的具體示例性實施例。但是本發明的主題也可以用許多不同形式具體實現，并且不應當理解成受限于這里闡述的實施例；更確切地，提供這些實施例是為了使得本公開內容透徹而全面，并且將向本領域技術人員完全傳達本發明的主題的范圍。在附圖中，相似的附圖標記指代相似的元件。應當理解的是，當提到某一元件“連接”或“耦合”到另一元件時，其可以直接連接或耦合到另一元件或者可以存在插入元件。這里所使用的術語“和/或”包括其中一個或多個所列出的相關聯的項目的任何及所有組合。這里所使用的術語僅僅是為了描述特定實施例，而不意圖限制本發明的主題。除非明確地另行聲明，否則這里所使用的單數形式“一個”、“一項”和“所述”也意圖包括復數形式。還應當理解的是，在本說明書中使用的術語“包括”和/或“包含”表明所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或添加一個或更多其它特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或其組合。除非另行定義，否則這里所使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)都具有與本領域技術人員通常所理解的相同的含義，到……常用字典中定義的那些……，除非在這里明確地定義，否則其含義應當被解釋為與其在本說明書和相關領域的情境中的含義一致，而不應當按照理想化或者過于正式的意義來對其進行解釋。本領域技術人員將認識到，本發明的主題可以被具體實現為系統、方法和計算機程序產品。本發明的主題的一些實施例可以包括硬件和/或硬件與軟件的組合。本發明的主題的一些實施例包括配置成提供這里所描述的功能的電路系統。應當認識到，這樣的電路系統可以包括模擬電路、數字電路以及模擬和數字電路的組合。下面將參照根據本發明的主題的各個實施例的系統和方法的框圖和/或操作圖示來描述本發明的主題的實施例。應當理解的是，框圖和/或操作圖示中的每一個框以及框圖和/或操作圖示中框的組合可以由模擬和/或數字硬件以及/或者計算機程序指令來實施。這些計算機程序指令可以提供給通用計算機、專用計算機、ASIC和/或其它可編程數據處理設備的處理器，使得通過所述計算機和/或其它可編程數據處理設備的處理器執行的所述指令創建用于實施在框圖和/或操作圖示中指定的功能/動作的裝置。在一些實現方式中，在附圖中提到的功能/動作的發生順序可以不同于在框圖和/或操作圖示中提到的順序。舉例來說，顯示為相繼發生的兩項操作實際上可以基本上同時執行，或者有時可以按照相反順序執行所述操作，這取決于所涉及的功能/動作。本發明的主題的一些實施例涉及將不定可用電源與UPS對接。這里所提到的“不 定可用電源”包括諸如太陽能、風力、潮汐以及類似的可再生能源的電源，其可用性(例如存在和容量)會隨著環境條件(例如風、太陽或潮汐改變的可用性)而波動，并且通常來說不是按需可用的。這樣的電源也可以被稱作是“可變的”、“間歇性的”或“不可調度的”，并且出于本申請的目的，這樣的源應當被稱作“不定可用電源”。……單相負載可以被人工連接到由多相UPS服務的配電系統。由于所述負載的性質及其連接方式，這可能會導致配電系統的不平衡加載。可以通過以在線模式工作的在線UPS保護提供到設施的公共電力不受該相不平衡損害，但是如果UPS以旁路高效率模式工作則所述不平衡可能反射到公共電力。本發明的主題的一些實施例來自于認識到可以通過以下措施解決這樣的不平衡使用UPS的輸出逆變器來選擇性地加載配送的相，以便補償這樣的負載不平衡。舉例來說，在一些實施例中，可以使用所述逆變器在各相之間輸送電力以便補償負載不平衡。根據其它實施例，可以替代這樣的相間電力輸送或者與之相組合地使用諸如光伏源的不定可用電源來補償負載不平衡。圖I示出了根據本發明的主題的一些實施例的系統100。系統100包括耦合到相15a、15b、15c的逆變器110，相15a、15b、15c把多相負載20連接到AC電源10。AC電源10例如可以包括公共電源和/或諸如本地發電機的本地電源。系統100的相平衡控制電路120在操作上與逆變器110相關聯，并且配置成在AC電源10獨立于逆變器110向負載20遞送電力的同時，使逆變器110選擇性地加載相15a、15b、15c以支持補償負載20的相不平衡的相間電力輸送。按照這種方式，可以由AC電源10有效地直接遞送負載20所消耗的大量電力，并且逆變器110可以限于僅僅處理補償負載20的相不平衡所需要的電量。在下面描述的在線UPS系統實施例中，可以有利地使用這樣的技術來支持具有逆變器相平衡的高效率旁路模式，該模式可以避免與使用在線操作來平衡各相相關聯的損失。在各個實施例中，系統100可以是獨立裝置或在諸如在線UPS、備用或線交互式UPS的UPS系統中。圖2示出了根據本發明的主題的一些實施例的在線UPS系統200。UPS系統200包括串聯轉換電路，所述串聯轉換電路包括通過DC鏈接215耦合的整流器210和逆變器220。整流器210的輸入耦合到AC輸入201，AC輸入201被配置成耦合到AC電源10。逆變器220的輸出配置成耦合到負載20……在AC……30，比如一個或更多電池和/或其它電源，比如燃料電池或不定可用電源(例如太陽能或風力電源)。旁路電路(例如靜態開關230)配置成耦合及解耦UPS系統200的AC輸入201和AC輸出202。舉例來說，在UPS系統200的高效率旁路模式下，靜態開關230可以用于把AC輸入201耦合到AC輸出202，從而將整流器210和逆變器220旁路。應當認識到，可以把前面描述的部件集成到一個套件中，或者可以利用具有連接電力和控制鏈接的多個互操作的套件來實施。控制電路240操作上與整流器210、逆變器220和靜態開關230相關聯。控制電路240通常可以配置成例如監測AC電源10的狀態，以便控制由整流器210和/或輔助電源30在DC鏈接215上產生的DC電壓，控制靜態開關230的操作以便提供在線和旁路操作模式，以及在在線操作期間控制由逆變器220在AC輸出202處產生的AC波形。控制電路240還配置成在整流器210和逆變器220被旁路時，即在AC電源10被旁路電路230直接耦合到負載20時，使逆變器220按照前面參照圖I所討論的那樣執行相平衡操作。如圖所示，可以通過在AC相235a、235b、235c之間輸送電力以及/或者通過在AC相235a、235b、235c和輔助電源30之間選擇性地輸送電力來實現相平衡。圖3示出了可以在根據本發明的主題的一些實施例的系統中(例如在圖2的UPS 系統200中)使用的逆變器310和相關聯的控制電路320的示例性實現方式。逆變器310包括多個脈沖寬度調制(PWM)的橋電路，它們耦合在兩條DC總線330a、330b之間并且由控制電路320響應于控制輸入來驅動，所述控制輸入例如是相340a、340b、340c的相電流ia、ib、i。。控制電路320例如可以實施控制回路，該控制回路用來控制逆變器310的各個橋電路的晶體管的占空比，以便通過在相340a、340b、340c之間以及/或者在DC總線330a、330b和相340a、340b、340c之間輸送電流來使相電流ia、ib、i。基本相等。根據本發明的主題的另外的方面，可以替代根據前面描述的相平衡和/或與之相結合地使用不定可用電源(比如太陽能或風力電源)。圖4示出了 UPS……整流器410的……耦合到配置成耦合到AC電源10的AC輸入401，并且逆變器420的輸出配置成耦合到AC輸出402處的負載20。旁路電路(例如靜態開關430)配置成耦合及解耦AC輸入401和AC輸出402。舉例來說，靜態開關430可以用來在高效率旁路模式下將AC輸入401耦合到AC輸出402，從而將整流器410和逆變器420旁路。UPS系統400還包括電池接口電路440，其被配置成將DC鏈接耦合到一個或多個電池40。在一些實施例中，電池接口電路440例如可以包括DC/DC轉換器電路，其被配置成在(一個或多個)電池40的電壓與DC鏈接415的電壓之間進行轉換。在另外的實施例中，電池接口電路440可以提供(一個或多個)電池與DC鏈接之間的非電壓轉換耦合。應當認識到，一般來說，電池接口電路440可以包括用于耦合(多個)電池40與DC鏈接415的多種部件中的任一種(比如保險絲、開關、斷路器等等)，以及可以提供例如電流和/或電壓監測或電路保護的部件。電池接口電路440可以支持DC鏈接415與(一個或多個)電池40之間的單向或雙向電力輸送。舉例來說，除了支持用于備用電源和相平衡的從(一個或多個)電池40到DC鏈接415的電能流動之外，電池接口電路440還可以用來通過從DC鏈接415向(一個或多個)電池輸送電力而為(一個或多個)電池40充電。UPS系統400還包括不定可用電源接口電路450，其被配置成將不定可用電源50(比如太陽能和/或風力電源)與DC鏈接415對接。在一些實施例中，不定可用電源接口電路450例如可以是DC/DC轉換器電路，其配置成在不定可用電源50的電壓與DC鏈接415的電壓之間進行轉換。在其它實施例中，不定可用電源接口電路450可以提供不定可用電源50與DC鏈接之間的非電壓轉換耦合。應當認識到，一般來說，不定可用電源接口電路450可以包括用于耦合不定可用電源50與DC鏈接415的多種部件當中的任一種(比如保險絲、開關、斷路器等等)，以及可以提供例如電流和/或電壓監測或電路保護的部件。……410，逆變器420和靜態開關430，并且還可以控制電池接口電路440和/或不定可用電源接口電路450。控制電路460尤其有這樣的功能，即，可以使靜態開關430將整流器410和逆變器420旁路并且控制逆變器420支持根據前面描述的相平衡，這例如是通過控制耦合到靜態開關430的相435a、435b、435c之間的電流輸送以及/或者通過在DC鏈接415與AC輸出402之間選擇性地輸送電力而實現的。例如通過在DC鏈接415與相435a、435b、435c之間選擇性地輸送電力，由不定可用電源50提供的電力可以用于這樣的相平衡目的。應當認識到，可以把UPS系統400的前面描述的部件當中的一部分或全部可以集成到一個套件中，或者可以利用具有連接電力和控制鏈接的多個互操作的套件來實施。
圖5示出了可以在根據本發明的主題的一些實施例的系統中，例如在圖4的UPS系統400中，使用的逆變器510和相關聯的控制電路520的一種示例性實現方式。逆變器510包括多個脈沖寬度調制(PWM)的橋電路，它們耦合在兩條DC總線530a、530b之間，并且由控制電路520響應于控制輸入來驅動，所述控制輸入例如為相540a、540b、540c的相電流ia、ib、i。和DC總線530a、530b的電壓V+、V_。控制電路520例如可以實施控制回路，該控制回路用來控制逆變器510的各個橋電路的對應晶體管的占空比，以便通過在相540a、540b、540c之間以及/或者在DC總線330a、330b和相540a、540b、540c中所選擇的相之間輸送電流來使相電流ia、ib、i。基本相等。DC總線530a、530b的電壓V+、V-例如可以表明是否可以從與之耦合的不定可用電源(例如光伏陣列或風力發電機)獲得用于相平衡的電力。前面參照圖2-5描述的實施例涉及在線UPS實現方式。但是本發明的主題的其它實施例可以在備用和線交互式UPS配置中實施。舉例來說，參照圖6，備用或線交互式UPS系統600可以包括逆變器610，其由相平衡控制電路620按照前面描述的那樣控制并且耦合到提供備用電力的一個或多個電池40。具體來說，逆變器610可以配置成選擇性地加載相15a、15b、15c以便支持補償負載20的相不平衡的相間電力輸送，并且/或者可以選擇性輸送電力……不平衡。在本發明的主題的一些實施例中，可以通過逆變器610為(一個或多個)電池40充電，例如控制電路620可以將所述逆變器操作為整流器以便為(一個或多個)電池40充電。在一些實施例中，可以利用單獨的電池充電器(未不出)為(一個或多個)電池40充電。對于諸如太陽能陣列的不定可用電源也可以使用類似的配置，例如可以用不定可用電源替代(一個或多個)電池40。在一些實施例中，還可以將不具備輔助電源能力的獨立裝置用于相平衡，例如使用電容器來短期存儲能量以便支持相間電力輸送的逆變器設備。在附圖和說明書中公開了本發明的示例性實施例。雖然采用了具體的術語，但是所述術語僅僅是在一般性和描述性的意義下使用的而不是為了做出限制，本發明的范圍由所附權利要求書限定。
權利要求
1.一種不間斷電源(UPS)系統,包括 配置成耦合到負載的多相AC輸出； 其輸出耦合到所述AC輸出的逆變器；以及 在操作上與所述逆變器相關聯的控制電路，該控制電路配置成在獨立于所述逆變器從AC電源為耦合到所述AC輸出的負載遞送電力的同時，使所述逆變器補償該負載的相不平衡。
2.權利要求I的UPS系統，其中，所述控制電路配置成使所述逆變器在所述AC輸出處加載第一相并且向所述AC輸出處的第二相輸送電力，以補償耦合到所述AC輸出的負載的相不平衡。
3.權利要求2的UPS系統，還包括 配置成耦合到所述AC電源的AC輸入； 配置成從所述AC輸入接收電力的整流器； 將所述整流器的輸出耦合到所述逆變器的輸入的DC鏈接；以及 配置成將所述AC輸入與所述AC輸出選擇性地耦合及解耦的旁路電路， 其中，所述控制電路配置成在所述AC輸入通過所述旁路電路耦合到所述AC輸入時，使所述逆變器在所述AC輸出處加載第一相并且向所述AC輸出處的第二相輸送電力，以便補償耦合到所述AC輸出的負載的相不平衡。
4.權利要求3的UPS系統，其中，所述DC鏈接耦合到輔助電源。
5.權利要求4的UPS系統，其中，所述輔助電源包括不定可用電源和/或電池。
6.權利要求5的UPS系統，其中，所述不定可用電源包括風力電源和/或太陽能電源。
7.權利要求I的UPS系統，其中，所述逆變器包括配置成從輔助電源接收電力的DC輸入，并且其中所述控制電路……源和所述AC輸出以補償所述相不平衡。
8.權利要求7的UPS系統，其中，所述輔助電源包括不定可用電源和/或電池。
9.權利要求8的UPS系統，其中，所述不定可用電源包括風力電源和/或太陽能電源。
10.一種設備，包括 耦合到多相AC電源的逆變器；以及 操作上與所述逆變器相關聯的控制電路，該控制電路配置成使所述逆變器加載所述AC電源的第一相并且向所述AC電源的第二相輸送電力，以補償耦合到所述AC電源的負載的相不平衡。
11.權利要求10的設備，其中，所述逆變器包括UPS的逆變器。
12.權利要求11的設備，其中，所述逆變器的輸入耦合到輔助電源，并且所述控制電路配置成使得所述逆變器在所述輔助電源與所述負載之間輸送電力以便補償所述相不平衡。
13.權利要求12的設備，其中，所述輔助電源包括電池和/或不定可用電源。
14.權利要求13的UPS系統，其中，所述不定可用電源包括風力電源和/或太陽能電源。
15.一種方法，包括 將一個或多個負載耦合到多相AC電源；以及 ……在獨立于所述逆變器從所述AC電源向所述負載遞送電力的同時……所述一個或多個負載的相不平衡。
16.權利要求15的方法，其中，所述逆變器包括UPS的逆變器。
17.權利要求16的方法，其中，所述逆變器的輸入耦合到輔助電源，并且其中所述方法還包括在所述輔助電源與所述負載之間輸送電力以補償所述相不平衡。
18.權利要求17的方法，其中，所述輔助電源包括電池和/或不定可用電源。
19.權利要求18的方法，其中，所述不定可用電源包括風力電源和/或太陽能電源。
全文摘要
本發明涉及一種不間斷電源(UPS)系統，其包括配置成耦合到負載的多相AC輸出；其輸出耦合到所述AC輸出的逆變器；以及操作上與所述逆變器相關聯的控制電路，該控制電路配置成在獨立于所述逆變器從所述AC電源為耦合到所述AC輸出的負載遞送電力的同時，使所述逆變器補償所述負載的相不平衡。
文檔編號H02J9/06GK102893480SQ201180023768
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月13日 優先權日2010年5月13日
發明者R·W·小約翰遜 申請人:伊頓公司