冗余不間斷電源系統的制作方法
【專利說明】冗余不間斷電源系統
[0001]相關申請交叉引用
[0002]本申請是非臨時申請，要求于2014年3月11日申請的名稱為“REDUNDANTUNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY SYSTEMS” 的美國臨時專利申請序號 61/951，286 的優先權，其通過引用被全部并入本文中。
技術領域
[0003]本發明的領域一般涉及不間斷電源，并且更具體地涉及在環形母線(ring bus)架構中實現不間斷電源。
【背景技術】
[0004]健壯的功率系統能夠將功率供應到一個或多個負載。這些功率系統可以包括功率的產生、傳輸、整流、逆變和變換的組合以供應用于電子、光、機械和/或核應用和負載的能量。當實現功率系統和架構時，實際的考慮因素包括成本、大小、可靠性和實施容易度。
[0005]在至少一些已知的功率系統中，一個或多個不間斷電源(UPS)便于將功率供應到負載。UPS便于確保即使在功率系統的一個或多個組件故障時，功率也被連續地供應到一個或多個重要負載。因此，UPS提供冗余電源。UPS可以用在許多應用中(例如，公用電網變電站、工廠、海上系統、高安全性系統、醫院、數據通訊和遠程通訊中心、半導體制造基地、核電廠等)。進一步地，UPS可以用在高、中或低功率的應用中。例如，UPS可以用在相對小的功率系統(例如娛樂或消費系統)或微型系統(例如基于芯片的系統)中。
[0006]在至少一些已知的功率系統中，不同的電源(諸如單獨的UPS)可能相互干擾。如果電源相互之間不同步，則他們可能開始相互覆蓋，引起振蕩或其它不期望的效應，影響傳送到一個或多個負載的功率。進一步地，從UPS上突然斷開負載可能在功率系統中產生不期望的暫態效應。
【發明內容】
[0007]在一個方面，提供了一種系統。所述系統包括:多個不間斷電源UPS、環形母線、至少一個負載，所述至少一個負載電耦連到所述多個UPS和所述環形母線；以及控制器，所述控制器通信耦連到所述多個UPS。所述控制器被配置成:計算所述多個UPS中每一個UPS的輸出電壓頻率；以及基于相應計算的輸出電壓頻率控制每個UPS的操作。
[0008]在另一方面，提供了一種用于控制電源系統的控制器，所述電源系統包括多個不間斷電源UPS、環形母線和電耦連到所述多個UPS和所述環形母線的至少一個負載。所述控制器包括:處理器以及存儲裝置，所述存儲裝置通信耦連到所述處理器，所述存儲裝置存儲可執行指令，所述可執行指令被配置成使所述處理器:計算所述多個UPS中每一個UPS的輸出電壓頻率；以及基于相應計算的輸出電壓頻率控制每個UPS的操作。
[0009]在又一方面，提供了一種控制電源系統的方法。所述電源系統包括多個不間斷電源UPS、環形母線和電耦連到所述多個UPS和所述環形母線的至少一個負載。所述方法包括:使用通信耦連到所述多個UPS的控制器計算所述多個UPS中每一個UPS的輸出電壓頻率；以及基于相應計算的輸出電壓頻率控制每個UPS的操作。
【附圖說明】
[0010]圖1是示意性電源系統的示意圖。
[0011]圖2是圖1中所示的系統的簡化圖。
[0012]圖3是可以用來控制圖1中所示的系統的示例性下垂(droop)特征法則的圖。
[0013]圖4是圖示將不間斷電源(UPS)熱切入到功率系統中的示意圖。
[0014]圖5A-5C是圖解說明圖4中所示的熱切換過程的不同階段的操作點的圖。
[0015]圖6A和6B是圖解說明突然從功率系統中移去負載的效果的簡化圖。
[0016]圖7是圖解說明可以用在圖1和2所示的系統的示例性控制算法的邏輯圖。
_7] 具體實現方式
[0018]這里描述不間斷電源系統的示例性實施例。多個不間斷電源排列成環形母線布置，并被配置成將功率供應到至少一個負載。控制裝置通信耦連到多個不間斷電源。控制裝置計算多個不間斷電源中每一個的輸出電壓頻率，以及控制不間斷電源，使得每個不間斷電源在其相應的計算頻率下操作以將功率供應到至少一個負載。
[0019]圖1是示例性冗余隔離-并聯(IP)不間斷電源(UPS)系統100的示意圖。在示例性實施例中，系統100包括排列成如本文中描述的環形架構或并聯架構的多個UPS 102。具體地，在示例性實施例中，系統100包括第一 UPS 104、第二 UPS 106、第三UPS 108和第四UPS 110。替代性地，系統100可以包括能夠使系統100如本文中描述的起作用的任何數目的UPS 102。在示例性實施例中，系統100是三線制系統。替代性地，系統100可以是四線制系統(即包括到達每個負載的中性線的系統)。
[0020]在示例性實施例中，UPS 102是靜態雙變換UPS (即真正的在線系統的系統)。靜態和旋轉UPS可能需要用于電壓和頻率的下垂控制技術。在一些情況下，單獨用于頻率的下垂控制可能是足夠的。在一些實施例中，下垂控制技術根據負載是線性的或非線性的被適應性修改。
[0021]系統100便于將功率提供給一個或多個負載120。在正常運行下，一個或多個公用電網122用作電源，將功率提供給負載120。公用電網122可以向系統100提供交流(AC)或直流(DC)電。在來自公用電網122的功率未能到達負載120 (例如由于公用電網122和/或公用電網122和負載120之間的裝置故障)的情況下，系統100利用UPS 102保持將功率流向負載120，正如本文中描述的那樣。在示例性實施例中，系統100包括第一負載124、第二負載126、第三負載128和第四負載130。替代性地，系統100可以包括能夠使系統100如本文中描述的起使用的任何數目的負載120。
[0022]每個負載120電耦連于關聯的UPS 102和環形母線132之間。具體地，在示例性實施例中，每個負載120通過關聯的負載斷路器134耦連到環形母線132。進一步地，環形母線132包括多個環形母線斷路器136。在環形母線132的任何區段故障或關斷的情況下，系統100的架構確保功率仍然能夠到達負載120。值得注意的是，圖1中所示的架構只是示例性的。例如，在一些實施例中，負載120可以直接耦連到環形母線132或者可以耦連于UPS 102之間。進一步地，系統100可以包括直接耦連到環形母線132的另外的UPS 138。
[0023]在示例性實施例中，每個UPS 102電耦連于輸入開關裝置140和輸出開關裝置142之間。輸入開關裝置140電耦連到并聯開關裝置144，并聯開關裝置144又通過關聯的變壓器146電耦連到公用電網122。在示例性實施例中，每個并聯開關裝置144還電耦連到一個或多個地148。開關裝置140、142和144可以包括本地電路、遠程同步電路和/或便于衰減環形母線132上的擾動、干擾和/或串擾以向負載120提供清潔電力的軟件。在示例性實施例中，每個輸出開關裝置142直接電耦連到關聯負載120，并通過關聯的扼流線圈150 (例如電感器)耦連到環形母線132。
[0024]在系統100中，在沒有適當同步情況下，UPS 102可能干擾另一個和/或開始覆蓋另一個，引起振蕩或其它不期望的效應。因此，在示例性實施例中，控制器(圖1中未顯示)控制UPS 102的工作。更具體地，如本文中描述的，控制器控制每個UPS 102的輸出電壓的頻率。如本文中描述的，以功率的函數來計算每個UPS 102的頻率。
[0025]圖2是系統100的簡化圖。如圖2中所示，控制器200通信耦連到第一 UPS 104、第二 UPS 106、第三UPS 108和第四UPS 110中的每一個。盡管圖2中示出了單個控制器200，但替代性地，單獨的控制器可以控制每個UPS 102的工作。控制器200可以包括其自己的電源系統(未顯示)，諸如專用能源(例如電池)。在一些實施例中，控制器200耦連到替代控制器(未顯示)，該替代控制器可以在控制器200故障時使用。控制器200可以控制系統100在相當大的地理區域上的配電和管理。
[0026]在示例性實施例中，控制器200是通過通信耦連到存儲器裝置204以用于執行指令的處理器202實現的。在一些實施例中，可執行指令存儲在存儲裝置204中。替代性地，控制器200可以使用能夠使控制器200如本文中描述的控制UPS 102的工作的任何電路來實現。例如，在一些實施例中，控制器200可以包括狀態機，其學習或預編程以確定關于哪些負載120需要功率的信息。例如，控制器200可以動態地確定需要哪些電源以及那些電源需要以什么性能水平和環境條件(例如，溫度、濕度、時間等)工作。控制器200可以執行動態監控以確定給定負載120是否滿意所傳送的功率，以及所傳送的功率是否沒有諧波、瞬變等等。在一些實施例中，動態監控可以包括跟蹤資源使用以確定應當傳送多大的電流或電壓。控制器200還可以監控和/或控制速度(即帶寬)和逆變器容量(例如過載、無功、有功)，以便于確保系統100的可靠性，最小化UPS 102的性能退化。
[0027]控制器200還可以包括狀態機調度器，其被配置成選擇性激活或禁止電源，設置電壓和電流水平和/或采取節省功率的措施(例如降低電流傳送)。控制器200還可以跟蹤系統100的特征(例如靜態功率分配)以確定系統100的一個或多個組件是否應當投入備用或是否應當轉移功率。
[0028]在示例性實施例中，控制器200通過對處理器202編程執行本文中描述的一個或多個工作。例如，處理器202可以通過將工作編碼為一