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CN116137458A - 旁路电源共享不间断电源 - Google Patents

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CN116137458A
CN116137458A CN202111367102.3A CN202111367102A CN116137458A CN 116137458 A CN116137458 A CN 116137458A CN 202111367102 A CN202111367102 A CN 202111367102A CN 116137458 A CN116137458 A CN 116137458A
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CN
China
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inverter
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uninterruptible power
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郝玉龙
阳跃
郑大为
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Santak Electronic Shenzhen Co Ltd
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Santak Electronic Shenzhen Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种旁路电源共享不间断电源，包括：输入端，其被配置用于连接至市电；输出端，其被配置用于连接至负载；电流传感器，其设置在所述输出端，用于感测所述不间断电源的输出电流；旁路支路，其设置在所述输入端和所述输出端之间；和逆变支路，其包括整流器、逆变器和储能电池，所述整流器的一端连接至所述输入端，另一端连接至逆变器的一端，所述逆变器的另一端连接至所述输出端，所述储能电池连接至所述整流器和所述逆变器之间的节点，其中，所述不间断电源被设置为能够以市电模式工作，在所述市电模式下，对所述逆变支路进行电流环控制，使得所述旁路支路和所述逆变支路共同地提供所述不间断电源的输出电流。

Description

旁路电源共享不间断电源
技术领域
本发明属于电力电源领域，尤其涉及一种旁路电源共享不间断电源。
背景技术
不间断电源(UPS)是一种向负载提供不间断、优质、可靠的交流电能，并具有实时保护和监测监控供电状态功能的供电设备，对改善供电质量、保证设备正常运行有着重要的作用。UPS主要包括整流器、逆变器、充电器和旁路支路。当市电输入正常时，充电器给诸如电池的存储设备存储电能；当市电中断时，UPS立即切换至电池模式继续运行；而当UPS故障时，转换至旁路支路继续给负载供电，从而实现不间断供电。
通常情况下，UPS的旁路支路和逆变支路不能同时工作，因为旁路支路和逆变支路都是采用电压源，两条支路同时工作会造成二者之间的不可控大电流，继而对UPS造成损伤。为了节能，越来越多的用户选择通过旁路支路供电，在需要的时候再切换至逆变支路，例如伊顿公司的节能系统(energy save system，ESS)模式UPS。这种情况下，如果旁路支路工作的时候逆变支路完全断开，逆变支路就无法给电池储能，并且从旁路支路向逆变支路的切换过程也需要大约4～10ms的较长的切换时间。此外，旁路支路和逆变支路各自的过载能力也是有限的。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种旁路电源共享不间断电源，包括：
输入端，其被配置用于连接至市电；
输出端，其被配置用于连接至负载；
电流传感器，其设置在所述输出端，用于感测所述不间断电源的输出电流；
旁路支路，其设置在所述输入端和所述输出端之间；和
逆变支路，其包括整流器、逆变器和储能电池，所述整流器的一端连接至所述输入端，另一端连接至逆变器的一端，所述逆变器的另一端连接至所述输出端，所述储能电池连接至所述整流器和所述逆变器之间的节点，
其中，所述不间断电源被设置为能够以市电模式工作，在所述市电模式下，对所述逆变支路进行电流环控制，使得所述旁路支路和所述逆变支路共同地提供所述不间断电源的输出电流，其中，将所述电流传感器感测的所述不间断电源的输出电流反馈至所述逆变器的输入端，所述逆变器基于反馈电流调节所述逆变支路的输出电流，从而使得所述逆变支路的输出电流和所述旁路支路的输出电流的和满足预定值。
根据本发明的不间断电源，优选地，如果所述逆变支路的输出电流小于所述预定值，所述旁路支路提供正向电流从而补充所述逆变支路的输出电流。
根据本发明的不间断电源，优选地，如果所述逆变支路的输出电流大于所述预定值，所述旁路支路提供反向电流从而释放多余的电能。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述不间断电源被配置为能够在所述市电故障时以电池模式工作，其中利用所述储能电池提供所述不间断电源的输出电流。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述不间断电源被配置为能够在所述逆变支路故障时以旁路模式工作，其中利用所述市电通过所述旁路支路提供所述不间断电源的输出电流。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述储能电池包括可充电电池。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述储能电池还包括并联至所述可充电电池的新能源电池。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述逆变支路还包括第一DC/DC变换器，其被配置为连接在所述储能电池和所述逆变器之间。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述逆变支路还包括储能功率模块，所述储能功率模块的一端连接至所述储能电池，另一端被配置为可连接至电网，用于将所述储能电池的电能提供给所述电网。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述市电模式包括：
用电低谷模式，其中，利用市电给所述储能电池充电；和
用电高峰模式，其中，所述储能电池通过所述储能功率模块给所述电网供电。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述电网包括所述负载，在所述用电高峰模式，利用所述储能电池和市电共同地给所述负载供电。
根据本发明的不间断电源，优选地，所述储能功率模块包括换流器和第二DC/DC变换器，所述换流器的一端被配置为连接至电网，另一端连接至所述第二DC/DC变换器的一端，所述第二DC/DC变换器的另一端连接至所述储能电池。
与现有技术相比，本发明的旁路电源共享UPS带载能力强、旁路切换时间短、电池利用率高、节约电力资源。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明第一实施例的旁路电源共享UPS的电路拓扑示意图；
图2为根据本发明第二实施例的旁路电源共享UPS的电路拓扑示意图；以及
图3为根据本发明第三实施例的旁路电源共享UPS的电路拓扑示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
本发明的第一实施例提供一种旁路电源共享UPS，参见图1所示的该第一实施例的旁路电源共享UPS的电路拓扑示意图，其包括旁路支路1和逆变支路2。
旁路支路1包括旁路开关K1，优选地还包括串联至旁路开关K1的旁路电流传感器S1。
逆变支路2包括逆变开关K2、整流器201、逆变器202、DC/DC转换器203、可充电电池204以及可选地逆变电流传感器S2。可充电电池204的输出端通过DC/DC转换器203连接至整流器201和逆变器202之间的节点。逆变电流传感器S2连接至逆变器202的输出端。旁路开关K1和逆变开关K2分别用于控制旁路支路1和逆变支路2的导通和断开。在本发明中，旁路支路1和逆变支路2共同地提供不间断电源的输出电流以给负载R供电，输出电流传感器S3用于监测不间断电源的输出电流，即负载R的输入电流Ii。采用电流环控制所述逆变支路2的输出电流以使得逆变支路的电流与旁路支路的电流的和满足预定值，该预定值根据负载R所需的电流值来确定。电流环指电流反馈系统，通常指将输出电流采用正反馈或负反馈的方式接入处理环节的方法。在本发明中，输出电流传感器S3感测不间断电源的输出电流并将其反馈至逆变器202的输入端，逆变器202基于反馈的电流调节逆变支路输出电流。在本发明中，如果负载电流为IR，逆变支路输出电流为Ii，旁路支路输出电流为Ib，那么Ii+Ib＝IR，其中，如果IR>Ii，那么Ib为正，旁路支路提供正向电流给负载供电；如果IR<Ii，那么Ib为负，旁路支路提供反向电流向电网放电。本领域技术人员应当理解，旁路电流不能超过旁路支路的额定电流，逆变电流不能超过逆变支路的额定电流。该第一实施例的旁路电源共享UPS的工作模式如下：
市电模式：
市电通过旁路支路1和逆变支路2共同地给负载R供电。一方面，市电通过旁路支路1给负载R提供第一电流，如前面讨论的，第一电流可正可负；另一方面，整流器201将市电交流输入转换为直流输出，逆变器202将整流器201的直流输出转换为稳定的交流输出从而给负载R提供第二电流。与此同时，DC/DC转换器203用作充电器，其接收来自整流器201的直流输出从而给可充电电池204充电。
电池模式：
市电故障时，可充电电池204单独地给负载R供电。此时，DC/DC转换器203将来自可充电电池204的较不稳定的直流电转换为稳定的直流输出，再通过逆变器202转换为交流输出提供给负载R。
旁路模式：
当逆变支路2故障时，市电直接通过旁路支路1给负载R供电。
该实施例的旁路电源共享UPS中，旁路支路1和逆变支路2共同地给负载R供电，一方面明显提高了UPS的带载能力，甚至能够连续支持高达200％的过载，另一方面还可以通过旁路支路1将多余的电量释放至电网，提高了UPS的适用性。另外，当UPS的逆变支路2故障时，旁路支路1继续给负载供电，无需再进行逆变支路和旁路支路之间的切换，切换时间为零。
第二实施例
该第二实施例提供另一种旁路电源共享UPS，其中，可充电电池204可以作为辅助供电设备向电网供电，以提高电池的利用率，避免资源浪费。其中，电网可以是市电、内部电网或者其他需要供电的负载网络。
参见图2所示的第二实施例的旁路电源共享UPS的电路拓扑示意图，其包括旁路支路1和逆变支路2，具体电路拓扑与第一实施例的电路拓扑相同，区别在于，可充电电池204还通过储能功率模块连接至电网，储能功率模块包括DC/DC转换器205和换流器206，换流器206的交流端连接至电网，直流端连接至DC/DC转换器205的一端，DC/DC转换器205的另一端连接至可充电电池204。在该实施例中，换流器206是双向变换的，既可以将交流转换为直流(AC-DC变换，整流功能)也可以将直流转换为交流(DC-AC变换，逆变功能)。
当储能功率模块向外部电网供电时，可充电电池204把直流电传输至DC/DC转换器205，DC/DC转换器205将来自可充电电池204的较不稳定的直流电转换为稳定的直流电压输出至换流器206，换流器206将直流电压转换为交流电输出至电网。电网也可以对可充电电池204进行充电，换流器206将来自电网的交流电转换为直流电并输出至DC/DC转换器205，DC/DC转换器205将直流电转换为稳定的直流电压输出至可充电电池205对可充电电池205进行充电。
同样地，在该实施例中，旁路支路1和逆变支路2共同地提供不间断电源的输出电流以给负载R供电，采用电流环控制所述逆变支路2的输出电流以使得逆变支路的电流与旁路支路的电流的和满足预定值。该第二实施例的旁路电源共享UPS的工作模式如下：
市电模式：
用电低谷(例如夜晚)：市电通过旁路支路1和逆变支路2共同地给负载R供电。一方面，市电通过旁路支路1给负载R提供第一电流，同样地，第一电流可正可负；另一方面，整流器201将市电交流输入转换为直流输出，逆变器202将整流器201的直流输出转换为稳定的交流输出从而给负载R提供第二电流。与此同时，DC/DC转换器203用作充电器，其接收来自整流器201的直流输出从而给可充电电池204充电。
用电高峰(例如白天)：可充电电池204用作辅助电源通过储能功率模块给电网供电。具体地，可充电电池204的输出的直流电通过DC/DC转换器205转换为稳定的直流电压并输出至换流器206，换流器206将直流电压转换为交流电输出至电网，这就避免了电池闲置，提高了电池利用率。可选地，还可以同时通过可充电电池204对负载和电网进行供电，可以通过控制器控制和分配对负载和电网分别进行供电的电压。特别地，可充电电池204作为辅助电源给负载R供电。具体地，一方面，市电通过旁路支路1给负载R提供第一电流；另一方面，整流器201将市电交流输入转换为直流输出从而给逆变器202提供第一直流电，同时，可充电电池204通过DC/DC转换器203给逆变器202提供第二直流电，逆变器202将第一直流电和第二直流电的和转换为稳定的交流输出从而给负载R提供第二电流。
电池模式：
市电故障时，可充电电池204单独地给负载R供电。此时，DC/DC转换器203将来自可充电电池204的较不稳定的直流电转换为稳定的直流输出，再通过逆变器202转换为交流输出提供给负载R。
旁路模式：
当逆变支路2故障时，市电直接通过旁路支路1给负载R供电。
该实施例的旁路电源共享UPS中，旁路支路1和逆变支路2共同地给负载R供电，明显提高了UPS的带载能力，提高了UPS的适用性。另外，当UPS的逆变支路2故障时，旁路支路1继续给负载供电，无需再进行逆变支路和旁路支路之间的切换，切换时间为零。此外，该实施例的旁路电源共享UPS的可充电电池204可以根据输入输出功率及电网负荷，按需或者实时调整用电峰谷状态，在用电高峰时回馈电网，在用电低谷时进行充电，实现内部电网的错峰调节，属于内网需求调整，可以避免孤岛效应。
第三实施例
本发明的第三实施例提供又一种旁路电源共享UPS，参见图3所示的该第三实施例的旁路电源共享UPS的电路拓扑示意图，其拓扑结构和工作模式与第一实施例的旁路电源共享UPS基本相同，区别在于，可充电电池204与新能源电池207并联构成储能电池，共同地作为UPS的电池组件。新能源电池207例如太阳能电池。在该实施例中，市电故障时，可充电电池204和新能源电池207共同地给负载R供电。此时，DC/DC转换器203将来自可充电电池204和太阳能电池207的较不稳定的直流电转换为稳定的直流输出，再通过逆变器202转换为交流输出提供给负载R。这样，通过新能源的补充，节约了电力资源。
根据其他实施例，新能源电池207的输出直接通过逆变器202的转换后提供给负载R，无需进行DC/DC转换。另外，应当注意，在本发明中，DC/DC转换器主要用于输出稳定电压以及进行电压匹配，如果可充电电池的输出本身是足够稳定的，并且可充电电池的输出电压与负载或者电网是匹配的，则可以省略DC/DC转换器。
根据其他实施例，新能源电池207和可充电电池204共同地通过储能功率模块连接至电网，这可以看作是第二实施例的旁路电源共享UPS的进一步改进，这在提高电池利用率的基础上采用了新能源，进一步避免资源浪费。
本发明的旁路电源共享UPS明显提高了UPS的带载能力、消除了旁路切换时间、提高了电池利用率、节约了电力资源。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (12)

1.一种旁路电源共享不间断电源，包括：
输入端，其被配置用于连接至市电；
输出端，其被配置用于连接至负载；
电流传感器，其设置在所述输出端，用于感测所述不间断电源的输出电流；
旁路支路，其设置在所述输入端和所述输出端之间；和
逆变支路，其包括整流器、逆变器和储能电池，所述整流器的一端连接至所述输入端，另一端连接至逆变器的一端，所述逆变器的另一端连接至所述输出端，所述储能电池连接至所述整流器和所述逆变器之间的节点，
其中，所述不间断电源被设置为能够以市电模式工作，在所述市电模式下，对所述逆变支路进行电流环控制，使得所述旁路支路和所述逆变支路共同地提供所述不间断电源的输出电流，其中，将所述电流传感器感测的所述不间断电源的输出电流反馈至所述逆变器的输入端，所述逆变器基于反馈电流调节所述逆变支路的输出电流，从而使得所述逆变支路的输出电流和所述旁路支路的输出电流的和满足预定值。
2.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，如果所述逆变支路的输出电流小于所述预定值，所述旁路支路提供正向电流从而补充所述逆变支路的输出电流。
3.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，如果所述逆变支路的输出电流大于所述预定值，所述旁路支路提供反向电流从而释放多余的电能。
4.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述不间断电源被配置为能够在所述市电故障时以电池模式工作，其中利用所述储能电池提供所述不间断电源的输出电流。
5.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述不间断电源被配置为能够在所述逆变支路故障时以旁路模式工作，其中利用所述市电通过所述旁路支路提供所述不间断电源的输出电流。
6.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述储能电池包括可充电电池。
7.根据权利要求6所述的不间断电源，其中，所述储能电池还包括并联至所述可充电电池的新能源电池。
8.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述逆变支路还包括第一DC/DC变换器，其被配置为连接在所述储能电池和所述逆变器之间。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的不间断电源，其中，所述逆变支路还包括储能功率模块，所述储能功率模块的一端连接至所述储能电池，另一端被配置为可连接至电网，用于将所述储能电池的电能提供给所述电网。
10.根据权利要求9所述的不间断电源，其中，所述市电模式包括：
用电低谷模式，其中，利用市电给所述储能电池充电；和
用电高峰模式，其中，所述储能电池通过所述储能功率模块给所述电网供电。
11.根据权利要求10所述的不间断电源，其中，所述电网包括所述负载，在所述用电高峰模式，利用所述储能电池和市电共同地给所述负载供电。
12.根据权利要求11所述的不间断电源，其中，所述储能功率模块包括换流器和第二DC/DC变换器，所述换流器的一端被配置为连接至电网，另一端连接至所述第二DC/DC变换器的一端，所述第二DC/DC变换器的另一端连接至所述储能电池。
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