冗余不間斷電源系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】冗余不間斷電源系統(tǒng)
[0001]相關(guān)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(yōu)先權(quán)，其通過引用被全部并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明的領(lǐng)域一般涉及不間斷電源，并且更具體地涉及在環(huán)形母線(ring bus)架構(gòu)中實現(xiàn)不間斷電源。
【背景技術(shù)】
[0004]健壯的功率系統(tǒng)能夠?qū)⒐β使?yīng)到一個或多個負(fù)載。這些功率系統(tǒng)可以包括功率的產(chǎn)生、傳輸、整流、逆變和變換的組合以供應(yīng)用于電子、光、機(jī)械和/或核應(yīng)用和負(fù)載的能量。當(dāng)實現(xiàn)功率系統(tǒng)和架構(gòu)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(tǒng)中，一個或多個不間斷電源(UPS)便于將功率供應(yīng)到負(fù)載。UPS便于確保即使在功率系統(tǒng)的一個或多個組件故障時，功率也被連續(xù)地供應(yīng)到一個或多個重要負(fù)載。因此，UPS提供冗余電源。UPS可以用在許多應(yīng)用中(例如，公用電網(wǎng)變電站、工廠、海上系統(tǒng)、高安全性系統(tǒng)、醫(yī)院、數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程通訊中心、半導(dǎo)體制造基地、核電廠等)。進(jìn)一步地，UPS可以用在高、中或低功率的應(yīng)用中。例如，UPS可以用在相對小的功率系統(tǒng)(例如娛樂或消費(fèi)系統(tǒng))或微型系統(tǒng)(例如基于芯片的系統(tǒng))中。
[0006]在至少一些已知的功率系統(tǒng)中，不同的電源(諸如單獨(dú)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(yīng)，影響傳送到一個或多個負(fù)載的功率。進(jìn)一步地，從UPS上突然斷開負(fù)載可能在功率系統(tǒng)中產(chǎn)生不期望的暫態(tài)效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個方面，提供了一種系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括:多個不間斷電源UPS、環(huán)形母線、至少一個負(fù)載，所述至少一個負(fù)載電耦連到所述多個UPS和所述環(huán)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(yīng)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(tǒng)的控制器，所述電源系統(tǒng)包括多個不間斷電源UPS、環(huán)形母線和電耦連到所述多個UPS和所述環(huán)形母線的至少一個負(fù)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(zhí)行指令，所述可執(zhí)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(yīng)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(tǒng)的方法。所述電源系統(tǒng)包括多個不間斷電源UPS、環(huán)形母線和電耦連到所述多個UPS和所述環(huán)形母線的至少一個負(fù)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(yīng)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(tǒng)的示意圖。
[0011]圖2是圖1中所示的系統(tǒng)的簡化圖。
[0012]圖3是可以用來控制圖1中所示的系統(tǒng)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(tǒng)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(diǎn)的圖。
[0015]圖6A和6B是圖解說明突然從功率系統(tǒng)中移去負(fù)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(tǒng)的示例性控制算法的邏輯圖。
_7] 具體實現(xiàn)方式
[0018]這里描述不間斷電源系統(tǒng)的示例性實施例。多個不間斷電源排列成環(huán)形母線布置，并被配置成將功率供應(yīng)到至少一個負(fù)載?？刂蒲b置通信耦連到多個不間斷電源?？刂蒲b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(yīng)的計算頻率下操作以將功率供應(yīng)到至少一個負(fù)載。
[0019]圖1是示例性冗余隔離-并聯(lián)(IP)不間斷電源(UPS)系統(tǒng)100的示意圖。在示例性實施例中，系統(tǒng)100包括排列成如本文中描述的環(huán)形架構(gòu)或并聯(lián)架構(gòu)的多個UPS 102。具體地，在示例性實施例中，系統(tǒng)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(tǒng)100可以包括能夠使系統(tǒng)100如本文中描述的起作用的任何數(shù)目的UPS 102。在示例性實施例中，系統(tǒng)100是三線制系統(tǒng)。替代性地，系統(tǒng)100可以是四線制系統(tǒng)(即包括到達(dá)每個負(fù)載的中性線的系統(tǒng))。
[0020]在示例性實施例中，UPS 102是靜態(tài)雙變換UPS (即真正的在線系統(tǒng)的系統(tǒng))。靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)UPS可能需要用于電壓和頻率的下垂控制技術(shù)。在一些情況下，單獨(dú)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(shù)根據(jù)負(fù)載是線性的或非線性的被適應(yīng)性修改。
[0021]系統(tǒng)100便于將功率提供給一個或多個負(fù)載120。在正常運(yùn)行下，一個或多個公用電網(wǎng)122用作電源，將功率提供給負(fù)載120。公用電網(wǎng)122可以向系統(tǒng)100提供交流(AC)或直流(DC)電。在來自公用電網(wǎng)122的功率未能到達(dá)負(fù)載120 (例如由于公用電網(wǎng)122和/或公用電網(wǎng)122和負(fù)載120之間的裝置故障)的情況下，系統(tǒng)100利用UPS 102保持將功率流向負(fù)載120，正如本文中描述的那樣。在示例性實施例中，系統(tǒng)100包括第一負(fù)載124、第二負(fù)載126、第三負(fù)載128和第四負(fù)載130。替代性地，系統(tǒng)100可以包括能夠使系統(tǒng)100如本文中描述的起使用的任何數(shù)目的負(fù)載120。
[0022]每個負(fù)載120電耦連于關(guān)聯(lián)的UPS 102和環(huán)形母線132之間。具體地，在示例性實施例中，每個負(fù)載120通過關(guān)聯(lián)的負(fù)載斷路器134耦連到環(huán)形母線132。進(jìn)一步地，環(huán)形母線132包括多個環(huán)形母線斷路器136。在環(huán)形母線132的任何區(qū)段故障或關(guān)斷的情況下，系統(tǒng)100的架構(gòu)確保功率仍然能夠到達(dá)負(fù)載120。值得注意的是，圖1中所示的架構(gòu)只是示例性的。例如，在一些實施例中，負(fù)載120可以直接耦連到環(huán)形母線132或者可以耦連于UPS 102之間。進(jìn)一步地，系統(tǒng)100可以包括直接耦連到環(huán)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(guān)裝置140和輸出開關(guān)裝置142之間。輸入開關(guān)裝置140電耦連到并聯(lián)開關(guān)裝置144，并聯(lián)開關(guān)裝置144又通過關(guān)聯(lián)的變壓器146電耦連到公用電網(wǎng)122。在示例性實施例中，每個并聯(lián)開關(guān)裝置144還電耦連到一個或多個地148。開關(guān)裝置140、142和144可以包括本地電路、遠(yuǎn)程同步電路和/或便于衰減環(huán)形母線132上的擾動、干擾和/或串?dāng)_以向負(fù)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(guān)裝置142直接電耦連到關(guān)聯(lián)負(fù)載120，并通過關(guān)聯(lián)的扼流線圈150 (例如電感器)耦連到環(huán)形母線132。
[0024]在系統(tǒng)100中，在沒有適當(dāng)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(yīng)。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(shù)來計算每個UPS 102的頻率。
[0025]圖2是系統(tǒng)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(dú)的控制器可以控制每個UPS 102的工作?？刂破?00可以包括其自己的電源系統(tǒng)(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?？刂破?00可以控制系統(tǒng)100在相當(dāng)大的地理區(qū)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(zhí)行指令的處理器202實現(xiàn)的。在一些實施例中，可執(zhí)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(xiàn)。例如，在一些實施例中，控制器200可以包括狀態(tài)機(jī)，其學(xué)習(xí)或預(yù)編程以確定關(guān)于哪些負(fù)載120需要功率的信息。例如，控制器200可以動態(tài)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(huán)境條件(例如，溫度、濕度、時間等)工作。控制器200可以執(zhí)行動態(tài)監(jiān)控以確定給定負(fù)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(tài)監(jiān)控可以包括跟蹤資源使用以確定應(yīng)當(dāng)傳送多大的電流或電壓?？刂破?00還可以監(jiān)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(tǒng)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(tài)機(jī)調(diào)度器，其被配置成選擇性激活或禁止電源，設(shè)置電壓和電流水平和/或采取節(jié)省功率的措施(例如降低電流傳送)?？刂破?00還可以跟蹤系統(tǒng)100的特征(例如靜態(tài)功率分配)以確定系統(tǒng)100的一個或多個組件是否應(yīng)當(dāng)投入備用或是否應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)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(zhí)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