諧波再利用型後備式不間斷電源系統的製作方法

2023-10-07 04:45:19

專利名稱：諧波再利用型後備式不間斷電源系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電子技術、不間斷電源技術和無源濾波技術領域，尤其涉及一種交流不間斷電源系統和直流電源系統。
技術背景 現在的不間斷電源系統和機房網絡系統均無法迴避諧波汙染事實。這些汙染系統和設備的諧波有的來自於網絡(稱為「網絡諧波」)，有的來自於負載(稱為「負載諧波」)，而負載諧波中發源於整流或逆變環節的諧波可稱之為有源諧波。為了保證終端網絡中特別重要負載的用電可靠性，不但需要配置各種類型的不間斷電源，而且需要對終端網絡的有害諧波(可稱之為「目標諧波」)進行治理。現代科學治理諧波主要採用「消除」和「抑制」兩種方法使設備在工作過程中少釋放諧波(如某些UPS產品的整流和逆變全部採用脈寬調製技術降低諧波)或不釋放諧波(如「智能型快速應急電源系統」不釋放諧波)即為抑制諧波；而採用無源濾波器濾除網絡內目標諧波和通過有源濾波器製造出新的諧波來對消目標諧波(兩種對消諧波大小相等、方向相反)即為消除諧波。在國內外的各種機房和供電系統中配置的不間斷電源實例中，有的為了降低自身釋放的諧波，在整流和逆變環節採用脈寬調製技術，全脈寬調製型UPS主接線圖如圖I所示；有的為了消除自身釋放的有源諧波，需要配套安裝有源濾波裝置，原理如圖2所示；有的在系統輸入端或負載側並聯無源濾波器(簡稱「並聯濾波」)，將目標諧波檢出後通過零或地線放掉，原理如圖3所示；也有的是通過串接無源濾波器(簡稱「串聯濾波」)濾除目標諧波，原理如圖4所示。事實上，利用SPWM脈寬調製方法降低諧波的同時也降低系統效率；用有源濾波器製造有源諧波來對消UPS諧波需準確跟蹤UPS諧波的相位和數值，目前國內外的技術手段還難以滿足檢測速度要求，因此尚未普及，也無標準；並聯濾波法雖然可以有效濾除目標諧波，但無法絕對阻斷工頻能量流入濾波支路，所以難免在濾除目標諧波的同時也流失少量的工頻能量；串聯濾波法因電感器流過全部負載電流而造成工頻能量的損耗和熱隱患。由此可見，迄今為止的不間斷電源系統或為諧波源之一，或因抑制諧波而效率極低，或根本不具備治理諧波功能，或將諧波廢掉並轉化為熱源，因此，現代的在線式不間斷電源既不節能也不環保，接入此類不間斷電源的系統不可能是節能環保系統，安裝此類不間斷電源的機房也不可能是節能環保機房。

實用新型內容為了克服現有的不間斷電源系統在消除和抑制諧波上存在的上述問題，本實用新型提供了一種自身不產生有源諧波、又能消除目標諧波、還能將目標諧波變為可利用能源的新型不間斷電源系統。本實用新型為實現上述目的所採用的技術方案是諧波再利用型後備式不間斷電源系統，由無源濾波裝置、諧波充電器AC/DC和後備式不間斷電源裝置構成，無源濾波裝置輸入端與後備式不間斷電源輸入端並聯，無源濾波裝置輸出端連接諧波充電器AC/DC輸入端，諧波充電器AC/DC輸出端正負極連接後備式不間斷電源內蓄電池的正負極，後備式不間斷電源的輸出端連接負載。所述無源濾波裝置由線圈電感L和交流電容C串聯組成。所述後備式不間斷電源裝置由整流電路、逆變電路和蓄電池組構成，或者由逆變器和蓄電池組構成，或者由變頻器和蓄電池構成，或者是消防應急電源，或者是旁路優先型的、在線互動型、DeIte變換型的UPS，或者是快速不間斷電源和智能型快速不間斷電源ISPS0所述諧波充電器AC/DC為整流裝置，或者電壓變換裝置，或者「 AC/DC+DC/DC 」、 「AC/AC+AC/DC」型複合電源模塊或模塊組合裝置。本實用新型的諧波再利用型後備式不間斷電源系統，自身不產生有源諧波、又能消除目標諧波、還能將目標諧波變為可利用能源的新型不間斷電源系統，結構簡單，實現容易，只要事先經過測算或監測能預知某終端網絡的主要諧波參數，即能設計出對應於目標諧波的諧振支路，將目標諧波能量引入該支路並進行變換，最終將諧波能量充入應急電源的蓄電池，濾波、整流、充電結合應用，既能提高用電質量，又能提高能源利用率，安全、實用、經濟、環保。推而廣之，如果網絡內需要消除的目標諧波有若干次，則只需按需要並接各次目標諧波的諧振支路即可。

圖I是全脈寬調製型UPS主接線圖。圖2是有源濾波法原理圖。圖3是並聯濾波法原理圖。圖4是串聯濾波法原理圖。圖5是本實用新型的單諧波再利用型後備式不間斷電源系統原理圖。圖6是本實用新型的多諧波再利用型後備式不間斷電源系統原理圖。
具體實施方式
本實用新型的諧波再利用型後備式不間斷電源系統原理如圖5和圖6所示，圖5為後備式單諧波再利用系統，圖6為後備式多諧波再利用系統。根據計算與實測相結合的結果在不間斷電源的輸入端並接LC串聯支路，構成LC無源濾波裝置，其輸出端接諧波充電器AC/DC，諧波充電器AC/DC輸出端的正負極分別接不間斷電源內蓄電池的正極和負極，不間斷電源的輸出端直接接負載或負載網絡。只要事先確定不間斷電源入口處需要治理的目標諧波參數，就可以按需要選定L和C值，令無源濾波器相對於目標諧波的阻抗值最小(即滿足條件《L=l/ c)，則目標諧波便被引入濾波器而被變換成有用的直流電壓並用以給蓄電池充電，這樣構成的不間斷電源系統既不釋放諧波，又能濾除電源輸入側的諧波，還可以把有害的諧波改變成有用的能源，即使有少量工頻能量混入濾波支路也照樣被整流和利用，達到節能、環保、不浪費、又改善電源質量的目的。不間斷電源各類後備式的蓄能型不間斷電源，可以由整流、逆變、和蓄電池組構成，可以由逆變器和蓄電池組構成，可以由變頻器和蓄電池構成，也可以是消防應急電源，還可以是各類旁路優先型的或在線互動型或DeIte變換型的UPS，更可以是快速不間斷電源和智能型快速不間斷電源(ISPS )。 無源濾波器由線圈電感L和交流電容C串聯組成，實際是由電感和電容組成的RLC諧振電路，其中L為電感，C為電容，R為支路的線路電阻和蓄電池的內阻(其值很小，圖中虛線部分)，其電感和電容參數可根據諧波容量和幅值計算確定。諧波充電器(AC/DC)是指由電力電子器件(包括二極體、三極體、各類晶閘管、GTR、GT0, MOSFET, IGBT, IGCT, PIC、IPM或AC/DC模塊等)構成的可控或不可控電壓變換環節，可以是單純的整流環節，可以是任意類型的AC/DC電壓變換環節，還可以是「AC/DC+DC/DC」、「AC/AC+AC/DC」等複合電源模塊或模塊組合環節。蓄電池是指能為各種電力系統、電信系統、工業動力系統(含動力、照明、控制及信號等各種用途)提供能量並能通過電網和充電器蓄能的各種充放電類電力蓄電池。以圖5的後備式單諧波再利用系統為例，其RLC諧振支路輸入端並聯於不間斷電源的輸入端，輸出端連接諧波充電器AC/DC，諧波充電器AC/DC輸出端正負極連接於不間斷電源內蓄電池的正負極，其中的R為連接線電阻和蓄電池內阻的等效值，其值很小(圖中虛線框內電阻)。如選定3次諧波為目標諧波，即令f=3*50HZ=150HZ，此時ω=2 Ji f=2*3. 14*150HZ (I)把(I)式代入此諧振關係式《L=l/coC後，只需確定L值即可計算出所需的C值，反之確定C值便可計算確定L值。需要注意的是在確定C值時應把蓄電池的等效電容考慮在內，圖中附加的CO即為蓄電池的等效電容。按照上述條件計算出來的濾波支路對3次諧波而言，阻抗僅為πιΩ級(R值)，幾乎等於短路，因此3次諧波可被吸入濾波支路。圖中附加的智能充電裝置處於備用狀態，用於蓄電池遇特殊情況而能量放盡後快速充電(快速回復能量)的情況。如目標諧波選定為5次諧波，則將f=250HZ， ω =2 Ji f=2*2. 14*250HZ帶入諧振公式ω L=I/ω C,確定L計算確定C或確定C再計算確定L,即可構成以5次諧波的諧振支路，進而構造5次諧波再利用型不間斷電源。同理，如目標諧波選定為7次諧波，則將f=350HZ， ω =2 Ji f=2*2. 14*350HZ帶入諧振公式oL=l/oC,確定L計算確定C或確定C再計算確定L,即可構成以7次諧波的諧振支路，進而構造7次諧波再利用型不間斷電源。推而廣之，如果確定3、5、7次諧波均為濾除和利用諧波，則按同樣原理分別設計對應於3、5、7次諧波的諧振支路，如圖6的後備式多諧波再利用系統，將各支路諧波充電器的輸出端並聯且與不間斷電源內蓄電池正負極連接即可構成以3、5、7次諧波為目標的諧波再利用型不間斷電源系統。本實用新型與市場上常見的在線式UPS相比具有顯著的特點結構簡單，實現容易。只要事先經過測算或監測能預知某終端網絡的主要諧波參數，既能設計出對應於目標諧波的諧振支路，將目標諧波能量引入該支路並進行變換，最終將諧波能量充入應急電源的蓄電池，濾波、整流、充電結合應用，既能提高用電質量，又能提高能源利用率，安全、實用、經濟和環保。推而廣之，如果網絡內需要消除的目標諧波有若干次，則只需按需要並接各次目標諧波的諧振支路即可。實踐證明本實用新型產品具有絕對優勢和發展潛力，是極具發展空間和推廣價值的不間斷電源系統 。
權利要求1.諧波再利用型後備式不間斷電源系統，其特徵在於由無源濾波裝置、諧波充電器AC/DC和後備式不間斷電源裝置構成，無源濾波裝置輸入端與後備式不間斷電源輸入端並聯，無源濾波裝置輸出端連接諧波充電器AC/DC輸入端，諧波充電器AC/DC輸出端正負極連接後備式不間斷電源內蓄電池的正負極，後備式不間斷電源的輸出端連接負載。
2.根據權利要求I所述的諧波再利用型後備式不間斷電源系統，其特徵在於所述無源濾波裝置由線圈電感L和交流電容C串聯組成。
3.根據權利要求I所述的諧波再利用型後備式不間斷電源系統，其特徵在於所述後備式不間斷電源裝置由整流電路、逆變電路和蓄電池組構成，或者由逆變器和蓄電池組構成，或者由變頻器和蓄電池構成，或者是消防應急電源，或者是旁路優先型的、在線互動型、DeIte變換型的UPS，或者是快速不間斷電源和智能型快速不間斷電源ISPS。
4.根據權利要求I所述的諧波再利用型後備式不間斷電源系統，其特徵在於所述諧波充電器AC/DC為整流裝置，或者電壓變換裝置，或者「AC/DC+DC/DC」、「AC/AC+AC/DC」型複合電源模塊或模塊組合裝置。
專利摘要諧波再利用型後備式不間斷電源系統，由無源濾波裝置、諧波充電器AC/DC和後備式不間斷電源裝置構成，無源濾波裝置輸入端與後備式不間斷電源輸入端並聯，無源濾波裝置輸出端連接諧波充電器AC/DC輸入端，諧波充電器AC/DC輸出端正負極連接後備式不間斷電源內蓄電池的正負極，後備式不間斷電源的輸出端連接負載。本實用新型自身不產生有源諧波、又能消除目標諧波、還能將目標諧波變為可利用能源的新型不間斷電源系統，結構簡單，實現容易，只要事先經過測算或監測能預知某終端網絡的主要諧波參數，即能設計出對應於目標諧波的諧振支路，既能提高用電質量，又能提高能源利用率，安全、實用、經濟、環保。
文檔編號H02J7/00GK202474900SQ20112054583
公開日2012年10月3日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者孫毅彪 申請人:國彪電源集團有限公司