中壓不間斷供電源的製作方法
2023-10-25 11:09:57 1
中壓不間斷供電源的製作方法
【專利摘要】本發明名稱為「中壓不間斷供電源」。提出一種中壓不間斷供電源系統。該系統包括耦合在第一總線與第二總線之間的第一功率變流器。再者，第二功率變流器經由第一總線和第二總線操作地耦合到第一功率變流器，其中第二功率變流器包括至少三個分支，其中至少三個分支包括多個開關單元，以及其中多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置。此外，系統包括耦合在第一總線與第二總線之間的直流鏈路。系統還包括能量源，該能量源經由第三功率變流器、變壓器和第四功率變流器的其中一個或多個耦合到第二功率變流器、直流鏈路或其組合。還提出一種操作中壓不間斷供電源系統的方法。
【專利說明】中壓不間斷供電源
【技術領域】
[0001]本公開的實施例一般涉及不間斷供電源，以及更確切地來說涉及利用中壓變流器實現的不間斷供電源。
【背景技術】
[0002]傳統上，不間斷供電源已在如數據中心和醫院的許多應用中使用，以在AC主供電電壓的斷電/幹擾期間向負載提供不間斷功率。典型地，這些不間斷供電源額定為從低壓(380 V - 480 V)配電網絡接收AC供電電壓，並以相同的電壓電平向負載提供三相電壓。此外，不間斷供電源一般包括用於功率轉換的功率變流器、用於存儲電能的電容器、開關裝置、能量源和控制器。常規功率變流器還包括一個或多個單級變流器。
[0003]最近，數據中心的大小已經顯著地增加。由此，通過低壓不間斷供電源來供給負載是個挑戰，因此採用中壓不間斷供電源是經濟的。中壓不間斷供電源以較高電壓處理功率，從而使得不間斷供電源和耦合不間斷供電源和負載的線纜處理較低電流值。較低的電流值降低線纜布線和安裝成本以及數據中心的運行成本。
【發明內容】
[0004]根據本公開的多個方面，提出一種中壓不間斷供電源系統。該系統包括操作地耦合在第一總線與第二總線之間的第一功率變流器。該系統還包括經由第一總線與第二總線操作地耦合到第一功率變流器的第二功率變流器，其中第二功率變流器包括至少三個分支，其中至少三個分支包括多個開關單元，以及其中多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置。此外，該系統包括操作地耦合在第一總線與第二總線之間的直流鏈路。再者，該系統包括能量源，其經由第三功率變流器、變壓器和第四功率變流器的其中一個或多個操作地耦合到第二功率變流器的能量源、直流鏈路或操作地耦合到第二功率變流器和直流鏈路兩者。
[0005]根據本公開的另一方面，提出一種用於操作中壓不間斷供電源系統的方法。該方法包括經由第一總線和第二總線將第一功率變流器耦合到第二功率變流器，其中第二功率變流器包括至少三個分支，其中這至少三個分支包括多個開關單元，以及其中多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置。該方法還包括在第一總線與第二總線之間連接直流鏈路。此外，該方法包括經由第三功率變流器、變壓器和第四功率變流器的其中一個或多個將能量源操作地耦合到第二功率變流器、直流鏈路或操作地耦合到第二功率變流器和直流鏈路兩者。再者，該方法包括確定第二功率變流器中的多個開關單元的開關模式，並基於第二功率變流器的多個開關單元的開關模式在第二功率變流器處生成輸出。
[0006]根據本公開的又一方面，提出一種中壓不間斷供電源系統。該系統包括操作地耦合在第一總線與第二總線之間的第一功率變流器。而且，該系統包括經由第一總線和第二總線操作地耦合到第一功率變流器的第二功率變流器，其中第二功率變流器包括至少三個分支，其中這至少三個分支包括多個開關單元，以及其中多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置。再者，該系統包括操作地耦合在第一總線與第二總線之間的直流鏈路，其中該直流鏈路包括操作地串聯耦合的多個電容器。此外，該系統包括能量源，其經由第三功率變流器、變壓器和第四功率變流器的其中一個或多個操作地耦合到直流鏈路的多個電容器、第二功率變流器的多個開關單元的每一個或其組合。
[0007]根據一個實施例，本申請公開了一種中壓不間斷供電源系統，包括:第一功率變流器，其操作地耦合在第一總線與第二總線之間；第二功率變流器，其經由所述第一總線和所述第二總線操作地耦合到所述第一功率變流器，其中所述第二功率變流器包括至少三個分支，其中所述至少三個分支包括多個開關單元，以及其中所述多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置；直流鏈路，其操作地耦合在所述第一總線與所述第二總線之間的；以及能量源，其經由第三功率變流器、變壓器和第四功率變流器的其中一個或多個操作地耦合到所述第二功率變流器、所述直流鏈路或操作地耦合到所述第二功率變流器和所述直流鏈路兩者。
[0008]優選地，將所述變壓器和所述第四功率變流器組合以形成隔離的模塊化單元。進一步地，所述隔離的模塊化單元還包括所述第二功率變流器的所述多個開關單元的至少其中之一。
[0009]優選地，所述直流鏈路包括操作地串聯耦合的多個電容器。
[0010]優選地，所述能量源經由所述第三功率變流器、所述變壓器和所述第四功率變流器的其中一個或多個操作地耦合到所述第二功率變流器的所述至少三分分支中的所述多個開關單元的每一個開關單元。
[0011]優選地，所述第一功率變流器包括至少三個分支，其中所述至少三個分支包括多個開關單元，以及其中所述多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置。進一步地，上述系統還包括控制器，所述控制器配置成確定用於所述第一功率變流器的所述多個開關單元和所述第二功率變流器的所述多個開關單元的開關模式。
[0012]優選地，所述變壓器、所述第三功率變流器和所述第四功率變流器配置成將所述能量源的電壓升壓。
[0013]優選地，該系統還包括操作地耦合在所述第一功率變流器和所述第二功率變流器兩端的旁通分支。進一步地，所述旁通分支包括機電開關、半導體開關或其組合。
[0014]優選地，所述至少兩個半導體開關包括絕緣柵雙極電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、場效應電晶體、注入增強柵電晶體、集成門極換流晶閘管或其組合。
[0015]優選地，所述至少兩個半導體開關包括基於氮化鎵的開關、基於碳化矽的開關、基於砷化鎵的開關或其組合。
[0016]優選地，所述第二功率變流器的所述至少三個分支包括經由第三總線操作地耦合到第二部分的第一部分。
[0017]優選地，所述第二功率變流器的所述至少三個分支中的所述多個開關單元操作地串聯耦合。
[0018]優選地，所述能量源包括至少一個電池。
[0019]優選地，該系統還包括操作地耦合到所述能量源並配置成對所述能量源充電的充電單元。
[0020]優選地，所述第三功率變流器包括低頻諧振變流器、高頻相移諧振變流器、單向變流器、雙向變流器或其組合。
[0021]優選地，所述第四功率變流器包括整流器、雙向變流器、單向變流器或其組合。
[0022]優選地，所述變壓器包括低頻變壓器、高頻變壓器、分級絕緣變壓器、具有均勻絕緣的變壓器、單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器、多繞組變壓器或其組合。
[0023]根據一個實施例，本申請公開了一種方法，包括:經由第一總線和第二總線將第一功率變流器耦合到第二功率變流器，其中所述第二功率變流器包括至少三個分支，其中所述至少三個分支包括多個開關單元，以及其中所述多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置；將直流鏈路連接在所述第一總線與所述第二總線之間；經由第三功率變流器、變壓器和第四功率變流器的其中一個或多個將能量源操作地耦合到所述第二功率變流器、所述直流鏈路或操作地耦合到所述第二功率變流器和所述直流鏈路兩者；確定用於所述第二功率變流器中的所述多個開關單元的開關模式；以及基於所述第二功率變流器的所述多個開關單元的所述開關模式，在所述第二功率變流器的輸出端處生成輸出。
[0024]優選地，該方法還包括經由所述第一功率變流器、所述直流鏈路、所述第三功率變流器、所述變壓器、所述第四功率變流器和充電單元的其中一個或多個對所述能量源充電。
[0025]優選地，該方法還包括:經由所述第三功率變流器、所述變壓器和所述第四功率變流器將來自所述能量源的電壓升壓；以及將所升壓的電壓供給到所述第二功率變流器、所述直流鏈路和所述第二功率變流器的所述多個開關單元的其中一個或多個。
[0026]根據一個實施例，本申請公開了一種中壓不間斷供電源系統，包括:第一功率變流器，其操作地耦合在第一總線與第二總線之間；第二功率變流器，其經由所述第一總線和所述第二總線操作地耦合到所述第一功率變流器，其中所述第二功率變流器包括至少三個分支，其中所述至少三個分支包括多個開關單元，以及其中所述多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置；直流鏈路，其操作地耦合在所述第一總線與所述第二總線之間，其中所述直流鏈路包括操作地串聯耦合的多個電容器；以及能量源，其經由第三功率變流器、變壓器和第四功率變流器的其中一個或多個操作地耦合到所述直流鏈路的所述多個電容器、所述第二功率變流器的所述多個開關單元的每一個或其組合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]當參考附圖閱讀下文詳細描述時，將更好地理解本公開的這些和其他特徵、方面和優點，在所有附圖中，相似的符號表示相似部件，其中:
圖1是根據本公開的多個方面的中壓不間斷供電源系統的示意圖表示；
圖2是圖1的中壓不間斷供電源系統的一部分的示意圖表示；
圖3是根據本公開的多個方面的、圖1的中壓不間斷供電源系統的一部分的另一個示範實施例的示意圖表示；
圖4是根據本公開的多個方面的、圖1的中壓不間斷供電源系統的一部分的又一個示範實施例的示意圖表示；
圖5是根據本公開的多個方面的、圖1的中壓不間斷供電源系統的一部分的另一個示範實施例的示意圖表示；
圖6是根據本公開的多個方面的、圖1的中壓不間斷供電源系統的一部分的又一個示範實施例的示意圖表示； 圖7是根據本公開的多個方面的、圖1的中壓不間斷供電源系統的一部分的另一個示範實施例的示意圖表示；
圖8是根據本公開的多個方面的、圖1的中壓不間斷供電源系統的一部分的又一個示範實施例的示意圖表示；以及
圖9是表示根據本公開的多個方面的、使用圖1的中壓不間斷供電源系統進行功率轉換的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]除非另外定義，否則本文使用的技術和科學術語具有與本公開所屬的領域中的普通技術人員所共識的相同的含義。如本文所使用的術語「第一」、「第二」等不表示任何次序、數量或重要性，而是用於將一個元件與另一個元件相區分。再有，術語「一」不表示數量的限制，而是表示存在至少一個所引述的項。術語「或者」表示涵蓋性的，並且意味著所列出的項的其中一個、多個或全部。「包括」、「包含」或「具有」及其變化的使用意味著涵蓋其後所列出的項及其等效物以及附加項。術語「連接」和「耦合」不限於物理或機械連接或耦合，並且可以包括電連接或耦合，無論是直接的還是間接的。再者，術語「電路」和「控制器」可以包括為有源和/或無源且連接或另外耦合在一起以提供所描述的功能的單個組件或多個組件。
[0029]正如下文將詳細描述的，提出示範不間斷供電源(UPS)系統和用於不間斷供電源的方法的多種實施例。具體來說，提出一種中壓不間斷供電源(MV-UPS)。該MV-UPS還可以配置成作為輸入在交流(AC)主電源接收中電壓並將中電壓供給到負載。可以注意到，在一些實施例中，至負載的中壓輸出可以途徑電壓匹配變壓器。在一個示例中，AC主電源處的中電壓的範圍可以從3.3 kV至20 kV。在一個示例中，MV-UPS可以包括中壓變流器，如模塊化多電平變流器。正如本文所使用的，術語模塊化多電平變流器用於指具有多個開關單元/模塊且配置成以非常低的失真生成多電平輸出電壓的功率變流器。
[0030]現在轉到附圖，在圖1中，作為示例，示出根據本公開的多個方面用於供電的中壓不間斷供電源(MV-UPS)系統100的實施例。在一個實施例中，MV-UPS系統100可以包括第一功率變流器102、直流(DC)鏈路104、第二功率變流器106和能量源108。在一個示例中，第一功率變流器102和第二功率變流器106可以包括三個分支。這三個分支的每一個分支可以包括操作地串聯耦合的多個開關單元(未示出)。在一個示例中，多個開關單元的每一個開關單元可以包括至少兩個半導體開關和儲能裝置。MV-UPS系統100配置成使用低壓半導體開關，並且這有助於降低MV-UPS系統的成本。
[0031]此外，MV-UPS系統100還可以包括第三功率變流器110、變壓器112以及第四功率變流器114。第一功率變流器102、第二功率變流器106、第三功率變流器110和第四功率變流器114可以包括直流(DC)至DC變流器、DC至AC (交流)變流器、AC至DC變流器等。第一功率變流器102和第二功率變流器106可以包括多電平變流器。在一個非限制性示例中，第一功率變流器102和第二功率變流器106可以包括模塊化多電平變流器(MMC)。在一個實施例中，第一功率變流器102還可以包括整流器，以及第二功率變流器106還可以包括逆變器。再者，第三功率變流器110可以包括低頻諧振變流器、高頻相移諧振變流器、單相變流器、雙向變流器等。第四功率變流器114還可以包括整流器、雙向功率變流器、單向功率變流器及其等效物。而且，第三功率變流器Iio和第四功率變流器114可以包括多個半導體開關、例如但不限於，基於矽的開關、基於碳化矽的開關、基於砷化鎵的開關和基於氮化鎵的開關。
[0032]而且，第一功率變流器102可以經由第一總線116和第二總線116操作地耦合到第二功率變流器106。第一總線116可以包括正直流總線，以及第二總線118可以包括負直流總線。將參考圖2更詳細地解釋第一功率變流器102和第二功率變流器106的拓撲。常規操作狀況期間，可以採用電源120來向第一功率變流器102供電。正如本文所使用的，術語電源120可以包括可再生電源、不可再生電源、發電機、電網等。再者，第二功率變流器106可以操作地耦合到負載122。例如，在數據中心中，負載122可以包括伺服器負載。在一些實施例中，來自MV-UPS 100的中電壓被負載122處的下遊變壓器(未示出)降壓以將電壓降低到期望的電壓。
[0033]第一功率變流器102可以經由第一總線116和第二總線118操作地耦合到第二功率變流器106。還可以將DC鏈路104操作地耦合在第一總線116和第二總線118兩端。在一個示例中，DC鏈路104可以包括DC鏈路電容器105。在另一個示例中，DC鏈路104可以包括操作地串聯耦合的多個電容器。應該注意，在又一個實施例中，DC鏈路104可以是第一總線116與第二總線118之間的開路分支。正如本文所使用，術語操作地耦合包括有線耦合、無線耦合、電耦合、磁耦合、無線電通信、基於軟體的通信或其組合。
[0034]正如上文提到的，MV-UPS系統100可以包括能量源108。作為示例，能量源108可以包括額定600伏特的低電壓電池。能量源108可以操作地耦合到第一功率變流器102和第二功率變流器106。在當前設想的配置中，可以經由第三功率變流器110、變壓器112和第四功率變流器114將能量源108耦合到第一功率變流器和第二功率變流器。變壓器112幫助將能量源108供給的電壓升壓。在一個示例中，變壓器112可以包括初級繞組和一個或多個次級繞組。而且，變壓器112可以包括低頻變壓器、高頻變壓器、分級絕緣變壓器、具有均勻絕緣的變壓器、單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器、多繞組變壓器或其組合。在一個示例中，MV-UPS系統100還可以包括多個變壓器112。
[0035]再者，正如I的示例所示，可以將第四變流器114的輸出耦合在第一總線116與第二總線118之間。具體來說，可以將第四功率變流器114的輸出耦合在DC鏈路104兩端，DC鏈路104設在第一總線116與第二總線118之間。在另一個示例中，可以將第四功率變流器114的輸出操作地耦合到第二功率變流器106的開關單元(未示出)。將參考圖3-8更詳細地解釋將第四變流器耦合在DC鏈路104兩端和/或耦合到第二功率變流器106中的開關單元的拓撲。
[0036]此外，系統100可以包括控制器124。在一個實施例中，控制器124可以配置成控制功率變流器102、106、110和114的操作。更具體地來說，在一個示例中，控制器124可以配置成通過控制與功率變流器102、106、110和114對應的多個半導體開關的開關來控制這些功率變流器的操作。控制器124可以配置成基於參考電壓和/或參考電流生成功率變流器102、106、110和114的開關模式。作為示例，控制器124可以配置成確定與第一功率變流器102的多個開關單元和第二功率變流器106的開關單元對應的開關模式。在一個實施例中，控制器124可以設在MV-UPS系統100外部遠程位置處。而且，控制器124還可以配置成操作以並聯配置布置的多個MV-UPS系統。[0037]系統100還可以包括旁路分支126，旁路分支126操作地耦合在第一功率變流器102和第二功率變流器106兩端。旁路分支126可以包括機電開關、半導體開關或其組合。旁路分支126的半導體開關能夠耐受中電壓。在一個示例中，旁路分支126可以包括具有低額定電壓的半導體開關的堆棧式連接(stacked connection)。這種半導體開關的堆棧式連接可以形成雙向AC旁通開關，並且可以配置成耐受中壓。此外，旁通分支126可以配置成克服功率變流器102、106中出現的故障。
[0038]而且，在一個示例中，如果第四功率變流器114是雙向變流器，則可以使用電源120對能量源108充電。具體來說，可以使用電源120經由第一功率變流器102、DC鏈路104、第四功率變流器114、變壓器112和第三功率變流器110來對能量源108充電。但是，如果第四功率變流器114是整流器或單向變流器，則可以使用充電單元128對能量源108充電。在一個示例中，充電單元128可以包括單獨的功率變流器。
[0039]現在參考圖2，其中示出圖1的MV-UPS系統100的一部分的示意圖表示200。具體來說，圖2是功率變流器202的示意圖表示，如圖1的第二功率變流器106。功率變流器202可以操作地耦合在第一總線204和第二總線206之間。功率變流器202還可以包括至少三個分支208。可以將功率變流器202的三個分支208的每一個與交流相位關聯，如AC相位A、AC相位B和AC相位C。可以注意到在具有單相負載的MV-UPS系統的情況中，功率變流器202可以包括兩個分支。
[0040]而且，對應於功率變流器202的三個分支208中每一個可以包括多開關單元210。多個開關單元210可以操作地串聯耦合。在一個示例中，多個開關單元210可以包括至少兩個半導體開關和儲能裝置。三個分支208可以包括操作地耦合到第二部分214的第一部分212。在每個分支208中，第一部分212可以經由第三總線216操作地耦合到第二部分214。第三總線216可以包括交流相位。可以注意到圖1的第一功率變流器102的拓撲可以與功率變流器202的拓撲大致相似或相等。
[0041]圖3是根據本公開的多個方面的，圖1的MV-UPS系統100的一部分的示範實施例的示意圖表示300。可以注意圖3示出能量源在DC鏈路兩端的耦合。如圖3所示，系統300包括功率變流器(如圖1的第二功率變流器106)的一個分支302。為了易於表示，僅示出功率變流器的一個分支302。分支302可以操作地耦合在DC鏈路304兩端。DC鏈路304可以包括多個DC鏈路電容器306。分支302還可以經由電感器307操作地耦合到第三總線308。在一個示例中，電感器307可以包括開合式電感器、串聯的兩個電感器等。第三總線308可以包括交流相位。
[0042]再者，分支302可以包括操作地串聯耦合的多個開關單元320。每個開關單元320可以包括至少兩個全控型半導體開關和儲能裝置322。在一個示例中，儲能裝置322兩端的操作DC電壓可以在800伏特附近。使用具有比操作DC電壓更高的額定電壓的全控型半導體開關是所期望的。作為示例，可以將兩個全控型半導體開關324各額定為約1200伏特DC的電壓，以便耐受儲能裝置兩端的800伏特的電壓。相應地，每個開關單元兩端的電壓可以是800伏特。再者，在此示例中，可以假定DC鏈路304兩端的電壓值高，例如6400伏特。而且，為了有效地控制功率變流器，分支302的兩半可能都需要耐受DC鏈路304兩端的6400 V的電壓。為此，在分支302的每一半中包括8個開關單元以便耐受6400伏特的DC鏈路電壓是所期望的。因此，功率變流器的分支302可以包括總計16個開關單元。[0043]再者，具有16個開關單元的分支302的配置可以幫助生成9個電平的相位電壓。在圖3的示例中，可以通過以順序方式觸發16個開關單元中與分支302對應的8個開關單元來生成9個電平的相電壓。相應地，可以在第二功率變流器的輸出端(未示出)處生成17個電平的線間電壓。雖然圖3的示例將開關單元320示出為包括兩個全控型半導體開關324和一個儲能裝置322，但是還可設想使用其他數量的全控型半導體開關和儲能裝置。
[0044]再者，系統300可以包括能量源310，能量源310操作地耦合到第三變流器312，如圖1的第三功率變流器110。能量源310可以包括600額定伏特的電池。在一個非限制性示例中，能量源310可以包括單個電池、操作地並聯或串聯耦合的多個電池等。再有，第三變流器312可以經由變壓器316操作地耦合到第四功率變流器314，如圖1的第四功率變流器114。正如先前提到的，變壓器316可以包括低頻變壓器、高頻變壓器、分級絕緣變壓器、具有均勻絕緣的變壓器、單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器、多繞組變壓器等。
[0045]而且，在一個示例中，第四功率變流器314可以包括雙向變流器。因此，雙向變流器314可以配置成以第一操作模式或以第二操作模式向DC鏈路304供給功率，雙向變流器314可以配置成從DC鏈路304接收功率以對能量源310充電。更具體來說，在第二操作模式中，可以經由第一功率變流器、DC鏈路304、雙向變流器314、變壓器316和第三功率變流器312來對能量源310充電。第一操作模式可以稱為後備操作模式，以及第二操作模式還可以稱為效用操作模式。
[0046]在又一個實施例中，第四功率變流器314可以包括整流器或單向變流器。使用整流器或單向變流器能夠僅以一個方向供給功率。更具體地來說，可以從能量源310向DC鏈路304供給功率。因此，在此示例中，整流器或單向變流器314可以不用於對能量源310充電。相應地，使用充電單元318對能量源310是所期望的。正如上文提到的，充電單元318可以包括單獨的功率變流器。
[0047]再者，在圖3的示例中，變壓器316可以包括初級繞組311和次級繞組313。變壓器316的次級繞組一側可以包括諸如但不限於第四功率變流器314和多個開關單元320的組件。將變壓器316的次級繞組一側上的組件隔離以耐受DC鏈路304兩端的高壓是所期望的。再者，可以將對應於分支302的每個開關單元320與其他開關單元320隔離。
[0048]現在轉到圖4，其中示出根據本公開的多個方面的、圖1的MV-UPS系統100的一部分的另一個示範實施例的示意圖表示400。圖4所示的系統400可以包括功率變流器的分支402，如圖2的功率變流器202的分支208。分支402可以包括操作地串聯耦合的多個開關單元418。分支402還可以操作地耦合到DC鏈路404。DC鏈路404可以包括操作地串聯耦合的多個電容器406。在圖4的示例中，DC鏈路404示出為包括串聯耦合的四個電容器406。
[0049]而且,系統400可以包括能量源408。正如上文提到的，能量源408可以包括600額定伏特的單個電池、操作地並聯和/或串聯耦合的多個電池等。能量源408可以操作地耦合到第三功率變流器410，如圖1的第三功率變流器110。再者，第三功率變流器410可以操作地耦合到變壓器412。變壓器412可以包括初級繞組411和次級繞組413。在圖4的當前設想的配置中，變壓器412可以包括多個次級繞組413。此外，系統400還可以包括多個第四功率變流器414，如圖1的第四功率變流器114。每個次級繞組413還可以耦合到對應的第四功率變流器414。[0050]但是，在另一個實施例中，變壓器412的次級繞組413可以具有多個抽頭。在此實施例中，該多抽頭變壓器的每個分段可以耦合到對應的第四功率變流器414。在圖4的示例中，可以串聯連接第四功率變流器414以在DC鏈路404兩端形成電壓。還可以將第四功率變流器414的每一個隔離以便耐受DC鏈路404兩端的電壓。第四功率變流器314可以包括雙向變流器和/或單向變流器，正如上文提到的。在所有第四功率變流器414包括單向變流器的實施例中，系統400還可以包括配置成對能量源408充電的充電單元420。此外，分支402可以經由電感器417操作地耦合到第三總線416。
[0051]參考圖5，其中示出根據本公開的多個方面的、圖1的MV-UPS系統100的一部分的又一個示範實施例的示意圖表示500。圖5的實施例與圖4的實施例大致相似。在圖5的示例中，功率變流器的分支502可以操作地耦合到DC鏈路504。DC鏈路504可以包括操作地串聯耦合的多個DC鏈路電容器506。能量源508可以操作地耦合到第三功率變流器510。
[0052]系統500還可以包括多個第四功率變流器514。再者，第三功率變流器510可以操作地耦合到變壓器512。變壓器512可以包括初級繞組511和次級繞組513。在圖5的示例中，變壓器512可以包括多個次級繞組513，其中每個次級繞組513可以配置成向對應的第四功率變流器514供給功率。作為備選，變壓器512的次級繞組513可以具有多個抽頭，且多抽頭變壓器的每個分段可以耦合到對應的第四功率變流器514。再者，在圖5的示例中，每個第四功率變流器514可以耦合在對應的DC鏈路電容器506兩端。此外，第四功率變流器514可以彼此操作地串聯耦合。
[0053]此外，分支502可以經由電感器516操作地耦合到第三總線517。分支502還可以包括操作地串聯耦合的多個開關單元518。在一個實施例中，可以使用充電單元520對能量源508充電。
[0054]圖6是根據本公開的多個方面的、圖1的MV-UPS系統100的一部分的又一個示範實施例的示意圖表示600。在圖6的示例中，功率變流器的分支602可以經由電感器605操作地耦合到第三總線604。在一個示例中，第三總線604可以包括交流相位，如AC相位A、AC相位B和AC相位C。分支602可以包括操作地串聯耦合的多個開關單元606。再者，系統600可以包括能量源608。能量源608可以包括單個電池、串聯和/或並聯耦合的多個電池以及其等效物。
[0055]能量源608還可以操作地耦合到第三功率變流器610。變壓器612可以包括初級繞組611和多個次級繞組613。第三功率變流器610可以操作地耦合到變壓器612的初級繞組611。在圖6的示例中，系統600包括多個第四功率變流器614。多個次級繞組613的每一個可以操作地耦合到對應的第四功率變流器614。再者，每個第四功率變流器614可以耦合到對應的開關單元606。在一個示例中，第四功率變流器614的數量與一個分支602中的開關單元606的數量可以大致相等。作為示例，分支602包括16個第四功率變流器614和一個分支602的16個開關單元606。更具體地來說，每個開關單元606可以具有對應的第四功率變流器614。
[0056]為了易於表不,將對應於分支602的16個第四功率變流器614被描繪為PC1-PC1615在圖6的示例中，第四功率變流器PC1和PC2的端P1和P2可以操作地耦合到個體開關單元606的對應端P1和己。在一個實施例中，可以使用高電壓線纜616將第四功率變流器614操作地耦合到個體開關單元606。雖然圖6僅表示了一個分支602，但是在三相MV-UPS系統中，功率變流器可以包括三個分支。正如上文提到的，三個分支的每一個可以包括16個開關單元，並且因此這三個分支可以包括總計48個開關單元。相應地，包括具有三個分支的變量變流器的三相MV-UPS系統可以包括48個第四功率變流器614。
[0057]正如上文提到的，第四功率變流器614可以包括雙向變流器、單向變流器或同時包括雙向變流器和單向變流器。再有，如果第四功率變流器614是單向變流器，則可以採用充電單元對能量源608充電。再者，第四功率變流器614和具有初級繞組611和次級繞組613的變壓器612可以與系統600的其他組件隔離。
[0058]在一個非限制性示例中，變壓器612和多個第四功率變流器614可以配置成形成模塊化單元618。為此，可以將變壓器612和多個第四功率變流器614封裝在隔離的容器中以形成模塊化單元618。在一個示例中，模塊化單元618可以是機械盒。模塊化單元618可以配置成提供與系統600的其他組件的隔離。在一個示例中，模塊化單元618可以配置成提供與DC鏈路(未示出)兩端的電壓隔離。再者，還可以將每個第四功率變流器614與其他第四功率變流器614隔離。
[0059]現在轉到圖7，其中示出根據本公開的多個方面的、圖1的MV-UPS系統100的一部分的示範實施例的示意圖表示700。圖7的示例可以包括功率變流器(如圖1的第二功率變流器106)的分支702。分支702還可以經由電感器705操作地耦合到第三總線704。第三總線704可以包括交流相位，如AC相位A、AC相位B和AC相位C。功率變流器的分支702可以包括操作地串聯耦合的多個開關單元706。
[0060]再者，根據本公開的多個示範方面，系統700可以包括公共能量源708、多個第三功率變流器710、多個變壓器712和多個第四功率變流器714。每個變壓器712可以包括對應的初級繞組711和次級繞組713。此外，公共能量源708可以操作地耦合到多個第三功率變流器710的每一個。能量源708可以包括單個電池、操作地串聯和/或並聯耦合的多個電池等。而且，多個第三功率變流器710的每一個可以操作地耦合到對應的變壓器712。同樣，一個分支中的第四功率變流器714的數量可以大致等於開關單元706的數量。同樣，每個變壓器712可以操作地耦合到對應的第四功率變流器714。同樣，每個第四功率變流器714可以操作地耦合到對應的開關單元706。具體來說，第四功率變流器714可以耦合在對應開關單元706的電容器716兩端。
[0061]在圖7的示例中，變壓器712、第四功率變流器714和對應開關單元706的組合可以形成模塊化單元718。系統700可以包括多個此類模塊化單元718。這些模塊化單元718可以與其他模塊化單元718隔離以提供期望的電壓隔離。具體來說，模塊化單元718中的變壓器712可以配置成提供期望的電壓隔離。模塊化單元718還可以與系統700的其他組件的隔離。在一個示例中，模塊化單元718可以配置成耐受DC鏈路(未示出)兩端的電壓。根據本公開的多個示範方面，包括圖7的系統的MV-UPS (如圖1的MV-UPS 100)可以設計成通過改變可以串聯耦合的模塊化單元718的數量以在一定電壓範圍上操作。
[0062]圖8是根據本公開的多個方面的、圖1的MV-UPS系統100的一部分的又一個示範實施例的示意圖表示800。圖8所示的系統800的示例包括分支802,分支802經由電感器805操作地耦合到第三總線804。再者，分支802可以包括操作地串聯耦合的多個開關單元806。公共能量源808可以操作地耦合到公共第三功率變流器810。而且，系統800還可以包括多個變壓器812。第三功率變流器810可以經由公共線路820耦合到多個變壓器812的初級繞組811。多個變壓器812的次級繞組813可以操作地耦合到對應的第四功率變流器814。第四功率變流器814可以操作地耦合到對應的開關單元806。更具體地來說，第四功率變流器814可以操作地耦合在與對應開關單元806關聯的電容器816兩端。在一個示例中，第四功率變流器814的數量可以大致等於分支802中的開關單元806的數量。
[0063]在一個示例中，功率變流器(如圖1的第二功率變流器106)的所有分支可以包括相等數量的開關單元806。變壓器812、第四功率變流器814和對應的開關單元806可以形成模塊化單元818。每個模塊化單元818可以與其他模塊化單元818隔離。模塊化單元818還提供與系統800的其他組件的隔離。在一個非限制性示例中，模塊化單元818提供與DC鏈路(未示出)兩端的電壓隔離。
[0064]為了易於表示，圖3-8的示例僅示出第二功率變流器的一個分支。雖然圖3-8的示例表示MV-UPS系統，但是還可設想將相似的配置用於低電壓UPS系統和高電壓UPS系統。
[0065]現在轉到圖9，其中示出表示根據本公開的多個方面的、操作如圖1的MV-UPS系統100的MV-UPS系統的方法的流程圖900。將參考圖1-2解釋圖9。方法開始於步驟902，其中可以經由第一總線116和第二總線118將第一功率變流器102耦合到第二功率變流器106。再者，可以將DC鏈路104耦合在第一總線116與第二總線118之間。能量源108還可以耦合到DC鏈路104、第二功率變流器106的開關單元210或其組合。正如上文提到的，能量源108可以包括電池。可以耦合第一功率變流器102、第二功率變流器106、DC鏈路104、第三功率變流器110、變壓器112和第四功率變流器114以形成圖1的示範MV-UPS 100。
[0066]再者，在步驟904處，可以使用第三功率變流器110、變壓器112和第四功率變流器114的其中一個或多個將來自能量源108的電壓升壓，以在DC鏈路104兩端供給電壓。在步驟906處，可以將步驟904處生成的升壓的電壓作為輸入供給到第二功率變流器106和/或DC鏈路104。更具體地來說，可以將步驟904處生成的升壓的電壓供給到第二功率變流器106的開關單元210。可以注意，步驟904代表後備操作模式。正如先前提到的，在後備操作模式中，從能量源108向第二功率變流器106供電。作為備選，可以從電源和/或電網120經由第一功率變流器102和DC鏈路104向第二功率變流器106供電。此操作模式也可以稱為效用操作模式。
[0067]在步驟906之後，可以確定第二功率變流器106中的多個開關單元的開關模式，正如步驟908所指示的。可以採用控制器(如圖1的控制器124)來確定多個開關單元的開關模式。而且，可以使用與多個開關單元對應的開關模式來控制多個開關單元中的全控型半導體開關的開關。此外，還可以確定第一功率變流器102的多個開關單元的開關模式。
[0068]而且，在步驟910處，將第二功率變流器106配置成生成輸出。可以注意，第二功率變流器106生成的輸出可以取決於第二功率變流器106中的多個開關單元上的開關模式。第二功率變流器106生成的輸出可以包括線參數。在一個非限制性示例中，線參數可以包括中壓AC波形。在又一個示例中，線參數可以包括可控AC電流波形。
[0069]再者，可以通過基於處理器的系統(如通用或專用計算機)上的適合代碼來實現前文的示例、演示和過程步驟(如該系統可以執行的那些過程步驟)。還應該注意，本發明的技術的不同實現可以採用不同的次序或大致同時(即，並行地)執行本文描述的一些或全部步驟。再者，這些功能可以採用多種程式語言，包括但不限於C++或Java來實現。此類代碼可以存儲在或調適成存儲在可以被基於處理器的系統訪問以執行所存儲的代碼的一個或多個有形機器可讀介質上，如存儲在數據資料庫晶片、本地或遠程硬碟、光碟(即，⑶或DVD)、存儲器或其他介質上。注意有形介質可以包括其上印製了指令的紙張或另一種適合的介質。例如，可以通過紙張或其他介質的光學掃描以電子方式捕獲指令，然後在必要的情況下將編譯、解釋或其他處理，然後存儲在數據資料庫或存儲器中。
[0070]上文中描述了中壓UPS的多種實施例以及操作MV-UPS系統的方法，其用於幫助改進數據中心的運行效率。再者，該MV-UPS系統促成低電流值，從而降低布線成本。在MV-UPS系統中使用低電壓開關也有助於降低MV-UPS系統的成本。而且，該MV-UPS系統可以應用於數據中心、醫院等。
[0071]雖然本發明是參考示範實施例描述的，但是本領域技術人員將理解，在不背離本發明範圍的前提下可以進行多種更改，以及可以利用等效物替換其元件。此外，在不背離本發明基本範圍的前提下，可以進行許多修改以使具體情況或材料與本發明的原理相適應。
【權利要求】
1.一種中壓不間斷供電源系統，包括: 第一功率變流器，其操作地耦合在第一總線與第二總線之間； 第二功率變流器，其經由所述第一總線和所述第二總線操作地耦合到所述第一功率變流器，其中所述第二功率變流器包括至少三個分支，其中所述至少三個分支包括多個開關單元，以及其中所述多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置； 直流鏈路，其操作地耦合在所述第一總線與所述第二總線之間的；以及 能量源，其經由第三功率變流器、變壓器和第四功率變流器的其中一個或多個操作地耦合到所述第二功率變流器、所述直流鏈路或操作地耦合到所述第二功率變流器和所述直流鏈路兩者。
2.如權利要求1所述的系統，其中將所述變壓器和所述第四功率變流器組合以形成隔離的模塊化單元。
3.如權利要求2所述的系統，其中所述隔離的模塊化單元還包括所述第二功率變流器的所述多個開關單元的至少其中之一。
4.如權利要求1所述的系統，其中所述直流鏈路包括操作地串聯耦合的多個電容器。
5.如權利要求1所述的系統，其中所述能量源經由所述第三功率變流器、所述變壓器和所述第四功率變流器的其中一個或多個操作地耦合到所述第二功率變流器的所述至少三分分支中的所述多個開關單元的每一個開關單元。
6.如權利要求1所述的系統，其中所述第一功率變流器包括至少三個分支，其中所述至少三個分支包括多個開關單元，以及其中所述多個開關單元包括至少兩個半導體開關和儲能裝置。
7.如權利要求6所述的系統，還包括控制器，所述控制器配置成確定用於所述第一功率變流器的所述多個開關單元和所述第二功率變流器的所述多個開關單元的開關模式。
8.如權利要求1所述的系統，其中所述變壓器、所述第三功率變流器和所述第四功率變流器配置成將所述能量源的電壓升壓。
9.如權利要求1所述的系統，還包括操作地耦合在所述第一功率變流器和所述第二功率變流器兩端的旁通分支。
10.如權利要求9所述的系統，其中所述旁通分支包括機電開關、半導體開關或其組口 ο
【文檔編號】H02M5/44GK103856069SQ201310618823
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2012年11月30日
【發明者】V.卡納卡薩白, R.奈克, S.科隆比, S.F.S.埃爾-巴巴裡, P.維查延 申請人:通用電氣公司