具有搁置电力恢复的不间断电源系统的制作方法

具有搁置电力恢复的不间断电源系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年10月28日提交的美国临时申请第62/926,594号的权益。上述申请的全部公开内容通过引入并入本文中。
技术领域
3.本公开内容涉及具有多个不间断电源模块的不间断电源系统，更具体地涉及这样的系统中的搁置电力恢复。


背景技术：

4.本节提供与本公开内容相关的背景信息，其不一定是现有技术。如本文中所使用的，“ups”是“不间断电源”。
5.一种常见的ups系统配置具有多个ups模块，通常是几个，其中每个ups模块具有与其相关联的负载，该ups模块向负载提供电力。这样的ups系统通常用在数据中心中。这样的ups系统通常具有无法立即可用于交付给负载的未使用的容量或搁置的容量。这可能是由于设计期间的错误或信息不足、系统配置中的意外更改、或甚至用以允许未来发展的有意的利用不足。未利用的电力可以是大型ups系统中包括的任何单个ups模块的容量的相对小的百分比。然而，ups模块中的每一个的未充分利用的容量可以在组合时容易地足以为系统负载中的任一个供电。无论如何，如果ups模块发生故障或需要维护关机，则期望具有可用于为负载供电的这个总的额外容量。这个额外容量通常被称为“搁置容量”或“搁置电力”，并且在本文中将被称为“搁置电力”。
6.利用搁置电力的一种现有技术方法是通过使用静态开关(例如，固态开关、继电器、遥控断路器)将一个或更多个ups模块的ac电力输出连接至公共ac电力总线(在本文中被称为“恢复的电力总线”)来恢复搁置电力。然后这个恢复的电力总线被用作备用电源或后备电源。在ups模块发生故障或关闭的情况下，与该ups模块相关联的负载从该ups模块ups的ac电力输出切换离开，并通过静态转换开关或断路器连接至恢复的电力总线。
7.图1是具有这样的搁置电力恢复的示例现有技术ups系统100的简化框图。ups系统100包括多个ups模块102。在图1的示例中，ups系统100具有五个ups模块102——ups模块102(a)至102(e)。每个ups模块102(a)至102(e)具有与其相关联的负载104，该特定ups模块102(a)至102(e)为负载提供电力。每个ups模块102(a)至102(e)还具有与其相关联的静态转换开关106。每个ups模块102(a)至102(e)具有与相关联的静态转换开关106的ac电力输入110耦接的ac电力输出108。每个静态转换开关106具有耦接至相关联的负载104的ac电力输出112。每个静态转换开关106具有耦接至恢复的电力总线116的第二ac电力输入114。
8.ups模块102(a)至102(e)中的一个或更多个可用于向恢复的电力总线116提供搁置电力。可用于向恢复的电力总线116提供搁置电力的每个ups模块102(a)至102(e)的ac电力输出108耦接至相关联的静态开关120的ac电力输入118。每个静态开关120的ac电力输出122耦接至恢复的电力总线116。
9.应当理解，可以存在未用于向恢复的电力总线116提供搁置电力的ups模块102。在这点上，未用于向恢复的电力总线116提供搁置电力的每个ups模块102(a)至102(e)于是将不具有相关联的静态开关120，因此也不会耦接至电力共享控制总线124，如图1中ups模块102(e)示例性地所示。
10.可以理解的是，可用于向恢复的电力总线116提供恢复的搁置电力的所有ups模块102(a)至102(e)在它们的相关联的静态开关120闭合时通过静态开关120和恢复的电力总线116有效地连接在一起。这对系统设计施加了某些约束。例如，要求这些ups模块102(a)至102(e)必须各自具有连接在所有其他模块之间的电力共享控制系统，并且可连接至恢复的电力总线116。这通过将每个ups模块102(a)至102(e)的电力共享控制系统耦接至单独的控制总线来实现，该单独的控制总线在图1中代表性地示出为电力共享控制总线124。还要求所有这些ups模块102(a)至102(e)在连接至恢复的电力总线时关于它们的ac输出电压的电压、频率和相位关系被同步。在这点上，由恢复的电力总线提供的ac电力具有标称电压和频率，例如60hz下的480vac。当ups模块102(a)至102(e)连接至恢复的电力总线时，它必须在其输出以标称电压和频率提供ac电力。所提供的ac电力还必须与由连接至恢复的电力总线的其他ups模块102(a)至102(e)提供的ac电力同相。最后，所有这些ups模块102在连接至恢复的电力总线时必须以相同的模式(即，双转换、经济模式、旁路等)进行操作。
11.这些设计约束可能产生许多不期望的限制。一方面，必须预先安装电力共享系统，或者必须关闭ups系统以安装电力共享系统，然后才能启用搁置电力恢复。可用于向恢复的电力总线提供搁置电力的所有ups模块102(a)-102(e)必须具有相同的额定功率(kva大小)以使电力共享正常工作。如果连接至恢复的电力总线的ups模块中的任一个ups模块转换到与连接至恢复的电力总线的其他ups模块不同的操作模式，则该ups模块必须从恢复的电力总线断开，并且将不再可用于向恢复的电力总线贡献搁置电力。因此，期望具有如下ups系统，其具有不受上述约束影响的搁置电力恢复。


技术实现要素：

12.本节提供了本公开内容的总体概述，并且不是对其全部范围或其全部特征的全面公开。
13.在一个方面中，本公开内容涉及与恢复的电力总线通信的不间断电源系统。该系统可以包括多个不间断电源(ups)模块，其中ups模块中的一个或更多个可用于向恢复的电力总线提供搁置电力。每个ups模块可用于向恢复的电力总线提供搁置电力，并且具有与其相关联的静态转换开关、负载和ac/ac转换器。ac/ac转换器在其ac输入处从ups接收第一ac电力输出，并且在其ac输出处生成第二ac电力输出，该第二ac电力输出被施加至恢复的电力总线。ups具有耦接至静态转换开关的第一ac电力输入的第一ac电力输出，并且与静态转换开关相关联的第三ac电力输出耦接至负载。静态转换开关的第二ac电力输入耦接至恢复的电力总线。当ups模块中的任一个ups模块用于向恢复的电力总线提供搁置电力时，其相关联的ac/ac转换器在其相关联的ac电力输出处提供第二ac电力输出。第二ac电力输出与第二电力输出中由向恢复的电力总线提供ac电力的其他ac/ac转换器中的每一个提供给恢复的电力总线的其他第二电力输出同步。以这种方式，所有ac/ac转换器的被提供给恢复的电力总线的第二ac电力输出具有相同的电压、相同的频率或相同的相位中至少之一。
14.在另一方面中，本公开内容涉及与恢复的电力总线通信的不间断电源系统。该系统可以包括多个不间断电源(ups)模块，其中ups模块中的一个或更多个可用于向恢复的电力总线提供搁置电力。每个ups模块可用于向恢复的电力总线提供搁置电力，并且具有与其相关联的静态转换开关，该静态转换开关具有第一ac电力输入和第二ac电力输入以及ac输出。每个ups模块还具有相关联的负载以及具有有源整流器前端和逆变器后端的相关联的ac/ac转换器。有源整流器前端具有用于从ups接收第一ac电力输出的输入，并且逆变器后端生成被施加至恢复的电力总线的第二ac电力输出。ups还具有耦接至静态转换开关的第一ac电力输入的第一ac电力输出，以及静态转换开关的第二ac电力输入耦接至恢复的电力总线，其中静态转换开关的ac输出耦接至负载。当ups模块中的任一个ups模块用于向恢复的电力总线提供搁置电力时，其相关联的ac/ac转换器在其相关联的所述ac电力输出处提供第二ac电力输出。第二ac电力输出与第二电力输出中由向恢复的电力总线提供ac电力的其他ac/ac转换器中的每一个提供给恢复的电力总线的其他第二电力输出同步。以这种方式，所有ac/ac转换器的被提供给恢复的电力总线的第二ac电力输出具有相同的电压、相同的频率和相同的相位。
15.在又一方面中，本公开内容涉及用于形成与恢复的电力总线通信的不间断电源(ups)系统的方法。该方法包括使用多个ups模块向相关联的静态转换开关的第一输入和相关联的ac/ac转换器的输入各自提供第一ac电力输出。该方法还包括使用ac/ac转换器向恢复的电力总线各自提供第二ac电力输出。该方法还包括：使用静态转换开关在其第二输入处从恢复的电力总线接收电力，以及使用静态转换开关中的每一个向与其相关联的负载提供第三电力输出。与其相关联的负载还与ups中的特定一个ups相关联。该方法还包括：控制所有ac/ac转换器，使得被施加至恢复的电力总线的所有第二ac电力输出在电压、频率或相位中的至少一个方面同步。
16.适用的其他领域将根据本文中所提供的描述变得明显。本概述中的描述和特定示例仅旨在出于说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
17.本文中描述的附图仅出于对选择的实施方式而非所有可行实现方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。
18.图1是具有搁置电力恢复的现有技术ups系统的简化框图；
19.图2是根据本公开内容的一方面的具有搁置电力恢复的ups系统的简化框图；以及
20.图3是根据本公开内容的一方面的用于控制图2的ups系统的ac/ac转换器以提供搁置电力恢复的控制逻辑的流程图。
具体实施方式
21.现在将参照附图更充分地描述示例实施方式。贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。
22.图2是根据本公开内容的一方面的具有搁置电力恢复的ups系统200的简化框图。由于以下讨论的差异，ups系统200与ups系统100相同，并且ups系统200与ups系统100共有的部件在图2中用图1中使用的相同的附图标记来标识。
23.在ups系统200中，可以向恢复的电力总线116提供搁置电力的ups模块102(a)至102(e)具有相关联的ac/ac转换器202，而不是相关联的静态开关120。这些ups模块102(a)至102(e)中的每一个的ac电力输出耦接至相关联的ac/ac转换器202的ac电力输入204，并且每一个ac/ac转换器202的ac电力输出206耦接至恢复的电力总线116。由于ups系统200不需要电力共享控制系统，因此图2没有示出ups系统200具有电力共享控制总线124。
24.ac/ac转换器202示例性地具有：具有ac电力输入204的有源整流器前端201和具有ac电力输出206的逆变器后端203。因此，ac/ac转换器202具有与双转换不间断电源相同的拓扑，但没有备用dc电源或旁路。每个ac/ac转换器的有源整流器前端201以与双转换ups的有源整流器自同步至输入电力的方式相同的方式以已知方法自同步至由相关联的ups模块102提供的输出电力。因此，不需要且在一方面中不存在从ups模块102到相关联的ac/ac转换器202的使ac/ac转换器202的有源整流器前端201同步至相关联的ups模块102(a)至102(e)的同步信号或者从ups模块102到相关联的ac/ac转换器202的任何其他类型的控制信号。这在改装ups系统以添加搁置电力恢复时特别有利，因为ac/ac转换器202独立于ups 102进行操作并且可以作为独立单元被安装而无需与ups 102(a)至102(e)进行任何控制互连。ac/ac转换器在不需要对ups模块102(a)至102(e)进行任何修改的情况下可以连接至任何ups模块102的输出。然后ups模块102(a)至102(e)将其相关联的ac/ac转换器102简单地视为另一负载。
25.ac/ac转换器202的输出206彼此同步，使得ac/ac转换器202在ac电力输出处的ac电力都具有工业可接受的容差——例如电压不超过 /-1％(rms)和频率不超过 /-0.1％——内的标称电压和标称频率，在所述标称电压和标称频率下ac电力将被提供在恢复的电力总线116上，并且ac/ac转换器202在ac电力输出处的ac电力都是同相的。在这点上，每个ac/ac转换器202包括控制器208，控制器208被配置成控制该ac/ac转换器202，使得该ac/ac转换器202在ac电力输出206处的ac电力具有标称电压、标称频率，并且与正向恢复的电力总线116提供ac电力的其他ac/ac转换器202在ac电力输出处的ac电力同相。
26.在图2所示的示例中，ac/ac转换器202各自具有耦接至公共同步参考212的同步输入210。作为示例而非限制，公共同步参考212提供ac信号(模拟或数字化)，在本文中被称为ac参考信号，其频率为标称频率。例如，如果该标称输出频率为60hz，则ac参考信号的频率为60hz，以及如果该标称频率为50hz，则ac参考信号的频率为50hz。作为示例而非限制，控制器208使用ac参考信号作为相位参考。控制器208被配置成控制其各自的ac/ac转换器202，以使ac电力输出206处的ac输出电力的相位同步至ac参考信号的相位，使得ac/ac转换器202在ac电力输出206处的ac输出电力都是同相的。然后，控制器208还被配置成控制其各自的ac/ac转换器202，使得它们都具有标称电压和频率，从而具有相同的电压和频率。应当理解，控制器208例如利用常规控制技术例如通过控制使ac/ac转换器202的功率开关半导体切换的脉宽调制信号的参数来控制其各自的ac/ac转换器。
27.应当理解，公共同步参考212可以与ac/ac转换器202分离，或者可以在控制器208之一中实现。在后一示例中，ac/ac转换器之一的控制器208用作同步主机，并向其他ac/ac转换器中的每一个的控制器208发出同步信号，该同步信号也可以是ac参考信号(模拟或数字化)。
28.每个控制器208监测与具有该控制器208的ac/ac转换器202相关联的ups模块102
输出的ac电力。例如，每个控制器208具有分别耦接至电压传感器218和电流传感器220的输入214、216，电压传感器218和电流传感器220耦接至相关联的ups模块102的ac电力输出108。相关联的ups模块102(a)至102(e)的额定功率被预编程到相关联的ac/ac转换器202的控制器208中。如本领域所理解的，ups模块的额定功率是ups模块额定提供的最大电力。
29.在变型中，控制器208可以例如从其相关联的ups模块102(a)至102(e)或其他设备接收输入，该输入实时通知控制器208相关联的ups模块102(a)至102(e)的当前最大可用电力容量是多少。这可以用于受控的负载分离。例如，如果相关联的ups模块102(a)处于备用电力模式——由ups模块102(a)的备用dc电源(例如电池或发电机)提供电力，则ups模块102(a)的最大可用电力容量可以减小并传送至其相关联的ac/ac转换器202的控制器208。然后，控制器208例如减少ac/ac转换器202从相关联的ups模块102(a)恢复的电力的量。
30.图3是在每个控制器208中实现的用于控制ac/ac转换器202的操作的说明性控制逻辑的控制例程的流程图。在操作300处，控制例程监测与该ac/ac转换器202相关联的特定ups模块102(a)至102(e)输出的ac电力。在操作302处，控制例程确定相关联的ups模块102(a)至102(e)是否可以用于向恢复的电力总线116提供搁置电力。如果不能用于向恢复的电力总线116提供搁置电力，则控制例程分支回到300。例如，相关联的ups模块102(a)至102(e)可能脱机，并因此无法向恢复的电力总线116提供搁置电力，或者与该特定ups模块102(a)至102(e)相关联的负载104可能正在汲取该特定ups模块102(a)至102(e)额定提供的最大电力。
31.如果在302处控制例程确定相关联的ups模块102(a)至102(e)可以用于向恢复的电力总线116提供搁置电力，则在操作304处控制例程通过从控制器208中预编程的相关联的ups模块102(a)至102(e)的额定功率中减去相关联的ups模块102(a)至102(e)正输出的ac电力的量来确定从相关联的ups模块102(a)至102(e)可用的搁置电力。在操作306处，控制例程将该ac/ac转换器202在ac电力输出206处的ac电力同步至标称电压、标称频率和标称相位，使得它将具有与向恢复的电力总线提供电力的其他ac/ac转换器202在ac电力输出206处的ac电力相同的电压、频率和相位，并且控制例程控制ac/ac转换器202向恢复的电力总线116提供搁置电力的部分或全部。然后，控制例程分支回到300。
32.在一方面中，控制器208被配置成控制ac/ac转换器202，以限制ac/ac转换器可以从相关联的ups模块102(a)至102(e)汲取的电力，使得不超过相关联的ups模块102(a)至102(e)的额定功率。在一方面中，控制器208被配置成控制ac/ac转换器202，使得ac/ac转换器可以从相关联的ups模块102(a)至102(e)汲取的最大电力小于可用的搁置电力的量。作为示例而非限制，控制器208被配置成使得其相关联的ac/ac转换器202可以从其相关联的ups模块102(a)至102(e)汲取的最大电力比控制器208确定可用的搁置电力的量少百分之十。应当理解，该设置可以是可校准的设置。
33.在变型中，可控断路器222(在图2中以虚线示出)被安装在恢复的电力总线116与静态转换开关106的第二ac电力输入114之间，该静态转换开关106与ups模块102(a)至102(e)中可以连接至恢复的电力总线116的ups模块102相关联。可控断路器222被控制成使得它们防止任何如下负载104连接至恢复的电力总线116，该负载104无法被恢复的电力总线116上可用的ac电力支持，该恢复的电力总线116上可用的ac电力是ups模块102(a)至102(e)的总的未使用电力或搁置电力，所述ups模块102(a)至102(e)经由其相关联的ac/ac转
换器202向恢复的电力总线116提供ac电力。可控断路器222例如可以由控制器208或由单独的控制器(未示出)控制。作为示例而非限制，可控断路器222可以是远程受控的断路器、静态ac开关或接触器。在该变型的一方面中，ac/ac转换器202的控制器208例如无线地或通过通信总线(未示出)彼此进行通信。
34.应当理解的是，可以示例性地以硬件逻辑、软件逻辑或者硬件逻辑和软件逻辑的组合来实现用于通过其各自的控制器208对ac/ac转换器202进行前述控制的逻辑。在这点上，每个控制器208可以是或者可以包括被编程有实现上述方法的软件的数字信号处理器(dsp)、微处理器、微控制器或其他可编程设备中的任一个。应当理解的是，可替选地，控制器208是或者包括其他逻辑器件，诸如现场可编程门阵列(fpga)、复杂可编程逻辑器件(cpld)或专用集成电路(asic)。当陈述控制器208执行功能或被配置成执行功能时，应当理解的是，控制器208被配置成使用适当的逻辑(例如以软件、逻辑设备或其组合)这样做。
35.本文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，并且不旨在是限制性的。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包括性的，并且因此指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。除非特别地被标识为执行的顺序，否则在本文中描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序被执行。还应当理解的是，可以采用附加步骤或替选步骤。
36.出于说明和描述的目的，已经提供了对实施方式的前述描述。其并非旨在是详尽的或限制本公开内容。特定实施方式的各个要素或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的并且可以用于所选择的实施方式中，即使没有具体地被示出或被描述也是如此。特定实施方式的各个要素或特征也可以以许多方式而变化。这样的变型不应被视为脱离本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。