UPS和PCS的混合供电系统的制作方法

ups和pcs的混合供电系统
技术领域
1.本公开为一种供电系统领域，特别涉及一种ups和pcs的混合供电系统。


背景技术：

2.在现今，解决化石能源短缺以及实现碳中和已经成为人类社会发展的共识，其解决途径是对新能源进行利用，例如太阳能和风能等。台湾地区的新能源法规定了台湾地区用电大户需要配置10％以上的再生能源发电设备、储能设备或购买一定额度的再生能源电力及凭证。而为了满足新能源法规中关于储能设备的需求，最简单的做法是在原本的供电系统中再额外添加功率调节系统(power condition system，pcs)中的变流器和电池，使得电池的电能可以经变流器注入到电网中，然而若原本的供电系统为不断电供电系统(uninterrupted power system,ups)，前述做法将使得供电系统存在两套电池，众所周知，储能装置中的电池为供电系统中最为昂贵的部件，而且还存在寿命问题，因此供电系统的投资费用便会因为使用两套储能装置以及两套储能装置的电池的维护更换而过大。
3.另外，目前ups使用厂商也开始意识到，ups的电池长期处于后备状态，是资源的一种浪费，如果能够有效使用，例如将ups的电池的电能回馈至电网，将会带来额外收益。然而在ups中，法规(iec62040)规定电池的能量不允许向电网回馈，因此ups整流器的能量是单方向流动，即能量传递的方向只是从电网流向电池，故目前ups并不具备与电网交换能量的条件。
4.因此，实有必要发展一种ups和pcs的混合供电系统，以解决现有技术所面临的问题。


技术实现要素：

5.本公开的目的在于提供一种ups和pcs的混合供电系统，从而解决传统ups由于不具备与电网交换能量的条件，因此为了符合新能源法规，仅能在原有架构下额外添加pcs的变流器和电池，导致ups的投资费用过大。
6.为达上述的目的，本公开提供一种ups和pcs的混合供电系统，与负载及电网电连接，且包含：储能模块，包含电池；第一电能转换电路，具有双向电能转换功能，并包含第一电能传输端及第二电能传输端，第一电能传输端与电网电连接；第二电能转换电路，具有双向电能转换功能，并包含第三电能传输端及第四电能传输端，第三电能传输端、第二电能传输端及储能模块电连接，第四电能传输端与负载电连接；以及旁路开关，旁路开关的第一端电连接于电网及第一电能传输端，旁路开关的第二端电连接于第四电能传输端及负载；其中，ups和pcs的混合供电系统符合至少一pcs并网法规认证及ups法规认证。
附图说明
7.图1为本公开优选实施例的ups和pcs的混合供电系统的电路结构示意图；
8.图2为图1所示的ups和pcs的混合供电系统运行于第一工作模式时的电能传输方
向示意图；
9.图3为图1所示的ups和pcs的混合供电系统运行于第二工作模式时的电能传输方向示意图；
10.图4为图1所示的ups和pcs的混合供电系统运行于第三工作模式时的电能传输方向示意图；
11.图5为图1所示的ups和pcs的混合供电系统运行于第四工作模式时的电能传输方向示意图；
12.图6为图1所示的ups和pcs的混合供电系统运行于第五工作模式时的电能传输方向示意图。
13.符号说明
14.1：ups和pcs的混合供电系统
15.2：电网
16.3：负载
17.10：储能模块
18.11：第一电能转换电路
19.12：第二电能转换电路
20.13：旁路开关
21.100：电池
22.14：第一控制器
23.15：第二控制器
24.101：电池管理系统
25.4：能量管理系统
具体实施方式
26.体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非架构于限制本公开。
27.请参阅图1，其为本公开优选实施例的ups和pcs的混合供电系统的电路结构示意图。如图1所示，本实施例的ups和pcs的混合供电系统1电连接于电网2及负载3之间，包含储能模块10、第一电能转换电路11、第二电能转换电路12及旁路开关13。
28.储能模块10包含可进行充电或放电的电池100，电池100例如但不限制为蓄电池或锂电池。第一电能转换电路11具有双向电能转换功能，且包含第一电能传输端及第二电能传输端，其中第一电能传输端与电网2电连接。第二电能转换电路12具有双向电能转换功能，并包含第三电能传输端及第四电能传输端，其中第三电能传输端与第一电能转换电路11的第二电能传输端及储能模块10电连接，故第二电能转换电路12与第一电能转换电路11为串联连接，第四电能传输端与负载3电连接。
29.旁路开关13包含第一端及第二端，其中旁路开关13的第一端电连接于电网2及第一电能转换电路11的第一电能传输端，旁路开关13的第二端电连接于第二电能转换电路12的第四电能传输端及负载3，因此，旁路开关13与由第一电能转换电路11及第二电能转换电
路11串联连接而成的串接电路为并联连接，此外，当旁路开关13切换为导通状态时，旁路开关1的第一端及第二端之间为导通状态，反之，当旁路开关13切换为断开状态时，旁路开关1的第一端及第二端之间为断开状态。在一些实施例中，该旁路开关13包括相互串联的一开关及一双向晶闸管。
30.另外，在本实施例中，ups和pcs的混合供电系统1符合至少一pcs并网法规认证及ups法规认证，更进一步说明，ups和pcs的混合供电系统1的第一电能转换电路11及第二电能转换电路12分别符合至少一pcs并网法规认证及ups法规认证，且ups和pcs的混合供电系统1更通过控制第一电能转换电路11的运行方式，使第一电能转换电路11切换为以实现pcs电能转换电路的方式进行运行，或是切换为以实现ups电能转换电路的方式进行运行，同样地，ups和pcs的混合供电系统1还通过控制第二电能转换电路12的运行方式，使第二电能转换电路12切换为以实现pcs电能转换电路的方式进行运行，或是切换为以实现ups电能转换电路的方式进行运行。需说明的是，本领域的技术人员可清楚了解符合ups法规认证的电能转换电路与符合pcs并网法规认证的电能转换电路在电路架构上并无本质区别，主要在控制及运行方式上不同。
31.示例地，ups和pcs的混合供电系统1将电网2提供的电能经由第一电能转换电路11转换后存储在电池100中，以当电网2发生异常或停电时，该ups和pcs的混合供电系统1可以将电池100的电能经由第二电能转换电路12转换后提供给负载3，此工作模式下，第一电能转换电路11和第二电能转换电路12均以ups电能转换电路的方式进行运行。ups和pcs的混合供电系统1的电网2经由第一电能转换装置11及经由第二电能转换电路12和旁路开关13组成的第一路径实现与电池100之间有功功率和无功功率的能量交换，此工作模式下，第一电能转换电路11和第二电能转换电路12均以pcs电能转换电路的方式进行运行。ups和pcs的混合供电系统1的电网2经由第一电能转换装置11实现与电池100之间有功功率和无功功率的能量交换，且电池100提供的电能经第二电能转换装置12转换后提供给负载3，此工作模式下，第一电能转换电路11为以pcs电能转换电路的方式进行运行，第二电能转换电路12为以ups电能转换电路的方式进行运行。可以理解的是，ups和pcs的混合供电系统1还可工作于其他工作模式，使第一电能转换电路11及第二电能转换电路12或以ups电能转换电路的方式进行运行或以pcs电能转换电路的方式进行运行，此处不再赘述。
32.于上述实施例中，当第一电能转换电路11切换为以实现pcs电能转换电路的方式进行运行时，即实现电网2与电池100之间有功功率和无功功率的能量交换时，第一电能转换电路11便具备电网支撑功能，可实现包括频率自动调节、电压自动调节及动态电网支撑功能中的至少一种。相似地，当第二电能转换电路12切换为以实现pcs电能转换电路的方式进行运行时，即实现电网2与电池100之间有功功率和无功功率的能量交换时，第二电能转换电路12同样具备电网支撑功能，可实现包括频率自动调节、电压自动调节及动态电网支撑功能中的至少一种。
33.于一些实施中，至少一pcs并网法规包括ieee1547、vde-ar-n 4110、vde-ar-n 4105、as 4777.2或g99中的至少一种，ups法规包括iec62040或ul1778中的至少一种。
34.于一些实施例中，第一电能转换电路11具有双向电能转换功能，具体地，电网2提供的交流电可经由第一电能转换电路11转换为直流电并提供给电池100及/或第二电能转换电路12的第三电能传输端，并且电池100提供的直流电及/或第二电能转换电路12的第三
电能传输端的直流电也可经由第一电能转换电路11转换为交流电并回馈给电网2。第二电能转换电路12亦具有双向电能转换功能，具体地，电网2提供的交流电通过旁路开关13后可经由第二电能转换电路12转换为直流电并提供给电池100，并且电池100提供的直流电也可经由第二电能转换电路12转换为交流电后通过旁路开关13回馈给电网2。
35.于一些实施例中，ups和pcs的混合供电系统1还包括第三电能转换电路，第三电能转换电路例如但不限制为dc-dc变换电路，dc-dc变换电路包含第一端及第二端，dc-dc变换电路的第一端电连接于第一电能转换电路的11的第二电能传输端及第二电能转换电路12的第三电能传输端，dc-dc变换电路的第二端电连接于储能模块10。
36.于一些实施例中，ups和pcs的混合供电系统1还包含第一控制器14及第二控制器15。第一控制器14控制第一电能转换电路11的运行，并收集第一电能转换电路11的运行信息，更甚者，在控制上，第一控制器14可控制第一电能转换电路11在以实现ups电能转换电路的运行方式或以实现pcs电能转换电路的运行方式两者中进行切换。第二控制器15控制第二电能转换电路12的运行，并收集第二电能转换电路12的运行信息，更甚者，在控制上，第二控制器15可控制第二电能转换电路12在以实现ups电能转换电路的运行方式或以实现pcs电能转换电路的运行方式两者中进行切换。
37.另外，储能模块10还包含电池管理系统101，电池管理系统101可用以控制电池100进行充电运行或放电运行。再者，第一控制器14、第二控制器15及电池管理系统101还与能量管理系统4相通信，并受能量管理系统4的调配而分别对第一电能转换电路11、第二电能转换电路12及电池100进行对应地控制，能量管理系统4可以位于一外部上位机内，在一些实施例中，能量管理系统4也可以位于该ups和pcs的混合供电系统1中。
38.以下将配合图2至图6来说明本公开的ups和pcs的混合供电系统1的运行方式。请参阅图2至图6，其中图2为图1所示的ups和pcs的混合供电系统1运行于第一工作模式时的电能传输方向示意图，图3为图1所示的ups和pcs的混合供电系统1运行于第二工作模式时的电能传输方向示意图，图4为图1所示的ups和pcs的混合供电系统1运行于第三工作模式时的电能传输方向示意图，图5为图1所示的ups和pcs的混合供电系统1运行于第四工作模式时的电能传输方向示意图，图6为图1所示的ups和pcs的混合供电系统1运行于第五工作模式时的电能传输方向示意图。如图2至图6所示，本公开ups和pcs的混合供电系统1可工作于五种不同的工作模式。当电网2供电正常而负载3不需运行时，ups和pcs的混合供电系统1运行于第一工作模式，而如图2所示，此时旁路开关13导通、第一电能转换电路11及第二电能转换电路12运行，电网2经由第二电能转换电路12和旁路开关13组成的第一路径及经由第一电能转换电路11实现与电池100之间有功功率和无功功率的能量交换。此时ups和pcs的混合供电系统1可通过第一电能转换电路11及第二电能转换电路12同时运行而提升功率容量。在第一工作模式下，第一电能转换电路11及第二电能转换电路12分别切换为以实现pcs电能转换电路的方式进行运行。
39.当电网2供电正常而负载3需要运行时，ups和pcs的混合供电系统1运行于第二工作模式，而如图3所示，此时旁路开关13导通，第一电能转换电路11运行及第二电能转换电路12待机，电网2经由旁路开关13供电至负载3，且电网2经由第一电能转换电路11实现与电池100之间有功功率和无功功率的能量交换。在第二工作模式下，第一电能转换电路11切换为实现pcs电能转换电路的方式进行运行。
40.当负载3需要运行，但电网2的电压异常而导致供电质量无法满足负载2的要求时，ups和pcs的混合供电系统1运行于第三工作模式，而如图4所示，此时旁路开关13断开，第一电能转换电路11及第二电能转换电路12运行，电网2经由第一电能转换电路1实现与电池100之间有功功率和无功功率的能量交换，电池100所提供的电能经由第二电能转换电路12转换并提供至负载3。在第三工作模式下，第一电能转换电路11切换为以实现pcs电能转换电路的方式进行运行，第二电能转换电路12切换为以实现ups电能转换电路的方式进行运行。
41.当电网2发生异常或停电而负载3需要运行，且第二电能转换电路12的功率容量足以满足负载3时，ups和pcs的混合供电系统1运行于第四工作模式，而如图5所示，此时旁路开关13断开，第一电能转换电路11待机而第二电能转换电路12运行，电池100所提供的电能经由第二电能转换电路12转换并提供至负载3。在第四工作模式下，第二电能转换电路12切换为以实现ups电能转换电路的方式进行运行。
42.当电网2发生异常或停电而负载3需要运行，且第二电能转换电路12的功率容量不足以满足负载3时，ups和pcs的混合供电系统1运行于第五工作模式，而如图6所示，此时旁路开关13导通，第一电能转换电路11及第二电能转换电路12运行，电池100所提供的电能经由第一电能转换电路11和旁路开关13组成的第二路径及经由第二电能转换电路12提供至负载2，此时ups和pcs的混合供电系统1可通过第一电能转换电路11及第二电能转换电路12同时运行而提升功率容量。在第五工作模式下，第一电能转换电路11及第二电能转换电路12分别切换为以实现ups电能转换电路的方式进行运行。
43.综上所述，本公开的ups和pcs的混合供电系统由于符合至少一pcs并网法规认证及ups法规认证，进而使第一电能转换电路及第二电能转换电路可分别依据不同的工作模式而在以实现ups电能转换电路的运行方式或实现pcs电能转换电路的运行方式两者中进行对应的切换，故ups和pcs的混合供电系统仅需一组储能模块10即可满足新能源法规要求，又满足负载的不间断供电需求，如此一来，ups和pcs的混合供电系统的投资成本可大幅减少。更甚者，在第一电能转换电路或第二电能转换电路以实现pcs电能转换电路的运行方式进行运行时，第一电能转换电路或第二电能转换电路可以实现电网和电池之间有功功率和无功功率的能量交换，即具备电网支撑功能，故可有效利用储能模块的电池的潜能，例如将电池的电能回馈至电网，提供电网辅助服务，进而使得ups和pcs的混合供电系统具有额外的收益。