CN101262145A

CN101262145A - 连接到电网的不间断电源

Info

Publication number: CN101262145A
Application number: CNA2008100093941A
Authority: CN
Inventors: 比约恩·安德森; 洛伦茨·费德森
Original assignee: Gamesa Eolica SA
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation and Technology SL; Gamesa Eolica SA
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2008-09-10
Also published as: US20090021963A1; EP1965487A1

Abstract

本发明涉及一种不间断电源UPS(25)以及操作不间断电源的方法，其中UPS(25)连接在电网(18)和用电设备(19)之间，UPS对来自电网(18)的功率进行整流以生成直流电，该直流电被用作逆变器的源，逆变器生成用电设备(19)用的功率，其中直流链路包括升压装置。本发明可实现在电网出现故障后的短时间内通过对单相或多相用电设备供电来渡过电网电压跌落。此外，使用升压装置而不是电池会使UPS系统小得多。

Description

连接到电网的不间断电源

技术领域

本发明涉及一种连接到电网的不间断电源(UPS)，所述电网包括至少一电力线，所述UPS包括输入装置，该输入装置包括整流器部件，该变换部件从UPS产生输出功率供应。

本发明还涉及一种用于操作不间断电源的方法，其中UPS连接在电网和用电设备之间，UPS对来自电网的功率进行整流以生成直流电(DC)，该直流电被用作逆变器的源，该逆变器生成用电设备用的功率。

背景技术

公共电网必须在例如由公共电网机构规定的电网规范内运行。电网规范包含风力涡轮机必须能够承受故障(fault-ride-through)的要求，也就是说，在电压下降的情况下，不与公用电网断开。这意味着对于该涡轮机自己的消耗(负载)来说不间断电源(UPS)装置是必须的，以确保在电网故障期间该涡轮机的安全运行。

所述要求中所描述的电压下降具有0.1-3秒范围内的典型时间段。

经验法则表明UPS系统所需功率水平在总涡轮机功率的0.5-1％的范围内。因此对于1MW涡轮机，自消耗为5至10kW的范围。

标准UPS系统通常由整流器、直流链路(DC link)、电池组以及逆变器部分组成。电池组是在主电源发生故障的情况下提供功率的能量源。该能量源的一些缺点如下：

电池是依赖于温度的。在将电池用作能量源的情况下，其寿命和容量直接取决于环境温度。在设计允许的最大值以上，温度的增加导致寿命降低。

由于电池具有相对低的最高设计温度(通常大约40℃)并且由于在典型的风力涡轮机中预期温度可能很容易达到55℃，因此需要附加的冷却或其它除热部件。当电池暴露在零度以下的温度时，也会发生类似的问题。加热元件通常是必须的，以避免电池因低温而放电。

电池的劣化可能损害电池的能量容量，结果只有较少的功率或者备用时间可以利用。电池的化学过程使得难以在任意给定的时间测量出电池中存储有多少能量。在传统的UPS系统中，在电池组投入工作之前能含量是未知的。在UPS执行安全操作的应用中，这可能导致不希望的或者危险的情况。减少这种风险的一个途径是通过按定期维修间隔经常更换电池来保证或者通过应用专用的管理系统来监视和控制充电和放电周期。电池组本身占用了UPS系统相当大的空间。并且电池是笨重的且不容易处理。在典型的涡轮机中，UPS安装在机舱中，并且如果定期更换电池，维修工程师要进行额外工作。电池内的化学过程需要专门的封装和细致的维护。此外，必须以环境友好的方式处理这些电池，这导致额外的费用，如果处理不当还会产生潜在的生物危害。因此希望消除风力涡轮机的UPS装置中的电池。

专利US5612580公开了一种在电源线电压高于阈值且来自电源的线路AC信号在可接收的范围内时能够以“离线”模式操作的UPS。

专利US5771161公开了一种有源线路调节器(active power lineconditioner，APLC)，其用于调节传送到负载的电能的量。

然而，这些专利均没有公开以降低到低于或等于风力涡轮机额定电压的15％的预期电压降运行的没有电池的UPS。本发明致力于解决该问题。

发明内容

本发明的主要目的是实现通过在电网发生故障之后的短时间内向单相或多相用电设备供电来渡过电网电压下降的UPS。

另一个目的是通过充当谐波滤波器和PFC(功率因数校正)以确保稳定和高质量的电源来保护连接到UPS的辅助设备。

如果修改权利要求1的前序部分使得UPS包括升压装置，该升压装置具有至少一输入线路，该输入线路经由整流器部件连接到电网，升压装置具有至少一输出线路，该输出线路连接到功率变换部件，则可以实现该目的。

由此可以实现在电网故障迫使几乎所有用电设备全部或部分关闭的情况下在几秒钟之内可以维持向负载供电。电网上的大多数电力故障具有几秒钟的持续时间，但是对于计算机化的用电设备陷入不希望的功率下降情况来说，这可能是足够长的持续时间。这种功率下降对于计算机系统是极其有害的，例如，如果在电力故障发生时硬盘正处于写入状态。如果与计算机部件相连的UPS装置只要能保持10-20秒钟的不间断供电，则这对于许多计算机系统在关机之前至少以使硬盘进入停车模式的操作方式关机来说是足够的。代替电池而使用升压装置会使UPS系统小得多，因为电池通常是非常笨重的铅蓄电池并且为了在需要功率时可以工作，必须处于不停的维护管理之下。

在可能的实施例中，UPS包括连接到功率变换部件的直流链路。

UPS可以与风力涡轮机一起工作，该风力涡轮机电网连接到UPS的输入作为能量源，在公用电网发生故障的短时间内该风力涡轮机电网全部或部分处于工作中，在该短时间内UPS处于工作中。UPS与风力涡轮机结合是必需的，因为风力涡轮机包括计算机化的控制系统，例如其控制液压和叶片的桨距并且在液压系统的帮助下进行制动。在电网发生故障的情况下，与风力涡轮机结合的安全系统必须继续正常工作。如果电网故障仅持续非常短的几秒钟时间，则风力涡轮机将感受不到任何间断。如果电网故障是全面的并且持续更长的时间，则只要风车发电机转动并至少产生一些功率，UPS系统就可以为内部负载产生足够的功率。

UPS还可以与连接到公用电网的风力涡轮机结合工作，所述公用电网连接到UPS的输入作为能量源，在风力涡轮机电网发生故障的短时间内所述公用电网全部或部分处于工作中，在该段时间内UPS处于工作中。在风力涡轮机发电机正在发生电力故障的情况下，UPS持续连接到公用电网以获得足够的功率供应。即使在公用电网也具有电力故障的情况下，UPS系统也能够至少在几秒钟的时间内产生足够的功率。

负载的电功率可以通过UPS来接通。从而可以实现：UPS还能作为功率滤波器进行工作，其作为太高的所有电网频率的高频滤波器进行工作，并且还担当PFC。这样，负载的功率几乎不受到可能是电网功率的一部分的短电压峰值的干扰。这些电压峰值对于例如与计算机结合的电源来说是非常不好的。在负载中产生的噪声也被过滤掉使得噪声不会传送到电网。

升压装置可包括至少一个线圈，该线圈(或感应器)作为直流链路的一部分串联连接，升压装置还包括至少一个半导体开关，处于导通状态的半导体开关跨过线圈形成短路，半导体开关包括输入部件，该输入部件连接到控制部件。由此实现了可以或多或少独立于电网电压产生功率。在电网只存在小的电压的情况下，升压装置所需的电流将相对高，但是能够以足够的电压电平产生功率。所需高电流导致与UPS的所有电连接的高规格。

线圈可进一步连接到整流器的阳极，整流器具有连接到电容器的阴极，电容器连接到功率变换部件的输入。额外的整流器和电容器的使用导致形成直流电，该直流电被用作变换部件的输入。这样，变换部件能够产生具有几乎完美曲率的AC功率。

整流器可以是有源整流器。通过使用有源整流器可以在工作期间和UPS处于工作状态下控制对UPS的输入功率。

UPS可以连接到控制单元，该控制单元包括用于检测电网的电压暂降的部件。从而实现了在UPS位于通向风力涡轮机控制单元的电力线路中的情况下，可以从控制单元控制UPS。

UPS包括至少一个用于旁路功能的旁路开关。从而实现了在某些工作状态下，DC线路中的线圈可以被短路以减小该线圈中的功率损耗。

UPS可以是多相系统。根据对UPS的输入，它可以象多相系统中那样在单相系统中操作。唯一的区别似乎是在输入处整流器的数量。在单相系统中，可能必须使用四个整流器。在使用更多个相的系统中，可以每一相只具有两个整流器来操作它们。

权利要求11的前序部分中所述的方法最好被修改成UPS包括用于控制直流链路上的电压电平的升压装置，该升压装置使用电网作为能量源。

从而可以实现：UPS能够在电网发生故障之后的短时间内工作。事实上，只要电网中存在残余功率，UPS就能工作。只要可以实现电压降，升压装置就可以工作，但是在电压相对低的情况下，升压装置所需的电流将相对高。因此，这里所描述的UPS系统优选只在电网发生故障后的几秒钟内工作。大多数电网故障具有低于两秒钟的持续时间，这意味着UPS系统预防了由所有短暂的电力故障导致的损坏。在电力故障具有较长持续时间的情况下，UPS能够在足够使关键功能关闭的数秒钟的时间内保持负载正常工作。在功率完全衰减之前使旋转的硬盘进入到停车状态的情况下还可以将数据存储在计算机系统中。上述UPS是非常小的单元，其只包括很少量的电子组件。所述UPS独立于通常作为UPS系统的一部分的电池存储运行。

本发明提供一种连接到电网的发电站用的不间断电源装置，其包括整流器、升压变换器、直流链路以及逆变器，其在电网故障期间使用公用电网作为能量源并将所述整流器和逆变器设计为与通过预定的倍乘因子增加到电网的额定电流水平的电流水平相匹配。所述倍乘因子依赖于根据电网要求的预期电压降。

本发明可包括像矩阵变换器那样的没有直流链路的直流变换器。

通过以下结合附图对本发明的说明性而非限制性的实施例的详细描述将可以理解本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1是具有UPS装置的风力涡轮机的示意图。

图2a和2b分别是正常工作时和UPS工作时的已知风力涡轮机单相UPS装置的示意图。

图3a和3b分别是正常工作时和UPS工作时根据本发明的风力涡轮机单相UPS装置的示意图。

图4示出根据本发明的单相UPS装置的主要组件。

图5示出在电网故障期间在涡轮机连接处的电压和电流之间的关系。

具体实施方式

图1示出风力涡轮机中的布线和功能的可能示意图，该风力涡轮机包括转子11、变速箱13以及发电机15。发电机15经由变压器17将电功率提供给公用电网18。风力涡轮机还需要负载19用的电功率并因此包括用于电网故障情况的UPS装置25以及旁路接触器27，负载19包括液压泵20、控制单元21以及其它风力涡轮机用电元件23等。

在图2a和2b中所示的由整流器31、直流链路33、电池组35以及逆变器37组成的已知UPS装置中，在正常工作时(图2a)，从电网18向负载19供电，而在UPS工作时(图2b)，从电池源35向负载19供电。在正常工作时，负载19连接到逆变器37并且经由整流器/充电器31由电网18对电池组35充电。电网和UPS供电之间的切换不会引起对负载19供电的任何中断。在UPS系统发生故障的情况下，可以绕过UPS从电网18直接向负载供电。

图3a和图3b示出根据本发明的UPS装置的可能实施例。该UPS包括整流器31、直流链路33以及逆变器37，在正常工作时(图3a)以及在低电压和高电流的UPS工作时(图3b)从电网18向UPS供电。此外，需要在整流器31的后面将升压变换器32(图4)插入到UPS装置中以确保直流链路33上的电压电平总被充电到正确的电平。

图4示出UPS的可能实施例的细节图。在图3a和图3b的说明中已经一般地提到了所示的整流器31、升压变换器32以及逆变器37。整流器31包括输入线40和42，输入线42连接到半导体开关46的阳极。输入线42还连接到半导体开关44的阴极。输入线40以相同的方式连接到半导体开关48的阳极和半导体开关50的阴极。半导体开关46和48的阴极连接到线54。半导体开关44和50的阳极还连接到线52。线52和54延伸到升压变换器32。线54连接到线圈58。另一线56还连接到半导体开关60和二极管62。半导体开关60具有另一个连接到线52的电流端子。二极管62具有连接到线66的阴极，线66连接到电容器64。电容器64还连接到线52。线66还连接到半导体开关70和74。线52以同样的方式连接到半导体开关68和72。半导体开关74和半导体开关68的公用线连接到输出线76。此外，半导体开关70和半导体开关72的端子相互连接并连接到线78。

在正常工作时，通过线40和42在整流器31中对交流电进行整流。在线54中形成直流电，该直流电经由线圈58流入线56，并进一步流过二极管62，从而产生与逆变器线66的直接直流连接。此外，DC线52直接引向逆变器37。在AC线40、42上电压下降的情况下，线圈58包含存储在其中的磁能并且该磁能用于保持线圈中电流的稳定和连续。在几毫秒的操作中，存储在线圈中的磁能被使用并且流过线圈的电流迅速减小。在此情况下，半导体开关60被接通并且电流开始流过线圈58和半导体60。电流非常迅速地增加并在线圈58中产生新的磁场。在短时间之后，半导体开关60被断开并且电流再次从线圈58经由二极管62流入线66。电容器64具有在半导体开关60导通期间保持线66处的直流电电平几乎恒定的功能。只要在AC线40、42上存在即使非常小的供电，升压变换器42就能工作。如果线40和42之间的电压减小到大约50％以下，则在线54、52、56和66中流动的电流增加。因此，必须将线54和56以及零线52设计为大约正常所需大小的10倍。

图5示出电网电压与时间的关系，其中电网电压在短时间内减小到15-20％。在下图中示出同一时间的电流，其中在电压下降期间电流增加。

UPS不使用电池组作为能量源，它从电网本身获得所需能量。在这方面，应该指出，如2003年8月1日E.On，Bayreuth的″Netzanschlussregeln für Hoch-und

″或者2003年8月VDN的″Transmission code 2003″等电网要求描述了在主公用电网发生故障的情况下在涡轮机的连接点处通常存在预期最小为额定电压的15％的残余电压。

为了使用所述残余电压，必须使UPS系统的电子组件(整流器和逆变器)超过规定规格以匹配更高的电流水平。在这方面，考虑到电网要求中设定的预期电压降，预先确定额定电流水平的倍乘因子。

由于功率与电压成正比(S＝U×I)，因此这意味着如果电压下降到15％，则电流必须以6.67(1/0.15)的倍乘因子增加以确保向辅助系统提供相同的功率。图4示出在电网故障期间在涡轮机连接点处电压和电流之间的示意性关系。因此必须使所述组件以相同的因子超过规定规格。

如果电压降超出电网要求中所规定的要求，则不要求UPS还完成其主要功能(电压下降的过渡)，因此涡轮机将与电网断开。

UPS还被用于功率因数校正(PFC)，这将确保涡轮机的低THD。

根据本发明的UPS将始终在线，因为：

-完全的不间断电源是可能的

-保护附加用电设备不受其它线路干扰

为了确保涡轮机的高有效性，如果UPS系统存在故障，则连接器应该绕过UPS。

在本发明的另一实施例中，整流器是无源整流器并且升压变换器位于整流器前方。

在本发明的另一实施例中，根据本发明的UPS是多相UPS。

技术人员容易理解，本发明可应用于连接到分散型电站、光电等发电站的其它电网。

本发明的一个优点是不需要化学电池，因此：

-温度范围可以更高

-较少维护

-更高的可靠性

-更高的鲁棒性

另外的优点是该UPS始终在线，因此：

-为所连接的辅助设备提供好的过电压保护

-在电网故障时没有转换时间

另外的优点是由于升压变换器的PFC，所以具有低的谐波干扰。

另外的优点是新的UPS可以用于改进旧的涡轮机以满足电网要求并作为所有新风力涡轮机的标准。

尽管已经结合优选实施例充分描述了本发明，但是很明显，修改也包括在本发明的范围内，不是这些实施例而是所附权利要求的内容限定本发明的范围。

Claims

1.连接到包括至少一电力线的电网的不间断电源UPS，该UPS包括包含整流器部件的输入装置和具有逆变器的输出电源，其特征在于：

-逆变器(37)包括升压装置(32)，该升压装置(32)具有至少一输入线，所述输入线经由整流器(31)连接到电网(18)，所述升压装置(32)具有至少一输出线，所述输出线连接到逆变器(37)；

-所述UPS包括直流链路(33)，该直流链路(33)连接到整流器(31)和逆变器(37)；以及

-在电压降等于或小于额定电压的15％期间，所述升压装置使用残余电压从所述连接得到能量。

2.根据权利要求1所述的不间断电源，其特征在于，所述UPS在风力涡轮机(11、13、15、17)运行的同时工作，风力涡轮机电网(18)连接到

-所述UPS的输入作为能量源，所述风力涡轮机(18)在公用电网发生故障的短时间内全部或部分处于工作中，在所述短时间内，所述UPS处于工作中；

-公用电网(18)，该公用电网连接到所述UPS的输入作为能量源，所述公用电网在风力涡轮机电网发生故障的短时间内全部或部分处于工作中，在所述短时间内，所述UPS处于工作中。

3.根据权利要求1或2所述的不间断电源，其特征在于，经由所述UPS连接负载(19)用的电功率。

4.根据权利要求3所述的不间断电源，其特征在于，所述升压装置(32)包括至少一个线圈(58)，该线圈作为直流链路(33)的一部分被串联连接，所述升压装置(32)还包括至少一个半导体开关，处于导通状态的该半导体开关跨过所述线圈(58)形成短路，所述半导体开关包括输入部件，所述输入部件连接到控制部件。

5.根据权利要求4所述的不间断电源，其特征在于，所述线圈(58)还连接到整流器的阳极(46)，所述整流器具有连接到电容器的阴极(44)，所述电容器连接到所述功率变换部件的输入。

6.根据权利要求5所述的不间断电源，其特征在于，所述整流器(31)是有源整流器。

7.根据权利要求6所述的不间断电源，其特征在于，所述UPS连接到控制单元，所述控制单元包括用于检测所述电网的电压暂降的装置。

8.根据权利要求7所述的不间断电源，其特征在于，所述UPS包括至少一个用于旁通功能的旁路开关。

9.根据权利要求8所述的不间断电源，其特征在于，所述UPS是多相系统。

10.用于操作不间断电源UPS的方法，其中所述UPS连接在电网(18)和用电设备(19)之间，所述UPS对来自所述电网的功率进行整流以产生直流电，该直流电被用作逆变器(37)的源，所述逆变器产生用电设备(19)用的功率，其特征在于：所述UPS包括用于控制直流链路(33)上的电压电平的升压装置(32)，当电压降为额定电压的15％时，所述升压装置(32)使用残余电压从所述连接获得能量。