CN105745808B - 用于多层建筑物的混合交流/直流配电系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于多层建筑物的混合交流(AC)/直流(DC)配电系统包括用于将供电侧AC转换为DC的每层整流器。每个整流器被配置为向与多层建筑物的一层相关联的多个DC负载供电。系统进一步包括每层DC总线，DC总线的每个被配置为将DC分配到其相应的层上的DC负载。系统进一步包括用于将AC电力供应到建筑物中的AC负载的至少一个AC总线。

Description

用于多层建筑物的混合交流/直流配电系统及方法

优先权要求

本申请要求于2013年11月20日提交的美国专利申请第 14/085,764号的权益，该申请所公开的内容通过整体引用的方式而被并入于此。

技术领域

本文中描述的主题涉及一种用于多层建筑物的电力分配系统。更加具体地，本文中描述的主体涉及一种用于多层建筑物的混合 AC/DC配电系统。

背景技术

当前，大多数国家的配电网络是单相或三相AC网络。然而，随着由DC供电的基于电力电子器件的负载的增长，期望高效且可靠地将DC电力分配到这种负载。特别地，在商业建筑中，期望高效且可靠地以每层为基础将DC分配到负载。

现有的配电系统利用中央整流器在建筑物入口点将AC整流为 DC和/或在每个电力出口使用整流器。在没有一定保护措施的情况下，服务于整个建筑物的集中式整流器是可能导致至整个建筑物的 DC电力损失的单一故障结点。另一方法在每个电力出口处提供整流器。这种方法过度昂贵，因为对于一个建筑来说它可能需要成百上千个整流器。

鉴于这些困难，需要用于多层建筑物的混合AC/DC配电系统。

发明内容

用于多层建筑物的混合交流(AC)/直流(DC)配电系统包括用于将供电侧AC转换为DC的每层整流器。每个整流器被配置为向与多层建筑物的一层相关联的多个DC负载供电。系统进一步包括每层DC总线，DC总线的每一个被配置为将DC分配到其相应层上的DC负载。系统进一步包括用于将电力供应到建筑物中的AC负载的至少一个AC总线。

本文中描述的主题可以在与硬件和/或固件相结合的软件中实施。例如，本文中描述的主题可以在由处理器执行的软件中实施。在一个示例性实施方式中，本文中描述的主题可以使用在其上存储有计算机可执行指令的计算机可读介质实施，计算机可执行指令在由计算机的处理器执行时控制计算机执行步骤。适于实施本文中描述的主题的示例性计算机可读介质包括非暂态计算机可读介质，诸如磁盘存储装置、芯片存储装置、可编程逻辑器件和专用集成电路。另外，实施本文中描述的主题的计算机可读介质可以被设置在单个装置或计算平台上或者可以跨多个装置或计算平台而分布。

附图说明

现在将参照附图说明本文中描述的主题，其中；

图1是根据本文中描述的主题的实施例用于多层建筑物的混合 AC/DC配电系统的示意图；

图2是根据本文中描述的主题的另一实施例的用于多层建筑物的混合AC/DC配电系统的示意图；

图3是图示出根据本文中描述的主题的实施例的用于多层建筑物的混合AC/DC配电系统的DC不间断电源的示意图；

图4是图示出根据本文中描述的主题的实施例的用于多层建筑物的混合AC/DC配电方法的示例性步骤的流程图。

具体实施方式

本文中描述的主题包括用于多层建筑物的混合AC/DC配电系统。图1是图示出用于将DC供应到建筑物中的多层的集中式方式的示意图。在图1中，公共设施将三相AC电供应到建筑物。集中式整流器100将AC转换为DC并且经由DC总线102将DC供应到建筑物中的每层。DC不间断电源(UPS)104耦合到DC总线以保持DC总线上的预定电压电平。DC负载108耦合到建筑物中的每一层的DC总线。每一层可以使用单个总线向多个DC负载供电，其比在每一层上的每个出口处将AC转换为DC相对简单。

尽管图示出的示例的DC UPS104是集中式的，但是在可选实施中，DC UPS可以设置在每一层上以在电力中断的情况下保持每层上的DC总线电压。因此，具有每层DC UPS的集中式AC/DC整流旨在本文中描述的主题的范围内。

每层还可以包括用于将DC总线上的直流转换为用于每层上向 AC负载112供电的交流的逆变器110。AC总线113可以源自每一逆变器112以将AC分配到每一层上的AC负载。

在可选的实施例中，逆变器110可以是集中式的，并且分开的 AC和DC总线可以,行进到每层。在图1中图示出的实施例中，遍及建筑物的DC分配网络比传统的AC网络具有更小的损失，因为DC 分配网络可以使用比当前110V或220V AC系统更高的DC电压电平。例如，图1中图示出的系统可以被用于分配1千伏特的低电压 DC。然而，本文中描述的主题不限于将1kV的DC电压供应到每层。将任一DC电压供应到多层建筑物中的每层旨在本文中描述的主题的范围内。

DC配电系统中的损耗也比AC配电系统中的损耗小，因为相比于AC配电系统中出现的电感损耗，DC配电系统中仅存在电阻损耗。此外，中央整流器具有更高的所需的功率额定值并且可以实现比 110V或220V AC系统更高的能量效率。中央整流器具有更高的效率，因为其功率高于基于电力电子器件的负载中的整流器的功率。图1中图示出的配电网络适用于具有基于电力电子器件负载的新建筑物。然而，基于中央整流器的配电系统的可靠性取决于将DC供应到整个建筑物的中央整流器的可靠性。UPS增加了图1中图示出的系统的可靠性。

图2图示出了在每层处具有将AC整流为DC的每层整流器100 的本文中描述的主题的可选实施例。每层具有自身的DC总线102，其在每层上向多个DC负载108供电。每层还包括自身的UPS 104，其在AC电力中断的情况下保持每层上的DC电压。每层还包括将 DC总线上的DC转换为向每层上的AC负载供电的AC的每层逆变器110。

在图2中示出的实施例中，整流器可以指分布式整流器。分布式整流器在楼层处将AC转换为DC。在楼层处从主面板到每个分配面板的电力分配是AC。系统的可靠性比图1的具有中央整流器的 DC配电系统高，因为每层通过分开的整流器供电。每层上的逆变器允许已有的AC负载被供电。当一个楼层的DC总线发生故障时，从其他楼层流动的能量由那个楼层的整流器控制并且不能馈送回故障楼层，使整个系统更容易受到保护。诸如AC断路器的保护装置可以设置在每层上。该保护装置比具有必须承受更高DC总线电压并切断更高的峰值故障电流的DC保护装置便宜。图2图示出的系统的一个缺点是主服务面板和每层的分配面板之间的线缆损耗比单纯的DC配电系统的更高，因为在线缆上发生电感损失。

应注意在图1和图2中，表示到每层的DC分配的单个线路可以包括形成微型DC网络的若干馈送器。因此，每层可以包括DC总线， DC总线在不脱离本文中描述的主题的范围的前提下包括多个导体。

还应该注意的是图2中，逆变器110被用于将DC转换为向建筑物内的AC负载供电的AC。在可选实施中，逆变器110可以被省略，并且AC负载可以使用至外部AC电源的连接而被供电，诸如至AC 电网的建筑物已有连接和建筑物内的已有AC布线。

如上所述，因为一些负载可能是关键的，所以期望在每层上保持DC电压电平的UPS。图3是将备用电源提供到用于图1和2中图示出的系统的DC馈送器的低成本USP方案的示例。参照图3， UPS 104包括不直接连接到DC总线102的电池116，其降低充电损失。相反，电池116通过一对硅可控整流器(SCR)装置SCR1和 SCR2以及开关118连接到DC总线102。控制器120在电池116与 DC总线102的连接中控制电池116的充电。控制器120可以是UPS 104的组件、整流器100的组件和/或控制UPS 104、整流器100和逆变器110的集中式控制器。

在图示出的示例中，控制器120测量整流器100(VDC)的输出电压，电池电压(V_batt)和电池电流(I_batt)确定适当的参考电压UCD_ref和供应到SCR1和SCR2的充电/放电信号。将SCR1和 SCR2连接到DC总线的开关118用于隔离目的。在整流器100内不需要断路器，因为DC馈送器保护断路器122可以保护UPS 104免于DC馈送器故障。

DC馈送器负载由于其即插即用的性质可以被考虑为是可变的聚合负载(aggregated load)。电池116可以具有便携式设计以使得电池116能够被快速替换。这在整流器输出和断路器112之间尤其少见但是可能发生的DC总线故障的情况下尤其有用。如果这种故障发生在电池116正在通过SCR2放电时，那么故障电流不能消除直到电池116中的能量耗尽，这可能损害电池116。UPS 104可以包括被配置为当电池116被替换时连接到电池116的端子并且从电池 116的端子断开的电池连接器123。因此，提供能够被替换的便携式电池是可以期望。

下文描述控制器120的操作。首先，控制器120工作在预充电状态下以对电池116预充电。在预充电状态中，由于来自整流器100 的电池充电电流仅由VDC和V_batt之间的电压差确定，以限制最大充电电流，因此电池116应当在闭合断路器122之前被预充电到另一电压电平。电压电平应当是DC负载可以接受的最小DC馈送器电压VDC_min。这将需要整流器100的宽输出电压范围，其能够使用基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)或SCR的整流器实现。这还可能需要断路器122控制和V_batt测量之间的互锁机制-在V_batt大于 VDC_min时，断路器122闭合可以被启用。实际上，这可以实施为通过控制器120的断路器122的自动控制。

当负载较轻时，控制器120可以进入充电状态。负载的轻度可以通过各种方法测量，诸如测量VDC中的纹波。充电电流可通过将适当的VDC_ref提供给V_batt而被控制，以使得SCR1和整流器100 均将不超负载。在恒定电压充电时，充电电流由DC总线电压(VDC) 和V_batt之间的电压差确定。如果VDC和V_batt之间的差过大，则较高充电电流可能超过SCR和整流器的容量，尤其是整流器在电池的充电期间正在向负载供电。整流器基于VDC_ref的值控制VDC，所以充电电流由VDC_ref的不同的值限定。

当V_batt被充电到期望的电压电平时，VDC_ref可以被暂时降低，所以通过SCR1的充电电流可以被终止。

当AC电力丢失时，控制器120可以进入紧急状态。控制器120 在DC总线102上的VDC降低到低于预定电平时将检测到AC电力的丢失。当这发生时，控制器120可以接通SCR2以向负载供电并且同时给出为零的VDC_ref信号，指示UPS操作的模式。在该紧急操作期间，VDC不被控制。当AC电力被修复并且整流器100使用最大VDC参照值重置VDC_ref时，电池116的放电将终止。控制器 120将感测恢复的VDC，并且电池116通过SCR2的放电将自动终止。如果AC电力没有被恢复且电池116耗尽以使得VDC降低到 VDC_min，则控制器120可以断开断路器122并且SCR2将自动关闭。

在AC电力从紧急状态恢复之后，控制器120进入恢复状态。在恢复状态，如果V_batt低于某一阈值电压，则整流器将工作在其最大电力容量，以向负载供电并且将电池充电到VDC_min。

在正常负载状态下，控制器120可以控制UPS 140在电池空闲状态下操作。在电池空闲状态下，SCR1和SCR2将均不执行使电池 116与DC总线隔离。控制器120将输出为零的VDC_ref信号，使得整流器100可以使用最大VDC参考值重置信号并且电池系统损失仅为控制器的辅助电力。如果控制器120被用于控制整流器100和UPS 104，则整流器/UPS系统损失可以被最小化。

在较重负载状态下，控制器120可以以补充放电模式操作。如各种方法所测量的，当负载变得较重时，并且如果V_batt足够高，则控制器120可以通过将适当的VDC_ref给到整流器100而接通 SCR2，所以来自电池116的可控放电电流可以帮助减小VDC中的纹波。

图4是示出根据本文中描述的主题的实施例用于多层建筑物的示例性AC/DC配电方法的流程图。图4中示出的步骤可通过上面描述的组件和/或备选组件执行。

参照图4，在步骤400中，方法包括将供电侧AC整流为DC。整流可以通过如图1中所图示的集中式整流器或如图2所示的每层整流器执行。整流可以通过控制器控制，诸如整流器100内部或外部的控制器120。

在步骤402中，方法包括使用至少一个DC总线将DC分配到多层建筑物中的多层上的多个DC负载。分配可以通过源自中央整流器的单个DC总线或源自每层整流器的多个每层DC总线来实现。整流可以通过控制器控制，诸如整流器100内部或外部的控制器120。

在步骤404中，方法包括向建筑物中的AC负载供电。向AC负载供电可以包括将至少一个DC总线上的DC转换为向建筑物中的 AC负载供电的AC。转换可通过逆变器110实现，其可为集中式或分布在多层建筑物中的每层。逆变器110可以通过内部或外部控制器控制，诸如控制器120。在备选实施方式中，向负载供电可以通过至外部AC电源的连接来实现，诸如至AC电网的已有连接和建筑物内的已有的AC布线。

在步骤406中，方法包括在AC电力中断的情况下保持至少一个 DC总线上的预定DC电压。DC总线电压可以在AC电力中断期间通过每层或集中式DC UPS而被保持，诸如在控制器110的控制下的DC UPS 104。

示例性应用

本发明的一个示例性应用为将DC配电系统提供到多层建筑物，其中建筑物可以为商用建筑物、住宅或船舶。由于太阳能(PV)供电和发光二极管(LED)照明在建筑物应用中变得愈发普遍，可以在建筑物内使用DC电力分配，以减少配电系统中的额外的能量转换步骤。然而，在不远的将来存在可能无法连接到DC配电系统的一些负载。因此，混合AC/DC配电(具有分布式整流器)是用于建筑物的可能的配电系统之一。在单纯DC和混合AC/DC配电系统中，整流器是重要的组件以将来自电网的AC电转换为建筑物内的DC 电。

在多层建筑物中存在整流器的若干可能的位置。图1和图2示出了两种整流器位置情景及其优缺点。这些情景包括“中央整流器”和“分布式整流器”。

在“分布式整流器”位置的情况下，提出了针对两用整流器的低成本DC UPS方案。因为整流器被要求调节输出DC电压，所以简单的二极管桥式整流器可能无法使用，必须使用基于IGBT或SCR 的整流器。

全部或部分解决的问题

已经提出了用于不同类型的建筑物/家庭的DC配电系统。传统的系统需要来自电网的AC电力通过整流器转换为DC电力，并且不同的再生能源和能量存储装置连接到DC总线。AC和DC负载两者通过遍布在建筑物/家庭中的DC电力供电。然而，用于将AC和DC 电力分配到本文中示出的多层建筑物中的多个楼层的高效和可靠机制未在传统系统中呈现。

在多层建筑物中，电力被分配到每层。楼层可以具有若干馈送器，并且它们形成微型-DC配电系统。总体上，取决于整流器的布置，DC配电建筑物的可靠性和可控性非常不同。本文中描述的主题包括代替如在其它公开文本中呈现的一个中央整流器的具有每层上的分布式整流器的混合AC/DC配电系统。本文中描述的主题进一步包括低成本DC UPS方案：

●用于UPS的电池的充电和将来自AC的电流整流为待向每

层供应的DC的两用整流器

●可以节约连接DC UPS的DC断路器

●可以使用两个低成本SCR装置来代替DC-DC转换器

●可以潜在地将整流器两用为DC UPS控制器

优势

本文中描述的用于多层建筑物的混合AC/DC配电系统的示例性优势包括：

●高效

●高可靠性

●易于从已有AC建筑物改进

●良好的可控能量流动并且更容易的保护方案

提出的低成本DC UPS的示例性优势包括：

●由于节约断路器和DC-DC转换器而较低成本

●由于在UPS空闲模式中的SCR隔离的电池而高效率

附加特征

本文中描述的主题的可能的附加特征包括：

低成本DC UPS的保护可以通过添加与隔离开关串联的低成本保险丝而实现(图3中示出的开关118)。

低成本DC UPS概念还可应用于“中央整流器”情景和其它DC 网络应用(参见图1中图示出的UPS 104)。

将理解的是在不偏离当前公开的主题的范围的前提下，主题当前公开的各种细节可以被改变。此外，前面的描述仅用于说明的目的而非用于限制的目的。

Claims (26)

1.一种用于多层建筑物的混合交流(AC)/直流(DC)配电系统，所述系统包括：

多个每层整流器，用于在多层建筑物的每个楼层处将供电侧AC转换为DC，每个整流器被配置为向与所述多层建筑物的一层相关联的多个DC负载供电；

多个每层DC总线，所述DC总线中的每一个被配置为在其相应层上将所述DC分配到DC负载；

至少一个AC总线，被配置为将AC供应到所述建筑物上的AC负载；以及

至少一个DC不间断电源(UPS)，所述DC UPS被耦合到所述每层DC总线，用于在AC电力中断的情况下保持所述每层DC总线中的每一个上的预定DC电压，其中所述至少一个DC UPS包括多个每层DC UPS，每个每层DC UPS被配置为在AC电力中断的情况下保持其相应层上的预定DC电压，其中每个每层DC UPS包括具有至DC总线的受控连接的电池，以向在其相应层上的DC负载供电，并且其中所述受控连接包括彼此并联连接的一对硅可控整流器(SCR)装置、在所述电池和所述DC总线之间与所述SCR装置串联连接的开关、以及用于控制所述SCR装置和所述开关的操作以控制所述电池至所述DC总线的连接并且控制所述电池的充电的控制器。

2.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，包括集中式逆变器，所述集中式逆变器被配置为将DC转换为用于所述建筑物的AC并且经由所述至少一个AC总线向所述建筑物内的AC负载供电。

3.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，包括多个每层逆变器，每个每层逆变器被配置为在其相应层上将所述DC转换为AC并且经由所述至少一个AC总线在其相应层上向多个AC负载供电。

4.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，其中，所述至少一个AC总线被配置为连接到外部AC电源。

5.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，其中，所述控制器控制所述SCR装置和所述开关在将所述UPS连接到所述DC总线之前对所述电池预充电到DC负载可接受的最小电池电压电平并限制最大充电电流。

6.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，其中，所述控制器控制所述SCR装置和所述开关以允许当DC负载的指示低于阈值时从所述每层整流器对所述电池充电。

7.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，其中，所述控制器被配置为控制所述SCR装置和所述开关以将所述电池连接到所述DC总线以在AC电力中断的情况下从所述电池将DC供应到所述DC总线。

8.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，其中，所述控制器被配置为控制所述SCR装置和所述开关在AC电力从中断恢复之后以恢复模式操作，来控制所述每层整流器向所述DC负载供电并将所述电池充电到最小DC电压。

9.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，其中所述控制器被配置为控制所述SCR装置和所述开关在所述SCR装置非导电并且所述电池由此与所述DC总线隔离的正常负载状态期间以电池空闲模式操作。

10.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，其中所述控制器被配置为控制所述SCR装置和所述开关以在重负载状态期间将所述电池连接到所述DC总线来降低所述DC总线上的DC电压纹波。

11.根据权利要求1所述的混合AC/DC配电系统，其中所述每层整流器包括用于所述多层建筑物中的每一层的一个整流器。

12.一种用于多层建筑物的混合交流(AC)/直流(DC)配电方法，所述方法包括：

使用多个每层整流器在多层建筑物的每个楼层处将供电侧AC整流为DC，所述每层整流器被配置为在所述多层建筑物的其相应层上将所述供电侧AC转换为DC，并在其相应层上向多个DC负载供电；

使用多个每层DC总线将所述DC分配到DC负载；

将AC电力供应到所述建筑物中的AC负载；以及

在AC电力中断的情况下保持所述每层DC总线上的预定DC电压电平，其中保持每层DC总线上的预定DC电压电平包括提供多个每层UPS，每个每层UPS被配置为在AC电力中断的情况下保持其相应层上的预定DC电压，其中每个每层UPS包括具有在充电和放电期间在其相应层上至所述DC总线的受控连接的电池，并且其中保持所述每层DC总线上的预定DC电压电平包括提供彼此并联连接的一对硅可控整流器(SCR)装置、在所述电池和每个每层DC总线之间与所述SCR装置串联连接的开关、以及用于控制所述SCR装置和所述开关的操作以控制所述电池至所述DC总线的连接并且控制所述电池的充电的控制器。

13.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，其中，将AC电力供应到AC负载包括使用将DC转换为AC的集中式逆变器将所述DC转换为AC并且其中所述AC总线将AC供应到所述建筑物中的多层。

14.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，其中，将AC电力供应到AC负载包括利用多个每层逆变器将所述DC转换为AC，每个每层逆变器在其相应层上将所述DC整流为AC并且在其相应层上向多个AC负载供电。

15.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电系统，其中将AC电力供应到AC负载包括将所述AC负载连接到外部AC电源。

16.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，其中保持每层DC总线上的预定DC电压电平包括控制所述SCR装置和所述开关在将所述UPS与所述DC总线连接之前对所述电池预充电至所述DC负载可接受的最小电池电压电平并且限制最大充电电流。

17.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，其中保持每层DC总线上的预定DC电压电平包括控制所述SCR装置和所述开关在DC负载的指示低于阈值时允许从所述至少一个整流器对所述电池充电。

18.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，其中保持每层DC总线上的预定DC电压包括控制所述SCR装置和所述开关以在AC电力中断的情况下将所述电池连接到所述DC总线以从所述电池向所述DC总线供应DC。

19.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，其中保持每层DC总线上的预定DC电压电平包括在AC电力从中断恢复后以恢复模式控制所述SCR装置和所述开关操作，以控制所述至少一个整流器以其向所述DC负载供电的最大电力容量操作并且将所述电池充电至最小DC电压。

20.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，其中保持每层DC总线上的预定DC电压电平包括控制所述SCR装置和所述开关以在所述SCR装置非导电并且所述电池由此与所述DC总线隔离的正常负载状态期间以电池空闲模式操作。

21.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，其中保持每层DC总线上的预定DC电压电平包括控制所述SCR装置和所述开关在重负载状态期间将所述电池连接到所述DC总线以降低所述DC总线上的DC电压纹波。

22.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，被实施为存储在非暂时性计算机可读存储介质上的多个机器可读指令并且被配置为通过至少一个计算机处理器执行以执行所述方法。

23.根据权利要求12所述的混合AC/DC配电方法，其中所述每层整流器包括用于所述多层建筑物中的每一层的一个整流器。

24.一种直流(DC)不间断电源(UPS)，包括：

电池连接器，用于连接到电池；

一对硅可控整流器SCR设备，彼此并联连接；

隔离开关，在所述电池连接器与DC总线之间与所述一对SCR设备串联连接，所述DC总线为至少一个DC负载供电；

控制器，被配置为操作所述一对SCR设备和所述隔离开关，以响应于至所述DC总线的电力的中断而将所述电池连接到所述DC总线、响应于至所述DC总线的电力的恢复而将所述电池与所述DC总线断开、以及为所述电池充电。

25.根据权利要求24所述的DC UPS，其中所述DC总线包括源自将DC电力供应到整个建筑物的中央整流器的总线。

26.根据权利要求24所述的DC UPS，其中所述DC总线包括源自多个每层整流器的每层整流器的总线，所述每层整流器中的每一个将DC电力供应到建筑物内的单独一层。

Images