CN107819357B - 带有故障位置检测的隔离并联ups系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种不间断电源(UPS)系统(300)。所述UPS系统包括多个UPS(302,304,306)、将UPS电联接在一起的环形母线(314)、联接在UPS中的相关联的UPS和环形母线之间的静态开关(340,342,344)、以及控制器(200)。控制器接收代表与相关联的UPS相关联的逆变器电流和负载电流的电流数据。相关联的UPS的输出电容器(606)联接到传导逆变器电流和负载电流的节点。控制器还:基于接收的电流数据计算测量电流;确定所述输出电容器的电压;基于所述输出电容器的确定的电压和预定电容生成导出电流;比较测量电流和导出电流以识别故障位置;并且基于识别的故障位置来控制所述静态开关。
Description
技术领域
本发明的领域一般涉及不间断电源(UPS),并且更具体地涉及包括扼流圈旁路开关的用于互连的UPS系统的隔离并联环形母线。
发明背景
稳健的功率系统允许将功率供应至一个或多个负载。这样的功率系统可包括功率的生成、输送、整流、逆变和变换的组合,以便为电子、光学、机械和/或核应用和负载供应能量。当实现功率系统和架构时,现实考量包括成本、尺寸、可靠性和实现的容易性。
在至少一些已知的功率系统中,一个或多个不间断电源(UPS)有利于将功率供应至负载。UPS有利于确保功率被连续地供应至一个或多个关键负载,甚至当功率系统的一个或多个部件失效时。因此,UPS提供冗余的功率源。UPS可以用于多种应用中(例如,公用工程变电站、工业装置、船舶系统、高安全系统、医院、数据通信和电信中心、半导体制造基地、核电站等)。此外,UPS可以用于高功率、中等功率或低功率应用中。例如,UPS可以在相对小的功率系统(例如,娱乐或消费系统)或微型系统(例如,基于芯片的系统)中使用。
然而,如果UPS失效或发生故障,负载可能不会接收用于操作的足够高质量的功率。在至少一些已知的系统中,多个UPS联接到负载以提供额外的功率冗余。如果一个UPS失效,则另一个UPS向负载提供功率。在这些已知的系统中,由UPS失效导致的瞬变可降低供应至负载的功率质量。例如,在带有联接在UPS和负载之间的功率分配单元(PDU)隔离变压器的系统中,将故障从失效的UPS隔离可以使PDU隔离变压器饱和,这会影响供应至负载的功率质量。
发明内容
在一个方面,提供了一种不间断电源(UPS)系统。该UPS系统包括多个UPS、将UPS电联接在一起的环形母线(ring)、联接在UPS中的相关联的UPS和环形母线之间的静态开关、以及控制器。控制器接收代表与相关联的UPS相关联的逆变器电流和负载电流的电流数据。相关联的UPS的输出电容器联接到传导逆变器电流和负载电流的节点。控制器还:基于接收的电流数据计算测量电流;确定所述输出电容器的电压;基于所述输出电容器的确定的电压和预定电容生成导出电流;比较测量电流和导出电流以识别故障位置;并且基于识别的故障位置来控制所述静态开关。
在另一方面,提供了一种用于识别UPS系统中的故障位置的控制器,该UPS系统包括多个UPS和将所述多个UPS电联接在一起的环形母线。控制器可通信地联接到静态开关,静态开关联接在UPS中的相关联的UPS和环形母线之间。控制器接收代表与相关联的UPS相关联的逆变器电流和负载电流的电流数据。相关联的UPS的输出电容器联接到传导逆变器电流和负载电流的节点。控制器还:基于接收的电流数据计算测量电流;确定输出电容器的电压;基于输出电容器的确定的电压和预定电容生成导出电流;比较测量电流和导出电流以识别故障位置;并且基于识别的故障位置来控制静态开关。
在又一方面,提供了一种用于识别UPS系统内的故障位置的方法,该UPS系统包括多个UPS和将UPS电联接在一起的环形母线。该方法至少部分地由UPS系统的控制器执行。该方法包括接收代表与UPS中的第一UPS相关联的逆变器电流和负载电流的电流数据。第一UPS的输出电容器联接到传导逆变器电流和负载电流的节点。该方法还包括:基于接收的电流数据计算测量电流;确定输出电容器的电压;基于输出电容器的确定的电压和预定电容生成导出电流;比较测量电流和导出电流以识别故障位置;以及基于识别的故障位置来控制与第一UPS相关联的静态开关。
附图说明
图1是不间断电源(UPS)的隔离并联环形母线系统的示例性示意图,该UPS用于将功率冗余提供至负载。
图2是与控制器连通的图1所示系统的示例性示意图。
图3是带有静态开关的隔离并联环形母线系统的示例性示意图,该系统类似于图1所示系统。
图4是在UPS故障状态期间的图3所示系统的示例性示意图。
图5是对于单个功率相位来说图4所示在UPS故障状态期间的系统的示例性示意图。
图6是可以由图3所示系统使用的故障检测的第一示例性情景的简化图。
图7是可以由图3所示系统使用的故障检测的第二示例性情景的简化图。
图8是可以由图3所示系统使用的故障检测的第三示例性情景的简化图。
图9是可以由图3所示系统使用的故障检测的第四示例性情景的简化图。
图10是用于识别故障位置的示例性方法的流程图,该方法可以用于图3所示系统。
具体实施方式
本说明书描述了不间断电源(UPS)系统的示例性实施例。多个UPS布置成环形母线配置,并且被配置成将功率供应至至少一个负载。UPS通过相应的扼流圈各自联接到环形母线以将UPS彼此隔离。至少一个静态开关模块联接在相关联的UPS和环形母线之间,以便当该UPS中发生故障状态时来自其它UPS的功率能够绕过旁路的扼流圈。控制器可通信地联接到UPS以监测并以其它方式控制UPS。
图1是用于将冗余功率提供至负载的示例性UPS系统100的示意图。在示例性实施例中,系统100包括第一UPS 102、第二UPS 104、第三UPS 106、第四UPS 108、第一开关柜110、第二开关柜112、第三开关柜114、第四开关柜116和环形母线118。在其它实施例中,系统100包括附加的、更少的或备选的部件,包括本说明书中别处所述那些。
在示例性实施例中,第一UPS 102联接到第一开关柜110。类似地,第二UPS 104联接到第二开关柜112,第三UPS 106联接到第三开关柜114,并且第四UPS 108联接到第四开关柜116。每个UPS 102、104、106、108被配置成生成功率输出。在示例性实施例中,UPS 102、104、106、108额定生成1000千瓦(kW)的功率。在一些实施例中,UPS 102、104、106、108被配置成存储功率并变换存储的功率以进行传输。在一个实施例中,系统100还包括联接到UPS102、104、106、108的熔断器(图1中未示出),其被配置成当故障状态发生时将UPS 102、104、106、108从系统100电气断开。
开关柜110、112、114、116被配置成接收来自相应的UPS 102、104、106、108的功率输出并将该输出传输至环形母线118或负载120、122、124、126。在示例性实施例中,每个负载通过单独的电连接联接到一对开关柜(即,“双线配置”)以将附加的冗余提供至每个负载。例如,负载120联接在开关柜110和112之间以接收来自第一UPS 102和第二UPS 104的功率。在负载120处接收自第三UPS 106和第四UPS 108的功率通过环形母线118传输至开关柜110、112。在至少一些实施例中,功率分配单元(PDU)变压器联接在负载120、122、124、126和系统100之间。
在示例性实施例中,开关柜110、112、114、116包括多个电气开关128,其被配置成响应于控制信号(例如,来自控制器(图1中未示出))而选择性地断开和闭合。开关128可以是例如断路器。开关128被定位在开关柜110、112、114、116内的各个节点处,以有利于定位并隔离系统100内的故障。开关柜110、112、114、116还分别包括扼流圈130、132、134、136。扼流圈130、132、134、136联接在UPS 102、104、106、108和环形母线118之间。扼流圈130、132、134、136通过频率下降来促进在系统100内的负载共享,并且在环形母线118处发生故障的情况下限制故障电流。
环形母线118被配置成将每个UPS 102、104、106、108联接在一起,使得UPS被配置成在UPS处发生故障状态的情况下限制故障电流并提供附加的功率冗余。环形母线118包括多个环形母线开关138。在示例性实施例中,环形母线118分成数据厅(data hall)140。每个数据大厅140与一对UPS和一对双线负载相关联。例如,一个数据大厅140与UPS 102、104和负载120、122相关联。在示例性实施例中,环形母线118包括两个数据厅140。在其它实施例中,环形母线118包括不同数量的数据厅140。在一个实施例中,每个数据厅140容纳在开关柜机罩中。
在故障UPS从系统100断开之后的瞬态时期内,来自环形母线118的功率传送通过相关联的扼流圈。相关联的扼流圈通过阻挡由环形母线314提供的一部分功率来形成电压降,这导致在联接到故障UPS的PDU变压器和负载处的功率质量降低。相关联的电压畸变也可以导致PDU变压器的磁芯饱和,从而进一步降低在负载处的功率质量。另外,扼流圈可以防止足够的电流传送至故障UPS的熔断器。在来自环形母线114的故障电流有限的情况下,熔断器保持完好,并且故障UPS保持连接到系统100,这可以导致在负载处的功率质量的降低。
图2是系统100(图1中示出)的局部示意图。更具体而言,图2是第一UPS 102、第一开关柜110、部分环形母线118和控制器200的示意图。
在示例性实施例中,控制器200可通信地联接到UPS 102。控制器200也可通信地联接到系统100内的UPS 104、106、108(均在图1中示出)。在其它实施例中,可以使用多个控制器。在一些实施例中,控制器200联接到替代控制器(未示出),替代控制器可以在控制器200失效的情况下使用。
在示例性实施例中,控制器200由处理器202实现,处理器202可通信地联接到存储设备204以用于执行指令。在一些实施例中,可执行指令存储在存储设备204中。备选地,控制器200可以使用任何电路实现,该电路允许控制器200控制UPS 102的操作,如本说明书中所述。例如,在一些实施例中,控制器200可包括状态机,该状态机学习或被预编程以确定与哪个负载需要功率相关的信息。例如,控制器200动态地确定将需要什么功率资源以及这些功率资源将在什么性能水平和环境条件(例如,温度、湿度、当日时间等)下操作。控制器200可以执行动态监测以确定给定的负载是否被输送的功率满足,以及输送的功率是否不含谐波、瞬变等。在一些实施例中,动态监测包括跟踪资源使用以确定应输送的多少电流或电压。控制器200也可以监测和/或控制快速性(即,带宽)和逆变器能力(例如,过载、无功功率、有功功率),以有利于确保系统100的可靠性并最小化UPS 102的性能退化。
控制器200也可包括状态机调度器,其被配置成选择性地激活和解除激活功率资源、设定电压和电流水平和/或采取节能动作(例如,减少电流输送)。控制器200也可以跟踪系统100的特性(例如,功率的静态分配),以确定系统100的一个或多个部件是否应处于待命状态或者是否应将功率转移。
在示例性实施例中,控制器200通过对处理器202编程来执行本说明书所述的一个或多个操作。例如,通过将操作编码为一个或多个可执行指令并且通过在存储设备204中提供可执行指令,可以对处理器202编程。处理器202可包括一个或多个处理单元(例如,在多核配置中)。此外,处理器202可以使用一个或多个异构处理器系统实现,在该系统中,主处理器与副处理器共存于单个芯片上。作为另一个说明性示例,处理器202可以是包含多个相同类型处理器的对称多处理器系统。此外,处理器202可以使用任何合适的可编程电路实现,包括一个或多个系统和微控制器、微处理器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)、以及能够执行本说明书所述功能的任何其它电路。在示例性实施例中,处理器202使控制器200操作UPS 102,如本说明书所述。
控制器200被配置成传输并从UPS 102接收数据。例如,控制器200被配置成将指示环形母线118被连接的数据传输至UPS 102。在另一示例中,控制器200从UPS 102接收指示故障状态已发生或需要维护的数据。控制器200也被配置成将控制信号传输至系统100。例如,控制器200被配置成调整由UPS 102生成的功率输出的大小、频率和/或相位。在一个实施例中,控制器200监测每个UPS并调整每个连接的UPS的操作以使UPS的功率输出同步。通过使功率输出同步可以降低功率输出不匹配导致的功率损失。在有多个控制器的实施例中,控制器连通以协调每个UPS的操作。
在另一个实施例中,UPS 102可以基于其自己的测量结果直接控制所生成的输出功率的大小和频率。在一个实施例中,UPS 102可以采用基于输出有功功率的频率下降控制和基于输出无功功率的电压幅值下降。串联扼流圈120有利于在UPS模块之间负载共享,并且所采用的下将技术有利于连接到环形母线118的所有UPS的同步操作。
控制器200还被配置成监测开关柜110内的电路以检测系统100的故障状态和其它异常状态。在一个实施例中,控制器200可通信地联接到开关柜110内的接触器206。在一些实施例中,接触器206用继电器代替。当由接触器206监测到的电流或电压差值超出预定阈值时,控制器200被配置成选择性地断开或闭合一个或多个开关128、开关138和/或接触器206,以将UPS 102从系统100电气断开并保护负载。
图3是示例性UPS系统300的示意图。系统300基本上类似于系统100(图1中示出),并且在不存在相反表示的情况下包括类似的部件。在示例性实施例中,系统300包括第一UPS 302、第二UPS 304、第三UPS 306、第一开关柜308、第二开关柜310、第三开关柜312和环形母线314。在其它实施例中,系统300包括附加的、更少的或备选的部件,包括本说明书中别处所述那些。例如,系统300可包括第四UPS(图3中未示出)。系统300还包括可通信地联接到UPS 302、304、306的控制器200(图2中示出)。
每个UPS 302、304、306包括功率存储设备303,例如,电池或电容器、交流(AC)到直流(DC)变流器305和DC到AC逆变器307。在其它实施例中,UPS 302、304、306具有不同配置。功率存储设备303被配置成存储电能并将存储的能量提供至负载。在示例性实施例中,功率存储设备303联接在变流器305和逆变器307之间。AC到DC变流器305联接到外部功率源(未示出),例如公用电网,并且被配置成将接收自外部功率源的AC功率变换为DC功率以用于功率存储设备303。逆变器307被配置成接收来自功率存储设备303和AC到DC变流器305的DC功率并且将功率变换为AC功率输出以用于系统300。在示例性实施例中,控制器200被配置成控制变流器305和/或逆变器307的操作(例如,调整切换频率等)以调整系统300的操作和供应至负载的功率。
每个UPS 302、304、306联接到一对PDU变压器和一对负载。在示例性实施例中,UPS302和UPS 304各自联接到第一PDU变压器316、第一负载318、第二PDU变压器320和第二负载322。也就是说,负载318、322以双线配置联接到系统300(即,两个UPS分别连接到每个负载以提供冗余功率)。UPS 306联接到第三PDU变压器324、第三负载326、第四PDU变压器328和第四负载330。在示例性实施例中,负载326、330为单线配置(即,到系统300的单一连接以接收功率)。然而,负载326、330还可以联接到另一个UPS(未示出)。
开关柜308、310、312分别包括扼流圈332、334、336。开关柜308、310、312还包括断路器338,其被配置成通过选择性地断开系统300的一部分来隔离系统300内的故障。在一些实施例中,断路器338由控制器200监测和控制。对于环形母线应用,扼流圈332、334、336尺寸设计成将环形母线314上的栓接故障维持足够的时间,以通过系统300中的特定断路器338的启动来隔离故障。此外,对于其中断路器338未能断开的情况来说,可以内置(built-in)额外的时间以确定并执行备选的故障隔离策略。因此,为了有利于增加相关联的UPS302、304或306的逆变器307能承受环形母线314上的栓接故障的持续时间,扼流圈332、334、336可以尺寸设计成在环形母线314上的短路情况下以线性模式操作逆变器307。
为了在UPS处检测到故障之后的瞬态期内防止在负载处有限的故障电流和降低的功率质量,系统300包括静态开关模块340、342、344。静态开关模块340、342、344分别联接在环形母线318和UPS 302、304、306之间。静态开关模块340、342、344可包括但不限于半导体闸流管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在其它实施例中,静态开关模块340、342、344替换成接触器、静态转换开关和/或其它相对快速的开关设备。在示例性实施例中,每个静态开关模块340、342、344包括一对静态开关。在其它实施例中,可以包括不同数量的静态开关模块和/或每模块的静态开关。虽然图中显示静态开关模块340、342、344在开关柜308、310、312之外,但应当理解,静态开关模块340、342、344可以在开关柜308、310、312或UPS 302、304、306内。
静态开关模块340、342、344被配置成选择性地旁路扼流圈332、334、336。特别地,静态开关模块340、342、344被配置成响应于在相关联的UPS处检测到的故障状态而选择性地旁路扼流圈332、334、336。在系统300的正常操作期间(即,不发生故障状态),静态开关模块340、342、344断开。静态开关模块340、342、344响应于在相关联的UPS处检测到的故障状态而闭合。静态开关模块340、342、344被配置成在故障UPS和环形母线318之间提供低阻抗路径,从而有利于足够的故障电流来断开故障UPS并且利用通过环形母线318提供的功率来维持或改善负载处的功率质量。在示例性实施例中,由环形母线318通过静态开关模块340、342、344提供的故障电流(即,响应于故障状态而输送的电流)被配置成足以熔断与故障UPS相关联的熔断器以将故障UPS从系统300断开。相比断路器338和其它开关设备,使用静态开关能够实现对检测到的故障相对更快的反应时间。在一个示例中,示例性断路器在大约50毫秒(ms)内闭合,而示例性静态开关在大约6-7ms内闭合。
在示例性实施例中,控制器200可通信地联接到静态开关模块340、342、344以选择性地断开和闭合开关340、342、344。控制器200被配置成检测故障状态、确定哪个(如有)UPS与故障状态相关联并且闭合对应的静态开关以有利于故障电流绕过扼流圈。下文中详细地描述示例性检测和控制方法。
在一些实施例中,静态开关模块340、342和344可以在不同的功率系统中使用,该系统包括与扼流圈联接在一起的并联逆变器。也就是说,本说明书所述系统和方法不限于UPS系统或带有环形母线的UPS系统。UPS系统仅仅用于说明目的,而并非意图限制本说明书所述系统和方法。在一个示例中,静态开关模块可以联接到并联于扼流圈的逆变器,使得静态开关模块被配置成选择性地旁路扼流圈。
图4和图5是在UPS处的故障状态期间的诸如系统300(图3中示出)的示例性UPS系统的示例性示意图400、500。特别地,示意图400是三相系统的单线图,示意图500是仅示出其中一相的简化电路,并且环410模拟为单个功率源。在示例性实施例中,示意图400包括故障UPS 402、熔断器404、扼流圈406、静态开关模块408、环形母线410、PDU变压器412和负载414。环形母线410包括带有相应的扼流圈418的三个UPS 416。在示例性实施例中,UPS 416假设为在没有任何故障状态的情况下操作。示意图500包括故障UPS 502、熔断器504、环形母线510、PDU变压器512和负载514。类似于环形母线410,环形母线510包括表示为单个功率源516的多个UPS和扼流圈518。在其它实施例中,示意图400、500中的UPS系统可包括更少的、附加的或备选的部件,包括本说明书中别处所描述的那些。
参考图4和图5,UPS被表示为AC功率源。在故障UPS 402、502处已发生故障状态。也就是说,UPS 402、502生成基本上为零的功率或与在UPS 402、502的正常操作期间所生成的功率不同的功率。例如,功率的功率因数可以降低。在示例性实施例中,熔断器404、504被配置成当熔断器404、504接收到超出预定电流阈值的电流时将UPS 402、502从环形母线410、510和负载414、514电气断开。当故障状态导致由UPS 402、502生成基本上为零的功率时,环形母线410、510被配置成将超出电流阈值的故障电流提供至熔断器404、504。熔断器404、504被故障电流熔融以电气断开故障UPS 402、502。
参考图4,故障电流通过静态开关模块408绕过扼流圈406。静态开关模块408被配置成提供基本上为零的电压降或电流降。相应地,由于故障电流通过静态开关绕过扼流圈,扼流圈和静态开关均未在图5中示出。
PDU变压器412、512被配置成将功率分配至负载414、514。在示例性实施例中,PDU变压器412为△-Y变压器。虽然在图4和图5中示出单个负载,但应当理解,多个负载可以联接到PDU变压器412、512。功率通过静态开关模块408从环形母线410提供至PDU变压器412。类似地,功率从环形母线510提供至PDU变压器512。除了在不存在由扼流圈406引起的电压降的情况下提供功率至PDU变压器412之外,静态开关模块408为故障电流提供朝向故障UPS402的低阻抗路径。参考示意图500,故障电流本来将由功率源516提供。在UPS 502失效时,在其输出端子处的电压崩溃。在扼流圈518上的所得电势差驱动其上的电流相对急剧地升高以馈送UPS 502处的故障。一旦利用故障电流通过熔化熔断器504来电气断开故障,施加到扼流圈518以生成故障电流的磁通接着就被驱动电流下降的反向施加的磁通平衡。当PDU变压器512暴露于所得电压时,施加到扼流圈518的平衡后的磁通余量也在PDU变压器512上产生平衡的磁通。因此,参考示意图400,静态开关模块408被配置成有利于在UPS 402上发生内部故障的情况下维持PDU变压器412上的磁通平衡。
与静态开关模块408不同,当在异步或异相功率源之间转换时,可以在UPS系统中使用的静态转换开关(STS)有可能导致变压器饱和。特别地,在其中STS为包括连接到UPS的输出的一次功率源和由公用事业或环形母线馈电的二次功率源的PDU变压器馈电的示例性实施例中。这两个源有可能表现出相移,并且在这两个功率源之间到PDU变压器的异相转换将驱动变压器饱和,从而降低到一个或多个关键负载的功率质量。转换可以被延迟以避免饱和,但所得功率质量可能不会满足负载的需求。
图6-9是简化图,示出了用于在UPS故障和可能由系统300(图3中示出)使用的负载故障之间进行区分的示例性故障检测方法的故障情景。如上所述,闭合与故障UPS相关联的静态开关模块导致来自环形母线的故障电流绕过扼流圈并熔断故障UPS的熔断器。然而,对于在负载处的故障来说,闭合静态开关模块导致环形母线连接到故障。因此,系统300被配置成确定故障的位置并相应地做出反应。虽然图6-9仅示出四个示例性故障情景,但示例性故障检测方法也可以用来检测在其它附加故障情景中的故障并确定故障的位置。
参考图3和图6-9,控制器200被配置成监测每个UPS 302、304、306处的电气数据以检测并定位故障。在图6-9所示示例性方法中,与逆变器307相关联的电气数据被监测。逆变器307包括生成AC功率输出的两个并联的变流器模块602、输出电感604和输出电容器606。AC功率输出被传输到相关联的开关柜308、310或312以输送至负载和环形母线。在其它实施例中,逆变器307包括不同数量的变流器模块602(包括一个)。多个模块通过由控制器200基于来自变流器模块602中的仅一个的电压和电流读数而生成的相同的脉宽调制(PWM)信号来驱动。
控制器200被配置成收集与一个输出电容器606相关联的测量的电流数据,并且计算与相同的输出电容器606相关联的导出电流。基于测量的电流数据与导出电流之间的比较,控制器200被配置成确定故障位置(如有)并执行合适的响应动作以隔离故障。控制器200断开和闭合系统300内的静态开关模块、断路器、开关等以隔离故障。例如,如果UPS具有故障状态,控制器200被配置成闭合相应的静态开关以有利于从环形母线到熔断器传输足够的故障电流以断开熔断器。在另一示例中,如果负载具有故障状态,控制器200被配置成断开在故障负载和系统300的UPS之间的断路器以将故障线路从系统断开连接。
控制器200被配置成使用一个或多个传感器(未示出)监测逆变器桥接电流IS、负载电流I负载和输出电容器电压VC。传感器可以是任何类型的传感器,其被配置成收集、计算或以其它方式导出电流和/或电压数据。数据被周期性地、连续地和/或响应于信号(例如,传感器警报、用户命令等)而收集。控制器200被配置成将测量电流IC计算为在逆变器桥接电流IS和负载电流I负载之间的差值。控制器200还被配置成使用测量的输出电容器606的输出电容器电压VC和预定电容C来计算导出电流ID(ID=C*dVC/dt)。在一个实施例中,预定电容C是输出电容器606的标称或额定值。控制器200比较测量电流IC和导出电流ID。如果在电流值之间的差值超出预定阈值,则UPS内的失效正阻止电流中的至少一部分到达负载。使用从逆变器307收集的数据允许控制器200区分在UPS处的故障与在负载处的故障,因为在负载处的故障不会导致电流值的差值超出阈值。因此,控制器200被配置成基于故障的位置来控制系统300以隔离故障。
例如,图6是其中测量的输出电容器606已短路的第一情景的示例性图600。逆变器桥接电流IS和负载电流I负载通过故障的输出电容器606被汲取至地线或中性线。测量电流IC比导出电流ID相对更大,使得差值超出预定阈值。因此,控制器200识别故障并确定故障位于UPS处。作为响应,控制器200闭合静态开关以将故障从系统300隔离。类似于图6,图7是其中未测量的输出电容器606已短路的第二情景的示例性图700。在图示实施例中,未测量的输出电容器606是上方输出电容器606。类似于第一情景,测量电流IC比导出电流ID相对更大,因此控制器200检测到故障。
图8是其中测量的变流器602具有失效的第三情景的示例性图800,而图9是其中未测量的变流器602具有失效的第四情景的示例性图900。在第三和第四情景中,在失效的变流器602内的连接电容器(未示出)崩溃至基本上为零的阻抗。在第四情景中,类似于第一和第二情景,在测量电流IC和导出电流ID之间的差值超出预定阈值,并且控制器200确定在UPS处发生故障。然而,在第三情景中,测量电流IC和导出电流ID彼此一致,并且故障的位置仍然不确定。在示例性实施例中,控制器200可通信地联接到逆变器307,并且逆变器307被配置成当连接电容器已崩溃时警示控制器200。例如,在示例性实施例中,逆变器307可以实现为带有相关联的DC侧电容的电压源型变流器(VSC)。在DC侧电容上的故障(即,导致DC侧的阻抗崩溃至基本上为零的故障)导致与DC侧电容相关联的DC电压崩溃,从而能够通过检测DC电压的下降来实现即时的故障检测。驱动DC侧上的短路的变流器故障产生相同的效应,并且触发相同的检测。
图10是用于诸如系统300(在图3中示出)的UPS系统的示例性方法1000的流程图。在示例性实施例中,方法1000至少部分地由控制器(例如,控制器200,在图3中示出)执行。在其它实施例中,方法1000包括附加的、更少的或备选的步骤,包括本说明书中别处所述那些。
在一些实施例中,方法1000被连续地执行。在其它实施例中,方法1000被周期性地执行和/或响应于诸如用户命令或传感器警报信号的控制信号而执行。控制器接收1002代表环形母线配置中的一个或多个UPS的逆变器电流(例如,逆变器桥接电流IS,在图6-9中示出)和负载电流(例如,负载电流I负载,在图6-9中示出)的电流数据。输出电容器联接到在逆变器电流和负载电流之间的节点。控制器基于所接收的电流数据进一步计算1004测量电流。控制器确定1006输出电容器的电压并且基于确定的电压和输出电容器的预定电容(例如,标称电容)生成1008导出电流。
控制器进一步比较1010测量电流和导出电流以识别故障位置并区分UPS故障状态和负载故障状态。虽然被称为“负载故障状态”,但应当理解,负载故障状态是指在UPS外部的任何位置处的故障。在一个实施例中,控制器计算测量电流和导出电流之间的差值并且比较该差值与预定阈值。如果该差值超出阈值,则控制器确定UPS故障状态已发生。如果差值在阈值之内,则控制器可以确定负载故障状态已发生。在一些实施例中,控制器可以从UPS接收指示UPS故障状态已发生的警报信号,而不考虑电流差值与阈值的比较。控制器基于识别的故障位置来控制1012静态开关。例如,如果故障位置在与静态开关相关联的UPS处,则控制器控制1012静态开关以闭合,从而有利于来自环形母线的故障电流绕过与故障UPS相关联的扼流圈。在一些实施例中,当负载故障状态被识别时,控制器控制1012静态开关以保持断开。此外,控制器控制UPS系统的一个或多个断路器或开关以将故障状态的位置从UPS隔离。例如,如果负载具有故障状态,则控制器导致在UPS和负载之间的一个或多个断路器断开。
上述系统和方法被配置成有利于响应于环形母线UPS配置内的UPS故障状态而改善响应时间和提高在负载处的功率质量。上述系统和方法还被配置成有利于改善环形母线UPS配置内的故障的准确性和位置。
上文详细描述了用于不间断电源的系统和方法的示例性实施例。系统和方法不限于本说明书所述具体实施例,相反,系统的部件和/或方法的操作可以独立地且与本说明书所述其它部件和/或操作分开地使用。此外,所描述的部件和/或操作也可以限定在其它系统、方法和/或设备中,或者与它们结合起来使用,而不限于仅用本说明书所述系统来实践。
在本说明书所示和所述的本发明的实施例中的操作的执行或实行次序并非至关重要的,除非另外指明。也就是说,除非另外指明,可以任何次序来执行操作,并且本发明的实施例可包括另外的操作或比本说明书所公开的那些操作更少的操作。例如,可以设想在另一操作之前、与另一操作同时或在另一操作之后执行或实行特定操作都在本发明的各方面的范围内。
虽然本发明的各种实施例的具体特征可能在某些附图中示出而未在其它附图中示出,但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理,附图的任何特征可以结合任何其它附图的任何特征被引用和/或要求保护。
本书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明,并且还使本领域技术人员能实施本发明,包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求所限定,并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件,或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件,则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。
Claims (13)
1.一种不间断电源(UPS)系统(300),包括:
多个UPS(302,304,306);
环形母线(314),其将所述多个UPS电联接在一起;
静态开关(340,342,344),其联接在所述多个UPS中的相关联的UPS和所述环形母线之间;以及
控制器(200),其操作用于:
接收代表与所述相关联的UPS相关联的逆变器电流和负载电流的电流数据,其中,所述相关联的UPS的输出电容器(606)联接到传导所述逆变器电流和所述负载电流的节点;
基于所述接收的电流数据计算测量电流;
确定所述输出电容器的电压;
基于所述输出电容器的所述确定的电压和预定电容生成导出电流;
比较所述测量电流和所述导出电流以识别故障位置;以及
基于所述识别的故障位置来控制所述静态开关。
2.根据权利要求1所述的UPS系统(300),其中,所述控制器(200)还操作用于将所述测量电流计算为在所述逆变器电流和所述负载电流之间的差值。
3.根据权利要求1所述的UPS系统(300),其中,所述控制器(200)还操作用于:
计算在所述测量电流和所述导出电流之间的差值;
比较所述差值与预定阈值;以及
当所述差值超出所述预定阈值时,确定所述故障位置在所述相关联的UPS(302,304,306)处。
4.根据权利要求1所述的UPS系统(300),还包括断路器(338),其中,所述控制器还操作用于:
计算在所述测量电流和所述导出电流之间的差值;
比较所述差值与预定阈值;以及
当所述差值在所述预定阈值内时,确定所述故障位置在所述相关联的UPS(302,304,306)之外的位置处;以及
控制所述断路器以隔离所述确定的故障位置。
5.根据权利要求1所述的UPS系统(300),其中,所述相关联的UPS(302,304,306)包括多个变流器(602),所述逆变器电流由所述多个变流器中的第一变流器生成,且所述负载电流是所述多个变流器的输出电流。
6.根据权利要求5所述的UPS系统(300),其中,所述控制器(200)还操作用于:
从所述相关联的UPS(302,304,306)接收警报信号,所述警报信号指示所述第一变流器(602)已经失效以引起在所述相关联的UPS处的UPS故障状态;以及
响应于所述警报信号而控制所述静态开关(340,342,344)以闭合。
7.根据权利要求1所述的UPS系统(300),其中,所述控制器(200)还操作用于当所述识别的故障位置在所述相关联的UPS(302,304,306)处时控制所述静态开关(340,342,344)以闭合。
8.一种用于识别不间断电源(UPS)系统(300)中的故障位置的控制器(200),所述不间断电源(UPS)系统(300)包括多个UPS(302,304,306)和将所述多个UPS电联接在一起的环形母线(314),所述控制器可通信地联接到联接在所述多个UPS中的相关联的UPS和所述环形母线之间的静态开关(340,342,344),所述控制器操作用于:
接收代表与所述相关联的UPS相关联的逆变器电流和负载电流的电流数据,其中,所述相关联的UPS的输出电容器(606)联接到传导所述逆变器电流和所述负载电流的节点;
基于所述接收的电流数据计算测量电流;
确定所述输出电容器的电压;
基于所述输出电容器的所述确定的电压和预定电容生成导出电流;
比较所述测量电流和所述导出电流以识别故障位置;以及
基于所述识别的故障位置来控制所述静态开关。
9.根据权利要求8所述的控制器(200),其中,所述控制器还操作用于将所述测量电流计算为在所述逆变器电流和所述负载电流之间的差值。
10.根据权利要求8所述的控制器(200),其中,所述控制器还操作用于:
计算在所述测量电流和所述导出电流之间的差值;
比较所述差值与预定阈值;以及
当所述差值超出所述预定阈值时,确定所述故障位置在所述相关联的UPS(302,304,306)处。
11.根据权利要求8所述的控制器(200),其中,所述控制器还操作用于:
计算在所述测量电流和所述导出电流之间的差值;
比较所述差值与预定阈值;以及
当所述差值在所述预定阈值内时,确定所述故障位置在所述相关联的UPS(302,304,306)之外的位置处;以及
控制所述UPS系统的断路器以隔离所述确定的故障位置。
12.根据权利要求8所述的控制器(200),其中,所述逆变器电流由多个变流器(602)中的第一变流器生成,并且所述负载电流是所述多个变流器的输出电流,其中,所述控制器还操作用于:
从所述相关联的UPS(302,304,306)接收警报信号,所述警报信号指示所述第一变流器已经失效以引起在所述相关联的UPS处的UPS故障状态;以及
响应于所述警报信号而控制所述静态开关(340,342,344)以闭合。
13.根据权利要求8所述的控制器(200),其中,所述控制器还操作用于当所述识别的故障位置在所述相关联的UPS(302,304,306)处时控制所述静态开关(340,342,344)以闭合。
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