專利名稱：連接到電網的不間斷電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種連接到電網的不間斷電源(UPS)，所述電網包括 至少一電力線，所述UPS包括輸入裝置，該輸入裝置包括整流器部件， 該變換部件從UPS產生輸出功率供應。本發(fā)明還涉及一種用于操作不間斷電源的方法，其中UPS連接在 電網和用電設備之間，UPS對來自電網的功率進行整流以生成直流電 (DC)，該直流電被用作逆變器的源，該逆變器生成用電設備用的功率。
背景技術：
公共電網必須在例如由公共電網機構規(guī)定的電網規(guī)范內運行。電網規(guī)范包含風力渦輪機必須能夠承受故障(fault-ride-through)的 要求，也就是說，在電壓下降的情況下，不與公用電網斷開。這意味 著對于該渦輪機自己的消耗(負載)來說不間斷電源(UPS)裝置是 必須的，以確保在電網故障期間該渦輪機的安全運行。所述要求中所描述的電壓下降具有O. l-3秒范圍內的典型時間段。經驗法則表明UPS系統(tǒng)所需功率水平在總渦輪機功率的O. 5-1% 的范圍內。因此對于l麗渦輪機，自消耗為5至10kW的范圍。標準UPS系統(tǒng)通常由整流器、直流鏈路(DClink)、電池組以及逆 變器部分組成。電池組是在主電源發(fā)生故障的情況下提供功率的能量 源。該能量源的一些缺點如下電池是依賴于溫度的。在將電池用作能量源的情況下，其壽命和 容量直接取決于環(huán)境溫度。在設計允許的最大值以上，溫度的增加導 致壽命降低。由于電池具有相對低的最高設計溫度(通常大約4(TC)并且由于 在典型的風力渦輪機中預期溫度可能很容易達到55"C，因此需要附加的冷卻或其它除熱部件。當電池暴露在零度以下的溫度時，也會發(fā)生 類似的問題。加熱元件通常是必須的，以避免電池因低溫而放電。電池的劣化可能損害電池的能量容量，結果只有較少的功率或者 備用時間可以利用。電池的化學過程使得難以在任意給定的時間測量 出電池中存儲有多少能量。在傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)中，在電池組投入工作之 前能含量是未知的。在UPS執(zhí)行安全操作的應用中，這可能導致不希 望的或者危險的情況。減少這種風險的一個途徑是通過按定期維修間 隔經常更換電池來保證或者通過應用專用的管理系統(tǒng)來監(jiān)視和控制 充電和放電周期。電池組本身占用了UPS系統(tǒng)相當大的空間。并且電池是笨重的且不容易處理。在典型的渦輪機中，UPS安裝在機艙中，并且如果定期更換電池，維修工程師要進行額外工作。電池內的化學 過程需要專門的封裝和細致的維護。此外，必須以環(huán)境友好的方式處 理這些電池，這導致額外的費用，如果處理不當還會產生潛在的生物危害。因此希望消除風力渦輪機的UPS裝置中的電池。專利US5612580公開了一種在電源線電壓高于閾值且來自電源的線路AC信號在可接收的范圍內時能夠以"離線"模式操作的UPS。專利US5771161公開了一種有源線路調節(jié)器(active power lineconditioner, APLC)，其用于調節(jié)傳送到負載的電能的量。然而，這些專利均沒有公開以降低到低于或等于風力渦輪機額定電壓的15X的預期電壓降運行的沒有電池的UPS。本發(fā)明致力于解決該問題。發(fā)明內容本發(fā)明的主要目的是實現通過在電網發(fā)生故障之后的短時間內 向單相或多相用電設備供電來渡過電網電壓下降的UPS 。另一個目的是通過充當諧波濾波器和PFC (功率因數校正)以確 保穩(wěn)定和高質量的電源來保護連接到UPS的輔助設備。如果修改權利要求1的前序部分使得UPS包括升壓裝置，該升壓裝 置具有至少一輸入線路，該輸入線路經由整流器部件連接到電網，升壓裝置具有至少一輸出線路，該輸出線路連接到功率變換部件，則可 以實現該目的。由此可以實現在電網故障迫使幾乎所有用電設備全部或部分關 閉的情況下在幾秒鐘之內可以維持向負載供電。電網上的大多數電力 故障具有幾秒鐘的持續(xù)時間，但是對于計算機化的用電設備陷入不希 望的功率下降情況來說，這可能是足夠長的持續(xù)時間。這種功率下降 對于計算機系統(tǒng)是極其有害的，例如，如果在電力故障發(fā)生時硬盤正處于寫入狀態(tài)。如果與計算機部件相連的UPS裝置只要能保持10-20秒鐘的不間斷供電，則這對于許多計算機系統(tǒng)在關機之前至少以使硬 盤進入停車模式的操作方式關機來說是足夠的。代替電池而使用升壓裝置會使UPS系統(tǒng)小得多，因為電池通常是非常笨重的鉛蓄電池并且為了在需要功率時可以工作，必須處于不停的維護管理之下。在可能的實施例中，UPS包括連接到功率變換部件的直流鏈路。 UPS可以與風力渦輪機一起工作，該風力渦輪機電網連接到UPS 的輸入作為能量源，在公用電網發(fā)生故障的短時間內該風力渦輪機電 網全部或部分處于工作中，在該短時間內UPS處于工作中。UPS與風力 渦輪機結合是必需的，因為風力渦輪機包括計算機化的控制系統(tǒng)，例 如其控制液壓和葉片的槳距并且在液壓系統(tǒng)的幫助下進行制動。在電 網發(fā)生故障的情況下，與風力渦輪機結合的安全系統(tǒng)必須繼續(xù)正常工 作。如果電網故障僅持續(xù)非常短的幾秒鐘時間，則風力渦輪機將感受 不到任何間斷。如果電網故障是全面的并且持續(xù)更長的時間，則只要 風車發(fā)電機轉動并至少產生一些功率，UPS系統(tǒng)就可以為內部負載產 生足夠的功率。UPS還可以與連接到公用電網的風力渦輪機結合工作，所述公用 電網連接到UPS的輸入作為能量源，在風力渦輪機電網發(fā)生故障的短 時間內所述公用電網全部或部分處于工作中，在該段時間內UPS處于 工作中。在風力渦輪機發(fā)電機正在發(fā)生電力故障的情況下，UPS持續(xù)連接到公用電網以獲得足夠的功率供應。即使在公用電網也具有電力故障的情況下，UPS系統(tǒng)也能夠至少在幾秒鐘的時間內產生足夠的功率。負載的電功率可以通過UPS來接通。從而可以實現UPS還能作為 功率濾波器進行工作，其作為太高的所有電網頻率的高頻濾波器進行工作，并且還擔當PFC。這樣，負載的功率幾乎不受到可能是電網功率的一部分的短電壓峰值的干擾。這些電壓峰值對于例如與計算機結 合的電源來說是非常不好的。在負載中產生的噪聲也被過濾掉使得噪 聲不會傳送到電網。升壓裝置可包括至少一個線圈，該線圈(或感應器)作為直流鏈 路的一部分串聯連接，升壓裝置還包括至少一個半導體開關，處于導 通狀態(tài)的半導體開關跨過線圈形成短路，半導體開關包括輸入部件， 該輸入部件連接到控制部件。由此實現了可以或多或少獨立于電網電 壓產生功率。在電網只存在小的電壓的情況下，升壓裝置所需的電流 將相對高，但是能夠以足夠的電壓電平產生功率。所需高電流導致與UPS的所有電連接的高規(guī)格。線圈可進一步連接到整流器的陽極，整流器具有連接到電容器的 陰極，電容器連接到功率變換部件的輸入。額外的整流器和電容器的 使用導致形成直流電，該直流電被用作變換部件的輸入。這樣，變換 部件能夠產生具有幾乎完美曲率的AC功率。整流器可以是有源整流器。通過使用有源整流器可以在工作期間 和UPS處于工作狀態(tài)下控制對UPS的輸入功率。UPS可以連接到控制單元，該控制單元包括用于檢測電網的電壓 暫降的部件。從而實現了在UPS位于通向風力渦輪機控制單元的電力 線路中的情況下，可以從控制單元控制UPS。UPS包括至少一個用于旁路功能的旁路開關。從而實現了在某些 工作狀態(tài)下，DC線路中的線圈可以被短路以減小該線圈中的功率損 耗。UPS可以是多相系統(tǒng)。根據對UPS的輸入，它可以象多相系統(tǒng)中那 樣在單相系統(tǒng)中操作。唯一的區(qū)別似乎是在輸入處整流器的數量。在 單相系統(tǒng)中，可能必須使用四個整流器。在使用更多個相的系統(tǒng)中，可以每一相只具有兩個整流器來操作它們。權利要求11的前序部分中所述的方法最好被修改成UPS包括用于控制直流鏈路上的電壓電平的升壓裝置，該升壓裝置使用電網作為能從而可以實現:UPS能夠在電網發(fā)生故障之后的短時間內工作。事 實上，只要電網中存在殘余功率，UPS就能工作。只要可以實現電壓降， 升壓裝置就可以工作，但是在電壓相對低的情況下，升壓裝置所需的 電流將相對高。因此，這里所描述的UPS系統(tǒng)優(yōu)選只在電網發(fā)生故障 后的幾秒鐘內工作。大多數電網故障具有低于兩秒鐘的持續(xù)時間，這 意味著UPS系統(tǒng)預防了由所有短暫的電力故障導致的損壞。在電力故 障具有較長持續(xù)時間的情況下，UPS能夠在足夠使關鍵功能關閉的數 秒鐘的時間內保持負載正常工作。在功率完全衰減之前使旋轉的硬盤 進入到停車狀態(tài)的情況下還可以將數據存儲在計算機系統(tǒng)中。上述 UPS是非常小的單元，其只包括很少量的電子組件。所述UPS獨立于通 常作為UPS系統(tǒng)的一部分的電池存儲運行。本發(fā)明提供一種連接到電網的發(fā)電站用的不間斷電源裝置，其包 括整流器、升壓變換器、直流鏈路以及逆變器，其在電網故障期間使 用公用電網作為能量源并將所述整流器和逆變器設計為與通過預定 的倍乘因子增加到電網的額定電流水平的電流水平相匹配。所述倍乘 因子依賴于根據電網要求的預期電壓降。本發(fā)明可包括像矩陣變換器那樣的沒有直流鏈路的直流變換器。通過以下結合附圖對本發(fā)明的說明性而非限制性的實施例的詳 細描述將可以理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。


圖1是具有UPS裝置的風力渦輪機的示意圖。 圖2a和2b分別是正常工作時和UPS工作時的已知風力渦輪機單相 UPS裝置的示意圖。圖3a和3b分別是正常工作時和UPS工作時根據本發(fā)明的風力渦輪機單相UPS裝置的示意圖。圖4示出根據本發(fā)明的單相UPS裝置的主要組件。圖5示出在電網故障期間在渦輪機連接處的電壓和電流之間的關系。
具體實施方式
圖l示出風力渦輪機中的布線和功能的可能示意圖，該風力渦輪機包括轉子ll、變速箱13以及發(fā)電機15。發(fā)電機15經由變壓器17將電 功率提供給公用電網18。風力渦輪機還需要負載19用的電功率并因此 包括用于電網故障情況的UPS裝置25以及旁路接觸器27，負載19包括 液壓泵20、控制單元21以及其它風力渦輪機用電元件23等。在圖2a和2b中所示的由整流器31、直流鏈路33、電池組35以及逆 變器37組成的已知UPS裝置中，在正常工作時(圖2a)，從電網18向負 載19供電，而在UPS工作時(圖2b)，從電池源35向負載19供電。在正 常工作時，負載19連接到逆變器37并且經由整流器/充電器31由電網 18對電池組35充電。電網和UPS供電之間的切換不會引起對負載19供 電的任何中斷。在UPS系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，可以繞過UPS從電網18 直接向負載供電。圖3a和圖3b示出根據本發(fā)明的UPS裝置的可能實施例。該UPS包括 整流器31、直流鏈路33以及逆變器37，在正常工作時(圖3a)以及在 低電壓和高電流的UPS工作時(圖3b)從電網18向UPS供電。此外，需 要在整流器31的后面將升壓變換器32 (圖4)插入到UPS裝置中以確保 直流鏈路33上的電壓電平總被充電到正確的電平。圖4示出UPS的可能實施例的細節(jié)圖。在圖3a和圖3b的說明中已經 一般地提到了所示的整流器31、升壓變換器32以及逆變器37。整流器 31包括輸入線40和42，輸入線42連接到半導體開關46的陽極。輸入線 42還連接到半導體開關44的陰極。輸入線40以相同的方式連接到半導 體開關48的陽極和半導體開關50的陰極。半導體開關46和48的陰極連 接到線54。半導體開關44和50的陽極還連接到線52。線52和54延伸到升壓變換器32。線54連接到線圈58。另一線56還連接到半導體開關60 和二極管62。半導體開關60具有另一個連接到線52的電流端子。二極 管62具有連接到線66的陰極，線66連接到電容器64。電容器64還連接 到線52。線66還連接到半導體開關70和74。線52以同樣的方式連接到 半導體開關68和72。半導體開關74和半導體開關68的公用線連接到輸 出線76。此外，半導體開關70和半導體開關72的端子相互連接并連接 到線78。在正常工作時，通過線40和42在整流器31中對交流電迸行整流。 在線54中形成直流電，該直流電經由線圈58流入線56，并進一步流過 二極管62，從而產生與逆變器線66的直接直流連接。此外，DC線52 直接引向逆變器37。在AC線40、 42上電壓下降的情況下，線圈58包含 存儲在其中的磁能并且該磁能用于保持線圈中電流的穩(wěn)定和連續(xù)。在 幾毫秒的操作中，存儲在線圈中的磁能被使用并且流過線圈的電流迅 速減小。在此情況下，半導體開關60被接通并且電流開始流過線圈58 和半導體60。電流非常迅速地增加并在線圈58中產生新的磁場。在短 時間之后，半導體開關60被斷開并且電流再次從線圈58經由二極管62 流入線66。電容器64具有在半導體開關60導通期間保持線66處的直流 電電平幾乎恒定的功能。只要在AC線40、42上存在即使非常小的供電， 升壓變換器42就能工作。如果線40和42之間的電壓減小到大約50%以 下，則在線54、 52、 56和66中流動的電流增加。因此，必須將線54 和56以及零線52設計為大約正常所需大小的10倍。圖5示出電網電壓與時間的關系，其中電網電壓在短時間內減小 到15-20%。在下圖中示出同一時間的電流，其中在電壓下降期間電 流增加。UPS不使用電池組作為能量源，它從電網本身獲得所需能量。在 這方面，應該指出，如2003年8月1日E. On， Bayreuth的 〃Netzanschlussregeln fllr Hoch-und H5chstspnnung〃或者2003年8 月VDN的〃Transmission code 2003〃等電網要求描述了在主公用電網 發(fā)生故障的情況下在渦輪機的連接點處通常存在預期最小為額定電壓的15%的殘余電壓。為了使用所述殘余電壓，必須使UPS系統(tǒng)的電子組件(整流器和 逆變器)超過規(guī)定規(guī)格以匹配更高的電流水平。在這方面，考慮到電 網要求中設定的預期電壓降，預先確定額定電流水平的倍乘因子。由于功率與電壓成正比(S二UXI)，因此這意味著如果電壓下降到15%，則電流必須以6. 67(1/0. 15)的倍乘因子增加以確保向輔助系 統(tǒng)提供相同的功率。圖4示出在電網故障期間在渦輪機連接點處電壓 和電流之間的示意性關系。因此必須使所述組件以相同的因子超過規(guī) 定規(guī)格。如果電壓降超出電網要求中所規(guī)定的要求，則不要求UPS還完成 其主要功能(電壓下降的過渡)，因此渦輪機將與電網斷開。UPS還被用于功率因數校正(PFC)，這將確保渦輪機的低THD。 根據本發(fā)明的UPS將始終在線，因為 -完全的不間斷電源是可能的 -保護附加用電設備不受其它線路干擾為了確保渦輪機的高有效性，如果UPS系統(tǒng)存在故障，則連接器 應該繞過UPS。在本發(fā)明的另一實施例中，整流器是無源整流器并且升壓變換器 位于整流器前方。在本發(fā)明的另一實施例中，根據本發(fā)明的UPS是多相UPS。技術人員容易理解，本發(fā)明可應用于連接到分散型電站、光電等 發(fā)電站的其它電網。本發(fā)明的一個優(yōu)點是不需要化學電池，因此-溫度范圍可以更高-較少維護-更高的可靠性-更高的魯棒性另外的優(yōu)點是該UPS始終在線，因此-為所連接的輔助設備提供好的過電壓保護-在電網故障時沒有轉換時間另外的優(yōu)點是由于升壓變換器的PFC，所以具有低的諧波干擾。 另外的優(yōu)點是新的UPS可以用于改進舊的渦輪機以滿足電網要求并作為所有新風力渦輪機的標準。盡管已經結合優(yōu)選實施例充分描述了本發(fā)明，但是很明顯，修改也包括在本發(fā)明的范圍內，不是這些實施例而是所附權利要求的內容限定本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.連接到包括至少一電力線的電網的不間斷電源UPS，該UPS包括包含整流器部件的輸入裝置和具有逆變器的輸出電源，其特征在于-逆變器(37)包括升壓裝置(32)，該升壓裝置(32)具有至少一輸入線，所述輸入線經由整流器(31)連接到電網(18)，所述升壓裝置(32)具有至少一輸出線，所述輸出線連接到逆變器(37)；-所述UPS包括直流鏈路(33)，該直流鏈路(33)連接到整流器(31)和逆變器(37)；以及-在電壓降等于或小于額定電壓的15％期間，所述升壓裝置使用殘余電壓從所述連接得到能量。
2. 根據權利要求l所述的不間斷電源，其特征在于，所述UPS在 風力渦輪機(ll、 13、 15、 17)運行的同時工作，風力渦輪機電網(18) 連接到-所述UPS的輸入作為能量源，所述風力渦輪機(18)在公用電網 發(fā)生故障的短時間內全部或部分處于工作中，在所述短時間內，所述 UPS處于工作中；-公用電網(18)，該公用電網連接到所述UPS的輸入作為能量源， 所述公用電網在風力渦輪機電網發(fā)生故障的短時間內全部或部分處 于工作中，在所述短時間內，所述UPS處于工作中。
3. 根據權利要求1或2所述的不間斷電源，其特征在于，經由所 述UPS連接負載(19)用的電功率。
4. 根據權利要求3所述的不間斷電源，其特征在于，所述升壓裝 置(32)包括至少一個線圈(58)，該線圈作為直流鏈路(33)的一 部分被串聯連接，所述升壓裝置(32)還包括至少一個半導體開關， 處于導通狀態(tài)的該半導體開關跨過所述線圈(58)形成短路，所述半 導體開關包括輸入部件，所述輸入部件連接到控制部件。
5. 根據權利要求4所述的不間斷電源，其特征在于，所述線圈(58) 還連接到整流器的陽極(46)，所述整流器具有連接到電容器的陰極(44)，所述電容器連接到所述功率變換部件的輸入。
6. 根據權利要求5所述的不間斷電源，其特征在于，所述整流器 (31)是有源整流器。
7. 根據權利要求6所述的不間斷電源，其特征在于，所述UPS連 接到控制單元，所述控制單元包括用于檢測所述電網的電壓暫降的裝 置。
8. 根據權利要求7所述的不間斷電源，其特征在于，所述UPS包 括至少一個用于旁通功能的旁路開關。
9. 根據權利要求8所述的不間斷電源，其特征在于，所述UPS是 多相系統(tǒng)。
10. 用于操作不間斷電源UPS的方法，其中所述UPS連接在電網 (18)和用電設備(19)之間，所述UPS對來自所述電網的功率進行整流以產生直流電，該直流電被用作逆變器(37)的源，所述逆變器 產生用電設備(19)用的功率，其特征在于所述UPS包括用于控制 直流鏈路(33)上的電壓電平的升壓裝置(32)，當電壓降為額定電 壓的15%時，所述升壓裝置(32)使用殘余電壓從所述連接獲得能量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不間斷電源UPS(25)以及操作不間斷電源的方法，其中UPS(25)連接在電網(18)和用電設備(19)之間，UPS對來自電網(18)的功率進行整流以生成直流電，該直流電被用作逆變器的源，逆變器生成用電設備(19)用的功率，其中直流鏈路包括升壓裝置。本發(fā)明可實現在電網出現故障后的短時間內通過對單相或多相用電設備供電來渡過電網電壓跌落。此外，使用升壓裝置而不是電池會使UPS系統(tǒng)小得多。
文檔編號H02J3/01GK101262145SQ20081000939
公開日2008年9月10日 申請日期2008年2月28日 優(yōu)先權日2007年2月28日
發(fā)明者比約恩·安德森, 洛倫茨·費德森 申請人:歌美颯創(chuàng)新技術公司