不间断电源及使用方法与流程

  由本地公用事业的电网为许多已知的配电系统服务。这些分配系统在根据其电气负载来描述时，将功率输送至视为临界（critical）的组件和视为非临界的其他组件。非临界负载通常可处理几秒种或更久的短暂的功率间断，然而，临界负载不可处理短暂的功率间断。如果来自电网的功率丢失，则许多已知的配电系统利用备用能量源来确保维持对至少临界负载的服务。备用能量源包含例如但不限于发电机、能量储存装置以及例如诸如风系统、水电系统和太阳能系统的可再生源。备用能量源通过自动的或手动的转换开关而与负载连接。在正常操作期间，在电网功率下，转换开关通常使备用能量源与负载隔离。在电网功率丢失时，转换开关将备用能量源与负载连接。自动转换开关自动地促进该连接和断开。

  许多已知的配电系统还利用不间断电源（UPS）来确保至临界负载的功率没有丢失。当在电网功率、备用功率下时，并且当在电网功率与备用功率之间转变时，UPS系统促进对临界负载的持续服务。在将例如发电机用作备用功率源的配电系统中，UPS对输送至临界负载的功率进行调节。这种发电机通常具有UPS容量两倍或三倍的容量以补偿由发电机生成的功率中的不规则变化，由发电机生成的功率中的不规则变化可例如但不限于在负载改变时发生。因此，在所生成功率的变换期间，在UPS内招致变换损失，并且发电机本身通常具有分配不当的容量。在发电机的启动期间，还招致附加的损失。

  在一个方面中，不间断电源（UPS）包含串联耦合的线路端子、负载端子和双变换电路，并且还包含旁路电路和同步（synchronize）电路。线路端子与双馈感应发电机（DFIG）耦合。负载端子与具有所需求功率的负载耦合。双变换电路将来自线路端子的电网功率调节到负载端子处的所需求功率。旁路电路耦合在线路端子与负载端子之间，并且配置成在电网功率丢失时，将由DFIG生成的所调节功率输送至负载端子。同步电路耦合在双变换电路与DFIG之间，并且在电网功率丢失时，同步电路通过双变换电路来将电流注入并且注入到DFIG中，使由DFIG生成的所调节功率与所需求功率同步。

  在另一方面中，操作配电系统的方法包含检测线路端子上的电网功率的丢失。本方法还包含使双变换电路从线路端子断开。本方法还包含启动双馈感应发电机（DFIG），生成所调节功率。本方法还包含将所调节功率输送至负载，旁路双变换电路。本方法还包含将所调节功率通过双变换电路反馈至DFIG，使所调节功率与负载的期望的频率、相位和幅度同步。

  在又一方面中，配电系统包含双馈感应发电机（DFIG）、自动转换开关和不间断电源（UPS）。DFIG包含转子和定子。DFIG配置成在定子处生成所调节功率。自动转换开关配置成在检测到电网功率的丢失时从电网去耦并且与定子耦合。UPS配置成通过自动转换开关而从DFIG接收所调节功率。UPS进一步配置成将所调节功率的第一部分输送至负载。UPS进一步配置成将所调节功率的第二部分输送至转子，以使所调节功率与负载的期望的频率、相位和幅度同步。

  线），配置成与双馈感应发电机（DFIG）（170）和电网（110）耦合，所述电网配置成将电网功率传输至所述线路端子，所述DFIG配置成生成所调节功率；

  双变换电路（216），配置成与所述线路端子和所述负载端子耦合，所述双变换电路还配置成对从所述线路端子至所述负载端子的电网功率传输进行调节；

  旁路电路（218），配置成与所述线路端子和所述负载端子耦合，所述旁路电路还配置成，在所述电网功率不可得到时，将所述所调节功率输送至所述负载端子；以及

  同步电路（220），配置成与所述双变换电路和所述DFIG耦合，所述同步电路还配置成，在所述电网功率不可得到时，将电流从所述双变换电路注入到所述DFIG中，所述电流配置成使由所述DFIG生成的所述所调节功率与所述所需求功率同步。

  2．如技术方案1所述的UPS（120；200），其中，所述双变换电路（216）包括：

  直流到交流（DC/AC）变换器（210），与所述AC/DC变换器串联耦合。

  3．如技术方案2所述的UPS（120；200），还包括与所述双变换电路（216）耦合的电池（212），所述电池配置成当在所述电网功率与所述所调节功率之间转变时，将所述所需求功率提供给所述负载端子（204）。

  4．如技术方案3所述的UPS（120；200），其中，所述电池（212）还配置成供应注入到所述DFIG（170）中的所述电流，所述电流传输通过所述AC/DC变换器（208）和所述同步电路（220）。

  5．如技术方案4所述的UPS（120；200），还包括定位在所述线），所述第一开关配置成在所述电网功率存在时闭合，并且在所述电网功率不存在时断开。

  6．如技术方案5所述的UPS（120；200），其中，所述旁路电路（218）包括所述线），所述第二开关配置成在所述电网功率存在时断开。

  7．如技术方案6所述的UPS（120；200），其中，所述第二开关（K6）还配置成：

  在所述电池（212）将所述所需求功率提供给所述负载端子（204）时断开；并且

  闭合以将由所述DFIG（170）生成的所述所调节功率输送至所述负载端子。

  8．如技术方案7所述的UPS（120；200），其中，所述第二开关（K6）还配置成在所述电池（212）提供所述所需求功率时闭合，所述电池配置成将起动功率通过所述第二开关来提供给所述DFIG（170）。

  双馈感应发电机（DFIG）（170），包括转子（190）和定子（180），所述DFIG配置成在所述定子处生成所调节功率；

  自动转换开关（160），配置成在检测到电网功率的丢失时从电网（110）去耦并且与所述定子耦合；以及

  将所述所调节功率的第二部分输送至所述转子以使所述所调节功率与所述负载的期望的频率、相位和幅度同步。

  10．如技术方案9所述的配电系统（100），其中，所述UPS（120；200）包括：

  将由所述定子（180）生成的所述所调节功率调节并且输送至所述转子（190）；以及

  电池（212），与所述双变换电路耦合，所述双变换电路还配置成将直流（DC）充电功率输送至所述电池。

  11．如技术方案10所述的配电系统（100），其中，所述UPS（120；200）还包括与所述双变换电路（216）并联耦合的旁路电路（218），所述旁路电路配置成：

  12．如技术方案11所述的配电系统（100），其中，所述电池（212）配置成在所述电网功率与来自所述DFIG（170）的所述所调节功率之间的转变期间，将电池功率输送至所述负载。

  13．如技术方案12所述的配电系统（100），其中，所述旁路电路（218）还配置成在所述转变期间闭合，所述电池（212）还配置成将电池功率输送至所述定子（180）以通过感应来起动所述转子（190）。

  14．如技术方案13所述的配电系统（100），其中，所述UPS（120；200）还包括耦合在所述双变换电路（216）与所述DFIG（170）的所述转子（190）之间的开关（Kx），所述开关配置成：

  在起动所述转子以将所述电池功率通过所述双变换电路来输送至所述转子之后闭合以使由所述DFIG生成的所述所调节功率与所述期望的频率、相位和幅度同步。

  在参考附图来阅读下面的详细描述时，将变得更好地理解本公开的这些及其他特征、方面和优点，在附图通篇中，相似的字符表示相似的部分，其中：

  图2是供在图1中所示出的配电系统中使用的示范的不间断电源（UPS）的示意图；以及

  除非另有指示，否则本文所提供的附图意味着图示本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或多个实施例的各种各样的系统中。因此，附图不意味着包含由本领域普通技术人员已知的实施本文中所公开的实施例所要求的所有的常规的特征。

  单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数参考，除非上下文明确地另有指示。

  “可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情形有几率发生或可能不发生，并且描述包含其中事件发生的实例和其中事件不发生的实例。

  如本文所使用的近似语言在说明书和权利要求书通篇中可应用于修改任何数量表示，该任何数量表示能够准许变化而没有导致与它相关的基本功能的改变。因此，通过诸如“大约”、“近似”和“基本上”的一个术语或多个术语所修改的值不是要局限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里并且在说明书和权利要求书通篇中，范围限制可被组合和/或互换，这类范围被识别，并且包含在其中所包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。

  本公开的实施例涉及用于临界负载和非临界负载的配电系统。本文中所描述的配电系统提供从电网至备用功率的有效转变和备用功率的持续的有效服务。更具体地，双馈感应发电机（DFIG）的使用促进改进的负载匹配功率生成，这改进备用系统的总效率，并且双馈感应发电机（DFIG）与不间断电源（UPS）结合使用促进备用发电机的更有效的启动。通过改进对由DFIG所生成的功率的调节而使UPS内的进一步的损失减轻。

  图1是示范的配电系统100的框图。配电系统100包含用于在正常操作条件下为电气负载130服务的电网110和UPS 120。电气负载130包含临界负载140和非临界负载150。由UPS 120为临界负载140服务以便如果来自电网110的功率丢失则确保功率。如充当备用能量源的DFIG 170那样进行，电网110通过自动转换开关160来与UPS 120和电气负载130连接。

  在正常操作条件期间，电网110为电气负载130服务，并且自动转换开关160使DFIG 170断开。功率通过UPS 120来输送至临界负载140，UPS 120执行交流（AC）到直流（DC）、DC到AC以及DC到DC变换用于对于临界负载140和UPS 120内部的其他负载比如例如但不限于电池（未示出）调节功率。直接将功率输送至非临界负载150，旁路UPS 120。

  在电网110丢失时，自动转换开关160和UPS 120通信，以协调从通过电网110获得的电网功率至通过DFIG 170获得的备用发电机功率的转变。自动转换开关160使电网110断开，并且将DFIG 170与UPS 120连接。更具体地，自动转换开关160将DFIG 170的定子180与UPS 120连接。在转变期间，UPS 120通过内部的能量储存装置（未示出）比如例如但不限于电池来为临界负载140服务。当起动注油器（primer）192使转子190转动时，UPS 120还激励DFIG 170的转子190，注入电流的期望的频率和幅度。UPS 120对转子190的励磁来控制以输送在定子180处生成的具有适合于负载的相位、频率和幅值的期望的所调节电压。然后，所调节功率通过自动转换开关160和UPS 120而输送至临界负载140，并且通过自动转换开关160来输送至非临界负载150，旁路UPS 120。

  起动注油器192例如但不限于，由诸如引擎的变速驱动器（未示出）驱动，例如，该变速驱动器靠柴油、汽油、天然气或任何其他合适的燃料运转。变速驱动器促进以次同步的速度操作DFIG 170以优化DFIG 170和变速驱动器的效率，同时也生成以期望的相位和频率的所调节电压。在操作期间，DFIG 170在转子190处消耗能量，虽然所消耗的能量通常是在定子180处生成的能量的一小部分。在转子190处消耗的能量与在定子180处生成的能量的比率随着起动注油器192的速度而变化。

  在某些实施例中，在从电网功率到备用发电机功率的转变期间，UPS 120激励DFIG 170的定子180，而不是激励转子190，然后定子180作为感应马达操作并且起动转子190和起动注油器192。一旦转子190和起动注油器192处于某速度或接近某速度（at or near speed），UPS 120就激励转子190以使所生成的功率的频率、相位和幅值同步。然后，UPS 120停止激励定子180，并且然后起动注油器192在功率下使转子190转动。在使起动注油器192达到某速度的方面，由UPS 120供应至DFIG 170的起动功率通常比由起动注油器192的其他适合的驱动器或变速驱动器供应的起动功率更有效。

  图2是供在配电系统100（在图1中示出）中使用的示范的UPS 200的示意图。现在，参考图1和图2，UPS 200包含线的功率源（未示出）耦合。负载端子204可与诸如电气负载130的电气负载耦合，并且更具体地，可与临界负载140中的至少一个耦合。同步端子206可与诸如DFIG 170的转子190的DFIG的转子耦合，用于注入电流的期望的频率和幅度。

  UPS 200还包含AC/DC变换器208、DC/AC变换器210、电池212、晶闸管214以及开关K4、K6、K7、Kx、Q1和Q2。AC/DC变换器208和DC/AC变换器210形成双变换电路216，双变换电路216与开关K4、K7和Q1串联耦合，并且，进一步耦合在线形成旁路电路218，旁路电路218与双变换电路216并联耦合。开关Q2促进双变换电路216和旁路电路218的备用旁路。在将旁路电路218闭合时或在将通过开关Q2的备用旁路闭合时，开关K7促进使AC/DC变换器208、电池212和DC/AC变换器210断开。开关Q1促进从负载端子204完全断开。开关Kx耦合在同步端子206与AC/DC变换器208之间，形成同步电路220。

  在正常操作期间，在电网功率下，将AC功率供应至线闭合，通过AC/DC变换器208和 DC/AC变换器210而将功率输送至负载端子204，这被称为双变换操作。该双变换是UPS 200内的损失的一个源。还通过AC/DC变换器208与DC/AC变换器210之间的DC链路而对电池212进行充电。开关K6和Q2断开，防止AC/DC变换器208和DC/AC变换器210的旁路。开关Kx也断开，防止UPS 200激励转子190。

  在电网功率丢失时，自动转换开关160使电网110断开，并且将DFIG 170的定子180与线断开，从而使AC/DC变换器208从线断开，并且开始从电网功率到通过DFIG 170获得的备用发电机功率的转变。在转变期间，电池212通过DC/AC变换器210和保持闭合的开关K7和Q1而将功率供应至负载端子204。开关Kx闭合，从而通过AC/DC变换器208来从电池212抽取能量，AC/DC变换器208作为逆变器操作以通过同步端子206来激励DFIG 170的转子190。转子190转动并且在DFIG 170的定子180处生成功率。所生成的功率供应至线处于某速度（at speed）并且与期望的频率、相位和幅值同步时，转变完成，并且将开关K6和晶闸管214闭合。所生成的功率通过开关K6、晶闸管214和开关Q1而输送至负载端子204，旁路AC/DC变换器208和DC/AC变换器210。开关K7保持闭合，以促进通过作为整流器操作的DC/AC变换器210而对电池212进行充电，并且通过DC/AC变换器210、AC/DC变换器208、开关Kx以及同步端子206来激励转子190。

  在某些实施例中，在从电网功率到备用发电机功率的转变期间，UPS 200将起动功率提供给DFIG 170以使对DFIG 170的启动更有效。开关K7和Q1闭合，从而将功率从电池212通过DC/AC变换器210而输送至负载端子204。在提供起动功率时，开关K4及Kx断开，从而使AC/DC变换器208从线闭合，从而将功率从电池212引导至DFIG 170的定子180。随后定子180被激励，起动转子190和起动注油器192以使转子190达到某速度或接近某速度。然后，开关Kx闭合，从而激励转子190，并且使在定子180处生成的功率的频率、相位和幅值同步。然后，开关K6断开，以将起动功率从UPS 200转变至起动注油器192，其通过变速驱动器或其他合适的驱动器来转动。一旦使在定子180处生成的所调节电压同步，就将开关K6再次闭合，UPS 200从电池212转变至DFIG 170。

  图3是操作配电系统100（在图1中示出）的示范方法300的流程图。现在，参考图1、图2和图3，本方法开始于开始步骤310处。在检测步骤320处，检测到通过电网110获得的电网功率的丢失。然后，在断开步骤330处，开关K4使双变换电路216从线断开。在该转变期间，由电池212将功率通过DC/AC变换器210和开关K7及Q1来供应至负载端子204。

  在DFIG启动步骤340处，开动DFIG 170以生成所调节功率。通过使与起动注油器192附连的转子190转动而开动DFIG 170。起动注油器192由变速驱动器比如例如但不限于引擎来驱动。在某些实施例中，在DFIG启动步骤340期间，电池212通过旁路电路218而将起动功率提供给DFIG 170的定子180。在那些实施例中，在启动期间，开关Kx保持断开，从而通过感应而促进转子190的起动。在转子190达到期望的速度时，将开关Kx闭合，以将电池功率应用于转子190，这使由DFIG 170生成的功率与电气负载130的期望的频率、相位和幅度同步。一旦转子190处于期望的速度并且使DFIG 170同步，就通过使开关K6断开而将来自电池212的起动功率去除。激励转子190以开始使DFIG 170同步所在的期望的速度按照实施例而变化。根据通过与由起动注油器192相比由感应起动转子190所得到的效率，某些DFIG与变速驱动器的组合将具有不一样于其他组合的交接点（handover point）。

  在备用功率输送步骤350处，将由DFIG 170生成的所调节功率的第一部分通过旁路电路218和开关Q1而输送至临界负载140。此外，在同步步骤360处，将所调节功率的第二部分通过旁路电路218、向后通过双变换电路216和通过开关Kx而反馈至DFIG 170的转子190。反馈至转子190的所调节功率使由DFIG 170生成的所调节功率与电气负载130的期望的频率、相位和幅度同步。然后，本方法终止于结束步骤370处。

  上述的配电系统提供从电网至备用功率的有效转变和对临界负载及非临界负载的备用功率的持续的有效服务。更具体地， DFIG的使用促进改进的负载匹配功率生成，这改进备用系统的总效率，并且，DFIG与UPS的结合使用促进作为DFIG的备用发电机的更有效的启动。通过改进对由DFIG生成的功率的调节而使UPS内的进一步的损失减轻。

  本文中所描述的方法、系统及设备的示范的技术效果包含如下的至少一个：（a）利用DFIG和变速驱动器而改进负载与所生成的功率的匹配；（b）改进对由DFIG生成的功率的调节，这准许UPS变换器的旁路；（c）降低起因于双变换的至少部分旁路的UPS中的损失；（d）在与UPS结合时，DFIG发电机的更有效地启动；（e）降低生产能力过剩的资本支出；以及（f）降低起因于所得到的一般效率的操作成本，例如，通过以与负载的各种需求相对应的变速操作DFIG而降低燃料成本。

  用于配电系统的方法、系统和设备的示范实施例不局限于本文所描述的具体实施例，而是可与本文所描述的其他组件和/或步骤分开地和独立地利用系统的组件和/或方法的步骤。例如，方法还可与其他非常规配电系统结合使用，而不局限于仅采用如本文所描述的系统和方法来实施。示范实施例而是能够结合可获益于增加的效率、降低的操作成本和降低的资本支出的许多其他应用、设备和系统来实现和利用。

  虽然本公开的各个实施例的具体特征可在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但是这仅仅是为了方便。按照本公开的原理，可与任何其他附图的任何特征结合参考和/或要求保护附图的任何特征。

  本书面描述使用包含最佳模式的示例来公开实施例，并且还使本领域的任何技术人员能够实施实施例，包含制作和用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本公开的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围以内。