[发明专利]高效可替代/可更换供电UPS系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年5月9日提交的美国非临时申请序列号第11/746,080号的权益和优先权，其内容通过引用结合在本文中用于所有目的。

关于美国联邦政府赞助的研究或开发的声明

没有。

参考文件的附录

没有。

技术领域

本文公开和教导的本发明一般涉及电力系统，且更具体而言涉及使用各种能量源的电力系统。

背景技术

几十年来，人们都在考虑公用事业公司为电负载提供的补充电力的可替代能源。这种可替代能源包括太阳能、地热能、风能、水能、燃料电池、生物质能及从其产生的气体、潮汐能等。为了产生必要的电压和/或电流，多个面板阵列、堤(levies)、水坝、风力涡轮机、燃料电池等可以根据系统的需要串联连接、并联连接或者串并联连接。然而，每千瓦电力的成本在商业上妨碍了人们接受可替代能量的使用。对于使用可替代能量的这些系统，效率的任何增加可能具有显著益处。典型的交流(AC)系统使用各种整流器、逆变器和其它装置来将可替代能量转换、滤波和调适到合适的电压、频率和相位角，以与公用事业电力网同步，从而为电负载提供功率。各种转换导致功率损耗和其它低效。尽管已经做出巨大努力来发展较高效的能源，但人们还关注可替代能源、主电力电源和电负载之间的各种相互连接和能量转换。

图1是使用补充替代能源的典型公用事业AC电力系统的示意图。电力系统2包括用于从电力网向自动转换开关(ATS)6提供功率的公用事业AC电源4。当AC电源不存在或与电负载的预定条件不符时，ATS可以断开AC电源4。当其它功率源可用时，ATS可以切换到其它源。ATS输出可以通过旁路开关8连接到电负载10。对于一些电负载，诸如关键任务电负载，包括数据中心、控制系统、医院和医疗设施以及其它敏感地区，例行地通过不间断电源(UPS)12来引导AC功率，以在功率到达电负载10之前对功率和/或补充功率进行调节。UPS 12典型地通过整流器将AC功率转换成DC形式，然后通过逆变器将DC形式转换成模拟AC形式，以向电负载10提供调节好的功率。在一些情形中，UPS本身通过UPS配备的电池来提供有限时间的功率。旁路开关8在正常情况下是闭合的，除了在UPS不可用时执行维护或其它功能以外。

发电机14可以作为另一输入向ATS提供功率。发电机14典型地是备用发电机，其仅在断电或当公用事业电力与电负载10所需的预定条件不符时才工作。ATS可以断开AC电源4，并向控制器(未示出)提供输入以启动发电机14。

AC电力系统2还可以包括可替代能量源16。可替代能量源16典型地产生直流(DC)形式的功率。DC功率被提供到诸如“峰值功率点跟踪器”(MPPT)的控制器17。MPPT是优化可替代能量源16的电压/电流的装置或电路，使得DC功率更好地符合适用于DC-AC逆变器的形式，且帮助实现电压频率和相位与公用事业AC电力网的同步。逆变器有时被称为“并网(grid-tie)”逆变器18，其将DC功率转换成公用事业电力网的AC功率。然而，从DC到公用事业电力网的AC功率的转换过程固有地导致功率损耗，该功率损耗被认为是约92-95％。

依赖于来自逆变器18和/或MPPT控制器17的功率的条件，诸如中继器的公用控制20可以打开或闭合代替电力网的可替代能量源电路。系统可以包括位于逆变器18和中继器20之间的附加ATS 22，以进一步控制与可替代能量源16的负载移交。

当在常规公用事业电力/可替代能量系统中有AC功率损失时，如“anti-islanding(反孤岛)”规则通常要求的那样，作为安全预防措施，连接公用事业的并网逆变器18被强迫离线，以避免向已经发生故障的公用电力网中发电。不管用于电负载(诸如数据中心)的可替代能量功率可用与否，在公用电力恢复之前，电负载都不可以使用该可替代能量功率。公用电力的丢失可能持续若干小时甚至有时持续数天，这取决于情况的严重程度。

而且，使用这种典型系统，由并网逆变器18将来自可替代能量源16的功率从DC转换为AC，然后该AC功率通过UPS 12被路由，UPS 12将AC功率再转换为DC功率然后转换为模拟AC波形。多次转换导致效率的进一步损失。据估计，通过并网逆变器并且然后通过UPS的这两次转换大约损失10％的能量。对于大的电力系统，这种功率损耗可能是相当大的量。

因此，仍存在对于以更有效方式使用可替代能量源的改善的电力系统的需求。

发明内容