[发明专利]一种级联式在线不间断电源

说明书

技术领域

本发明涉及一种级联式在线不间断电源。

背景技术

不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)可以在停电、电压波动的情况下持续稳定地为负载输出合格电能。因此，不间断电源十分适合用来保护医院、国防基础设施、服务器机房以及大多数制造业的关键负载。除了保护负载外，不间断电源还可以实现无功补偿和谐波的隔离，从而可以提高供电质量。

不间断电源大体可以分为离线式、在线互动式和在线式。他们对于负载的保护效果不同，离线式最差，在线式最优。

对于离线式UPS，它不与负载直接相连，只用来做备用。只有在发生故障，输入线路断开时，它才为负载供电。因此，对于离线式UPS，最重要的性能是它快速判断线路故障和迅速切换的能力。切换过程中的延时一般是不可避免的，而且降低延时往往会提高成本。但是由于具有其它两种形式无法与之相比的低损耗，离线式UPS仍然得到了广泛应用。

和离线式UPS不同，在线交互式UPS通常和负载直接相连。但负载并不是只与它相连，同时还连接到了输入线路。在正常的运行情况下，负载从输入线路获得能量，同时UPS补偿线路的扰动。在检测到故障时，负载从输入线路断开，只与UPS相连并获取电能。因此，在线交互式UPS的优点是功率变换的级数少，切换时间短。然而，由于负载和输入线路直接相连，在电源的切换期间会使输入线路上的故障影响到负载。因此，如果在负载供电可靠性方面的要求非常高，在线交互式UPS就不是一个最佳的选择，此时便需要使用在线式UPS。

在线式UPS可以给负载提供最好的保护，而且切换时间几乎为零。由于在输入线路和负载之间没有直接的电气联系，在线式UPS不会使负载遭受线路故障的影响。它的工作原理如下：UPS首先将输入电路中的交流电整流为直流，再将其逆变为交流电供应负载，而负载直接从UPS中得到能量。在整流和逆变电路之间存在着直流环节，如果负载的功耗在最大的系统容量以下，电能可以存储到电池等存储介质中。当故障发生时，整流输入部分停止工作，改由电池经逆变器向负载供电。很明显，在线式UPS是最为可靠的，但它的成本较高。另外，在线路供电正常时它需要进行两级功率变换，必然会降低整个系统的效率。在线式UPS即使可以尽量提高其效率，也无法提高到前两种UPS的水平。因此，在保证供电可靠性的基础上，在其他方面提高在线式UPS的性能具有更重要的意义。

在线式UPS拓扑如图1所示。整流器和逆变器背靠背地分布，电能存储单元放置在这两者之间的直流环节中。为了实现最好的保护，往往需要配置变压器进行隔离。变压器可以放置于输入端，或者根据实际的需要在输入端和输出端同时放置。对于具体的整流器和逆变器的拓扑可以有多种选择，但是如果目的是提高系统冗余和波形质量，那么使用单相H-桥组成多级变换器是传统上的最佳选择，其基本结构如图2。如果要获得更大的输出电压，在不增加单个开关所承受的电压应力的情况下，采用级联方式是一种很好的方法。传统H桥的级联结构如图3。在传统H桥的级联模式中，在整流侧，通过变压器绕组实现多个整流器的并联，而在逆变侧则采用级联结构。在级联结构中，两个H桥背靠背连接构成一个基本单元，通过图3的方式进行连接。通过这种连接形式，系统输出的总电压被各个单元分担，而在每个单元内部，其半导体开关所承受的电压只取决于单元内直流链的电压，因而每个开关所承受的电压小。由于其输出的电平较多，输出波形形成阶梯波，减少了谐波含量，提高了波形质量。从而不必以提高开关频率，增大开关损耗为代价来提高输出质量。但是对于传统的级联式结构，每个基本单元由8个半导体开关构成，级联的单元越多，电路的复杂程度和成本问题就越突出。

发明内容

本发明的目的就是为在保证供电可靠性的基础上降低UPS的成本，提供一种级联式在线不间断电源，在使用传统级联方法的情况下，改变了基本单元的结构，提高了系统可靠性并降低了成本。