基于部分功率变换器的模块化不间断电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及不间断电源领域，具体是一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源及其控制方法。

背景技术

近年来，大数据、云计算、人工智能以及5G等技术飞速发展，全球数据计算和处理规模爆炸式增长。数据中心是数据存储和计算的核心基础设施，因此其规模和数量也随之快速增长。截止到2021年，全球数据中心总耗电量接近320TWh，占全球总用电量的1.3％；预测到2030年，全球数据中心总耗电量将占全球总用电量的8％。在此背景下，数据中心节能降耗、能效提升已成为世界各国密切关注的问题。

在数据中心中，供配电系统耗电量占数据中心总耗电量的比值约为12％，位居第三。其中，不间断电源又是数据中心供配电系统耗电量的主体，因此提升不间断电源的能效将有助于提升数据中心整体能效。传统不间断电源中，通常采用AC/DC变换器和DC/AC变换器连接主电源、后备电池和负载，结构复杂，多级电能变换损耗大、效率低。针对传统不间断电源存在的问题，进一步提出仅包含AC/DC变换器的模块化不间断电源方案，减少了电能变换环节，利于提升系统效率，同时有助于提升不间断电源的可靠性。在直流电网和直流储能技术的快速发展下，基于DC/DC变换器的直流不间断电源也随之产生。但是现有的基于DC/DC变换器的直流不间断电源通常由后备电池和DC/DC变换器构成，与直流负载相对独立，缺少适用于数据中心的分布式、模块化结构；此外，现有基于DC/DC变换器的直流不间断电源中，变换器均采用传统的全功率变换器，也就是变换器流过需要处理的全部功率，基于全功率变换器的不间断电源损耗仍然比较大，经济性相对较差，这是阻碍数据中心能效进一步提升的重要因素之一。

发明内容

为了解决现有基于全功率变换器的直流不间断电源存在模块化程度不足、处理功率多、损耗大的问题，本发明提出了一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源及其控制方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源，其特征在于：由部分功率变换器、后备电池、连接主电源的直流母线和直流负载通过紧凑连接构成，其中部分功率变换器由双有源全桥DC/DC变换器、电感L

一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源控制方法，是基于上述的一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源实现的，该方法包括以下三部分：

(1)后备电池恒流充电控制：其控制目标是在主电源正常运行时实现后备电池恒流充电。在基于部分功率变换器的模块化不间断电源中，直流负载电流I

(2)负载恒压控制：其控制目标是在主电源异常退出运行时，控制后备电池能够向直流负载放电并维持直流负载电压的稳定。设定直流负载电压参考值为V

(3)后备电池恒流充电控制和负载恒压控制切换指令：用于实现上述后备电池恒流充电控制和负载恒压控制的切换。后备电池恒流充电控制和负载恒压控制的选择取决于主电源、直流负载和后备电池三者的运行/退出状态(主电源状态为S

无论是在后备电池恒流充电控制还是负载恒压控制下，不间断电源中部分功率变换器处理的功率总为直流负载功率和后备电池功率之和的一部分，具体为：

其中，F

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过设计新的特殊连接方式，将传统只有二端口的双有源DC/DC变换器改进为可提供三端口的部分功率变换器，相比于传统需要两台DC/DC变换器连接直流母线、后备电池和直流负载的不间断电源，本发明仅利用一台所设计的部分功率变换器就可实现直流母线、后备电池和直流负载三者的紧凑连接，不仅简化了不间断电源结构，而且实现了不间断电源的模块化，有利于提升不间断电源的可靠性以及分布式布置和扩展的灵活性。

(2)传统直流不间断电源中，负载和电源相对独立，也就是均直挂在直流母线上，不利于进行扩展连接。本发明将主电源、后备电池和直流负载通过部分功率变换器集成为一个模块，结构更加紧凑，这种模块化的结构更有利于分布式应用，想接多少个直接以模块为单位接入即可，能实现即插即用。

(3)本发明不间断电源中，由于变换器只处理部分功率而非模块的全部功率，因此能够降低不间断电源的损耗、提升不间断电源的运行效率，有利于提升数据中心整体能效；变换器只处理部分功率而非模块的全部功率，可以降低对变换器组成元件额定参数的需求，节约设备成本，提升不间断电源的经济性。

(4)本发明由后备电池恒流充电控制、负载恒压控制以及这两种控制切换指令三部分共同构成的不间断电源控制方法，使不间断电源在并网模式、孤岛模式、电池退出运行模式和负载退出运行模式四种不同模式下变换器传输功率始终为后备电池功率和直流负载功率之和的一部分，即通过减小变换器传输功率来降低变换器传输损耗，帮助提升不间断电源系统能效。四种不同运行模式之间的灵活切换运行，不仅简化了不间断电源的控制，也提升了不间断电源的运行灵活性和不同运行工况的适应性

(5)本发明部分功率变换器主要是针对不间断电源提出，适用于不间断电源场景具有特殊性和新颖性，目前不间断电源方面并没有基于部分功率变换器的相关技术。

附图说明

图1为本发明的一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源拓扑结构图。

图2为本发明的一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源控制方法原理图。

图3为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在并网模式下的功率流向示意图。

图4为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在孤岛模式下的功率流向示意图。

图5为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在电池退出运行模式下的功率流向示意图。

图6为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在负载退出运行模式下的功率流向示意图。

图7为部分功率系数曲线图。

图8为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在并网模式和孤岛模式进行灵活切换的实验波形；其中，(a)为直流母线、负载、后备电池电压在切换实验过程中的变化图；(b)为直流母线、负载、后备电池电流在切换实验过程中的变化图；(c)为部分功率变换器电流在切换实验过程中的变化图；(d)为直流母线、负载、后备电池功率在切换实验过程中的变化图；(e)为部分功率变换器传输功率在切换实验过程中的变化图；(f)为部分功率系数在切换实验过程中的变化图。

图9为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在并网模式和电池退出运行模式进行灵活切换的实验波形；其中，(a)为直流母线、负载、后备电池电压在切换实验过程中的变化图；(b)为直流母线、负载、后备电池电流在切换实验过程中的变化图；(c)为部分功率变换器电流在切换实验过程中的变化图；(d)为直流母线、负载、后备电池功率在切换实验过程中的变化图；(e)为部分功率变换器传输功率在切换实验过程中的变化图；(f)为部分功率系数在切换实验过程中的变化图。

图10为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在并网模式和负载退出运行模式进行灵活切换的实验波形；其中，(a)为直流母线、负载、后备电池电压在切换实验过程中的变化图；(b)为直流母线、负载、后备电池电流在切换实验过程中的变化图；(c)为部分功率变换器电流在切换实验过程中的变化图；(d)为直流母线、负载、后备电池功率在切换实验过程中的变化图；(e)为部分功率变换器传输功率在切换实验过程中的变化图；(f)为部分功率系数在切换实验过程中的变化图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源，如图1所示，由部分功率变换器、后备电池、连接主电源的直流母线和直流负载通过紧凑连接构成并且可以提供三端口，其中部分功率变换器由双有源全桥DC/DC变换器、电感L

连接主电源的直流母线、后备电池和直流负载三者通过部分功率变换器紧凑地构成一个不间断电源模块，主电源正常运行时通过部分功率变换器同时为后备电池充电和为负载供电，主电源异常退出运行时由后备电池经过部分功率变换器为负载提供不间断供电。

一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源的控制方法，如图2所示，是基于上述的一种基于部分功率变换器的模块化不间断电源实现的，该方法包括以下三部分：

(1)后备电池恒流充电控制：其控制目标是在主电源正常运行时实现后备电池恒流充电。在基于部分功率变换器的模块化不间断电源中，直流负载电流I

(2)负载恒压控制：其控制目标是在主电源异常退出运行时，控制后备电池能够向直流负载放电并维持直流负载电压的稳定。设定直流负载电压参考值为V

(3)后备电池恒流充电控制和负载恒压控制切换指令：用于实现上述后备电池恒流充电控制和负载恒压控制的切换。后备电池恒流充电控制和负载恒压控制的选择取决于主电源、直流负载和后备电池三者的运行/退出状态(主电源状态为S

无论是在后备电池恒流充电控制还是负载恒压控制下，不间断电源中部分功率变换器处理的功率总为直流负载功率和后备电池功率之和的一部分，如图7所示，具体为：

其中，F

本发明中部分功率系数越小越好，当直流负载电流I

如图8所示，为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在并网模式和孤岛模式进行灵活切换的实验波形。①阶段一(t＝0～1s)：所有元件均投入运行，不间断电源运行在并网模式。直流母线电压V

如图9所示，为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在并网模式和电池退出运行模式进行灵活切换的实验波形。①阶段一(t＝0～1s)：初始状态下，不间断电源运行在并网模式，与图8阶段一类似因此不再赘述。②阶段二(t＝1～2s)：开关S

如图10所示，为基于部分功率变换器的模块化不间断电源在并网模式和负载退出运行模式进行灵活切换的实验波形。①阶段一(t＝0～1s)：初始状态下，不间断电源运行在并网模式，不再赘述。②阶段二(t＝1～2s)：开关S

本发明未述及之处适用于现有技术。