專利名稱：電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明背景本發(fā)明一般涉及電源系統(tǒng)，特別涉及到一種加入冗余，輔助電源的電源系統(tǒng)，從而為臨界負荷提供高可靠性電源。電子數(shù)據(jù)處理(EDP)是當(dāng)前商業(yè)應(yīng)用中重要性不斷增張的一個部分。計算機被用在現(xiàn)代商業(yè)中的各個方面，包括進行交易，控制生產(chǎn)以及數(shù)據(jù)維護。如果計算機出現(xiàn)停機，將使某些商業(yè)按照每分鐘上百萬美元的數(shù)量遭受損失。
計算機故障的已知原因是計算機電源發(fā)生斷路。用于EDP的計算機對電源斷路非常敏感而且甚至一個短暫的斷路或故障都可能引起計算機故障。

圖1為計算機商用設(shè)備廠家協(xié)會(CBEMA)的曲線圖形，這已被電子和電氣工程協(xié)會(IEEE)采用作為446-1987標(biāo)準，該標(biāo)準表示計算機可以忍受半個周期或8.3ms的電源故障。采用現(xiàn)有公用電網(wǎng)(工業(yè)電源)的電源無法滿足現(xiàn)代計算機設(shè)備較高的供電可靠性需要。運行且依賴于電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備的商業(yè)無法靠產(chǎn)生次數(shù)多而且時間長的故障的工業(yè)電源。因此需要高性能的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明綜述現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點以及其他不足都由本發(fā)明得到了克服或減弱。本發(fā)明實施例的一個示例是將電源提供給臨界負荷的電源系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括第一電源，該電源產(chǎn)生足夠功率以供給臨界負荷和與所述第一電源獨立的第二電源。本系統(tǒng)還包括一個旋轉(zhuǎn)裝置，該裝置具有第一電源輸入電路和第二電源輸入電路。第二電源與旋轉(zhuǎn)裝置在第二電源輸入電路處耦合。轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇性地將第一電源與第一電源輸入電路和第二電源輸入電路相耦合。
本領(lǐng)域技術(shù)熟練人從下面詳細說明和附圖中，可以意識并理解本發(fā)明的上述特性及其他優(yōu)點。
附圖簡要說明參考附圖，每幅圖中的組成和標(biāo)號都是一致的。
圖1是說明現(xiàn)代計算機設(shè)備電源可靠性需求的示意圖。
圖2為包括本發(fā)明組成的電源系統(tǒng)的框圖。
圖3為圖2電源系統(tǒng)局部框圖。
圖4為包括本發(fā)明組成的電源系統(tǒng)的框圖。
圖5為包括本發(fā)明組成的電源系統(tǒng)的框圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的另一個電源框圖。
較佳實施例說明圖2為本發(fā)明示例性實施例中電源系統(tǒng)框圖。參考圖2對本發(fā)明的組成進行說明。應(yīng)該理解的是圖2僅僅是一種示例性結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用以電源102,104,106和108形式的備用電源以及次級電源系統(tǒng)110。次級電源系統(tǒng)110還包括另一個電源，例如公用電力線，發(fā)電機，電池等等。次級電源系統(tǒng)110還包括燃料電池。次級電源系統(tǒng)110供給配電盤111或C總線。電源102,104,106和108可以是燃料電池，例如Onsi公司的PC25。雖然圖2將燃料電池描述為電源102,104,106和108，應(yīng)該理解到的是，本發(fā)明并非僅限于燃料電池，還可以采用其他電源。但是，采用燃料電池的優(yōu)點是燃料電池以發(fā)熱作為副產(chǎn)品，該副產(chǎn)品可以被消費者用以支付其他費用。圖2所示實施例設(shè)計為臨界負荷需求為350kw時所用。燃料電池102和104可以通過第一或A總線提供整個臨界負荷。燃料電池106和108提供電源給第二或B總線，如果需要，其同樣也可以提供給整個臨界負荷。(即，如果A總線處于非運行狀況)。
C總線與A總線和B總線相聯(lián)接，例如C總線作為A總線和B總線的備用的附加級。C總線還通過顧客所希望和需要的許多方法提供給A總線和B總線負荷。這些方法包括但不限于(1)直接連接到A總線或B總線自動轉(zhuǎn)換開關(guān)或旋轉(zhuǎn)裝置的次級或第三電源電極。(2)在負荷附近直接聯(lián)接到顧客提供的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的次級或第三電源電極。(3)由具有B總線作為較佳電源的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)和C總線作為其次級電源的輸出，通過A總線自動轉(zhuǎn)換開關(guān)或旋轉(zhuǎn)裝置的次級電源電極，(4)由具有兩種或多種電力設(shè)備或其他電源作為其輸入的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出，通過A總線自動轉(zhuǎn)換開關(guān)或旋轉(zhuǎn)裝置的次級或第三電源電極，以及(5)自動直接傳送到A總線或B總線。
該系統(tǒng)還包括四個按照不間斷電力系統(tǒng)(UPS)形式的旋轉(zhuǎn)裝置116,118,120和122。適當(dāng)?shù)腢PS是Piller的銷售的Uniblock-Ⅱ品牌。每個UPS包括一個電動機-發(fā)電機，用來將AC電源提供給臨界負荷114。每個UPS包括標(biāo)貼為AC輸入1和AC輸入2的兩個輸入。轉(zhuǎn)換開關(guān)128用以控制電源(例如102)，電力設(shè)備/發(fā)電機系統(tǒng)110和旋轉(zhuǎn)裝置116之間的功率通量。多種運行模式過程中的功率通量參考附圖3進行說明。
由于燃料電池在檢測出電源故障具有間斷的特性，旋轉(zhuǎn)裝置用于穩(wěn)定波動，消除故障并防止燃料電池間斷。值得注意的是，UPS并非是用以提高電壓穩(wěn)定性的旋轉(zhuǎn)裝置唯一的一種類型。與旋轉(zhuǎn)機械不同，商用的燃料電池電源模塊沒有慣性且在控制動作僅限于由輸出磁鐵內(nèi)電感存儲而產(chǎn)生后，電流幾乎立即停止。為了克服這種不足，該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)裝置。一種旋轉(zhuǎn)裝置是任何旋轉(zhuǎn)UPS，電動機發(fā)生器，電動機，同步蓄電器，慣性輪，以及其他為進行存儲和放電有功功率或無功功率提供慣性的裝置。運行過程中，使旋轉(zhuǎn)裝置的電源起落與流量與電力需求和電源供給協(xié)調(diào)以穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。
在特定條件下，附加旋轉(zhuǎn)裝置可以用來提供電源。如圖2所示，旋轉(zhuǎn)裝置152通過開關(guān)156與UPS116和UPS118相連。旋轉(zhuǎn)裝置154通過開關(guān)158與UPS120和UPS122相連。示例性實施例中，旋轉(zhuǎn)裝置152和154都是慣性輪，例如Piller銷售的Powerbridge慣性輪。慣性輪152和154如所示連接到AC輸入1，且還連接到AC輸入2。應(yīng)該知道，還可以采用多種旋轉(zhuǎn)裝置。慣性輪或旋轉(zhuǎn)裝置的數(shù)量可以變化，從全部UPS一個旋轉(zhuǎn)裝置到每個UPS一個旋轉(zhuǎn)裝置。最好至少有兩個慣性輪這樣系統(tǒng)組成中還有一些冗余性。附加慣性輪應(yīng)該根據(jù)負荷需要和冗余性所需等級。除慣性輪外的裝置可以用以提供補充功率給UPS(例如發(fā)電機，電池等等)。
詳細說明參考圖3所示，慣性輪152和154將DC電源供給各個UPS在特定位置的倒相器。當(dāng)檢測到C總線上電源故障時，燃料電池102,104,106,108運行以同C總線斷開。如果燃料電池斷開且進入空轉(zhuǎn)狀態(tài)，慣性輪提供功率這樣不會干擾對UPS的供電。如果燃料電池電力下降，慣性輪用以將平穩(wěn)的負荷轉(zhuǎn)換提供回燃料電池。對UPS進行編程以從慣性輪將負荷逐漸傳遞給燃料電池，這樣燃料電池不會受到階躍負荷并與UPS斷開。此外如果是周期負荷，例如壓縮器，開啟，這將會在燃料電池上產(chǎn)生一個使燃料電池斷開的階躍負荷。在這種情況下，慣性輪用以將額外功率提供給UPS，由此防止燃料電池斷開。簡而言之，慣性輪用以提供附加的短期電源以供系統(tǒng)平穩(wěn)運行。
每個UPS的輸出送入平行開關(guān)面板130，在此處來自UPS116和UPS118的電源平行聯(lián)接于A總線，來自UPS120和UPS122的電源平行聯(lián)接于B總線。該系統(tǒng)還包括聯(lián)接斷電器，該斷電器是機電式斷電器裝置，為分攤總線之間的負荷，或在一個電源故障時為通常由分離電源供電的兩個或多個總線提供電源，該斷電器可以將兩個分離的總線聯(lián)接在一起。聯(lián)接斷電器可以被包括在旋轉(zhuǎn)裝置的輸入側(cè)，從而可任選地從兩個分離電源中任一個為旋轉(zhuǎn)裝置供能。聯(lián)接斷電器包括在旋轉(zhuǎn)裝置和自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出側(cè)，以允許在其中一個電源故障時，以允許一個電源向通常由單個電源中的分離電源供電的負荷供能。如圖2所示，聯(lián)接斷電器132將A總線與B總線相連。從平行開關(guān)面板130，電源流向臨界負荷。
本系統(tǒng)中采用的轉(zhuǎn)換開關(guān)可以是機電式的或靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)通常包括硅可控整流器(SCR)。本系統(tǒng)還包括包含保護自動靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)SCR免于受到破壞電流的裝置。包含在商用自動靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)內(nèi)的開關(guān)機構(gòu)SCR較機電轉(zhuǎn)換開關(guān)中的開關(guān)機構(gòu)脆弱。通過自動機電轉(zhuǎn)換開關(guān)的故障電流可以達到使SCR“燒毀”或被破壞的量值。自動靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)在SCR受到破壞的情況下，無法按照系統(tǒng)設(shè)計時所希望的那樣，在其電源之間或在其電源中起到傳輸負荷的作用。本系統(tǒng)還加入限流裝置，例如在適當(dāng)位置的保險絲和電抗器，以防止流過自動靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的故障電流達到破壞SCR的水平。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，旋轉(zhuǎn)裝置還可以位于自動靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的下游位置，以防止故障電流流過開關(guān)。
本系統(tǒng)還包括一個監(jiān)視器/管理器，以進行本地和遠程監(jiān)視情況和性能，指令系統(tǒng)功能，改變允許參數(shù)，事件存檔操作，實施系統(tǒng)診斷和設(shè)置廣播報警。監(jiān)視器/管理器在系統(tǒng)操作員和控制者之間，為燃料電池電源模塊自動靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)和旋轉(zhuǎn)裝置提供雙向通信。系統(tǒng)操作員通過監(jiān)視器/管理器本地或遠程地發(fā)出對燃料電池電源模塊，自動靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)裝置的工作參數(shù)進行改變的指令。進行了邏輯編程的監(jiān)視器/管理器還可以自動發(fā)出指令實現(xiàn)這樣的變化。本系統(tǒng)控制方案是監(jiān)視器/管理器的故障不會擾亂流向臨界負荷的電流。監(jiān)視器/管理器為顧客提供“瀏覽窗”以監(jiān)視系統(tǒng)運行。
圖3為圖2電源系統(tǒng)局部框圖。多模式下電源系統(tǒng)的運行參考圖3進行說明。圖3給出了一個電源102，一個轉(zhuǎn)換開關(guān)128，一個UPS116和一個慣性輪152。應(yīng)該理解到，系統(tǒng)內(nèi)其他組成的運行可參考如3所示的系統(tǒng)局部進行說明。
為節(jié)約起見，在公用電網(wǎng)運行時，電源102設(shè)定為在電網(wǎng)聯(lián)接方式下運行。在電網(wǎng)聯(lián)接方式下，斷電器B1和B2緊鄰，電源102經(jīng)開關(guān)面板111處的聯(lián)接，產(chǎn)生與公用電網(wǎng)同步的AC電源。UPS電動機-發(fā)電機170產(chǎn)生的電源從電源102經(jīng)AC輸入2流向半導(dǎo)體開關(guān)元件172。電源102產(chǎn)生的電力超過UPS116的需要，通過開關(guān)面板111處的聯(lián)接為其他構(gòu)成負荷供能。這就在不管UPS116電源需要的情況下，允許電源102在全功率下運行。通過低成本的功率電源替代相反由非臨界構(gòu)成負荷所消耗的高成本的公用電力電源，電源102在全功率下運行提高了用戶的經(jīng)濟狀況。
轉(zhuǎn)換開關(guān)128與開關(guān)KMFC設(shè)定為關(guān)閉，與轉(zhuǎn)換開關(guān)KMMG設(shè)定為開啟，這樣允許電源102產(chǎn)生的電源可以流到AC輸入1為電動機-發(fā)電機170供能。在電源以公用電網(wǎng)聯(lián)接方式運行過程中，AC輸入1整流器174和倒相器176處于待命狀態(tài)。在半導(dǎo)體開關(guān)元件172關(guān)閉之前，電源將不會通過AC輸入1流向電動機-發(fā)電機170。電動機-發(fā)電機170為慣性輪152提供功率。公用電網(wǎng)聯(lián)接方式下，任何備用發(fā)電機都處于非運行狀態(tài)。
如果公用電網(wǎng)電源發(fā)生故障，半導(dǎo)體開關(guān)元件172關(guān)閉，開關(guān)B2開啟，中斷公用電網(wǎng)運行的聯(lián)接方式，并使電源102向AC輸入2的供能停止。B2開啟時，電源102設(shè)定為工作在與公用電網(wǎng)無關(guān)的工作方式。這種方式的轉(zhuǎn)換要求電源102中斷電力產(chǎn)生，最終導(dǎo)致開關(guān)KMFC和AC輸入1的電壓失落持續(xù)達到5秒鐘。在過渡過程中，AC輸入1倒相器176激活使慣性輪152為電動機-發(fā)電機170供能。電源102又開始產(chǎn)生電力時，電壓返回到AC輸入1，整流器174啟動。電動機-發(fā)電機170的電源按照預(yù)定的上升速率，從慣性輪152傳輸給電源102。如果不穩(wěn)定的電源在開關(guān)面板111上又重新建立電壓，電壓102將不會轉(zhuǎn)換到公用電網(wǎng)聯(lián)接方式，只是繼續(xù)以獨立于公用電網(wǎng)方式運行，通過整流器174/倒相器176通路為電動機-發(fā)電機170供能，同時半導(dǎo)體開關(guān)元件172保持關(guān)閉。在獨立于公用電網(wǎng)方式下，電壓102電力降低，以滿足電動機-發(fā)電機170的電源需要，產(chǎn)生電力的電源102不會向其他構(gòu)成負荷供能。在獨立于公用電網(wǎng)方式下，UPS單元116,118,120和122通過整流器174和倒相器176元件被同步。按此方式，UPS單元116,118,120和122的輸出都可以并聯(lián)。
在電網(wǎng)獨立于公用方式下運行的過程中，如果電動機-發(fā)電機170經(jīng)過了一個比預(yù)定尺寸大的階躍負荷，慣性輪152成為電動機-發(fā)電機170的電源。電動機-發(fā)電機170的電源功率按照預(yù)定的上升速率從慣性輪152傳遞到電源120。因此，電源102并不會受到突加的階躍負荷的影響。
在電源102恢復(fù)公用電網(wǎng)聯(lián)接方式之前，要進行三件事。首先，在開關(guān)面板上重建公用電網(wǎng)電壓。其次，關(guān)閉任何備用發(fā)電機。最后，對慣性輪152進行再充電。此時，電源102對公用電力饋電進行監(jiān)控以保證穩(wěn)定性。在確定了公用電網(wǎng)電壓穩(wěn)定一段時間后，電源102轉(zhuǎn)換到恢復(fù)公用電網(wǎng)聯(lián)接的運行方式。這種轉(zhuǎn)換要求電源102中斷產(chǎn)生持續(xù)5秒鐘。如果檢測出整流器的電壓失落，整流器174變?yōu)閭溆脿顟B(tài)。如果此時電動機-發(fā)電機170的輸出與公用電網(wǎng)并不同步，倒相器176將保持運行狀態(tài)，以使慣性輪152在出現(xiàn)同步以前，為電動機-發(fā)電機供能。一旦同步后，半導(dǎo)體開關(guān)元件172開啟同時AC輸入1倒相器176進入待命狀態(tài)，在轉(zhuǎn)換過程中使公用電網(wǎng)為電動機-發(fā)電機170供能。電動機-發(fā)電機170開始使慣性輪152再充電。如果電源102準備為公用電網(wǎng)聯(lián)接運行，B2關(guān)閉，電源102上升到其最大輸出值，成為電動機-發(fā)電機170的電源。
如果公用電網(wǎng)電壓在轉(zhuǎn)換到公用電網(wǎng)聯(lián)接運行方式過程中出現(xiàn)干擾，電源102將重構(gòu)為獨立于公用電網(wǎng)而運行。隨著AC輸入2上的電力失落，晶體管172關(guān)閉，AC輸入1倒相器176啟動，同時慣性輪152為電動機-發(fā)電機170供能。如果電源102提供的電壓恢復(fù)到AC輸入1整流器174，整流器174啟動，電動機-發(fā)電機170的功率從慣性輪152上升到電源102。電動機-發(fā)電機170使慣性輪152重充電。
不論電源102何時關(guān)閉或斷電器B2何時開啟，從電源102的電流都停止。在開關(guān)面板111處，電源102到AC輸入2的損失立即由備用的公用電網(wǎng)電源替代。開啟B1和B2中斷開關(guān)KMFC上的電壓導(dǎo)致計時器向下計數(shù)。如果電源102在預(yù)置的幾秒鐘內(nèi)沒有恢復(fù)開關(guān)KMFC的電壓，KMFC開啟而KMMG關(guān)閉由此將AC輸入1與備用電源相連。這樣也隔離了電源102。AC輸入1整流器174和倒相器176保持備用狀態(tài)，電動機-發(fā)電機170繼續(xù)通過半導(dǎo)體開關(guān)元件172被供電。
當(dāng)電源102是離線時，如果公用電網(wǎng)故障，半導(dǎo)體開關(guān)元件172關(guān)閉，AC輸入1倒相器176啟動允許慣性輪152為電動機-發(fā)電機170供能。倘若慣性輪152存儲的能量在恢復(fù)公用電力之前就耗盡，除非另一個電源在開關(guān)面板111處成為在線，否則電動機-發(fā)電機170將關(guān)閉。如果不穩(wěn)定電壓源在AC輸入2上檢測出來，整流器174啟動以通過整流器174/倒相器176向電動機-發(fā)電機170給電。電動機-發(fā)電機170開始重新對慣性輪152充電，否則，電動機-發(fā)電機170由AC輸入2被供電。電壓102，轉(zhuǎn)換開關(guān)128，UPS11和慣性輪152的組合可以認為是一個電源模塊。在用作離線電源過程中公用電網(wǎng)發(fā)生故障時，采用冗余的電源模塊(例如圖2所示)就消除了對非公用電力電源的需要。
如上所述，所示例的電源系統(tǒng)可以無限地獨立于公用電網(wǎng)而運行。商用的燃料電池模塊是為長時間，獨立于公用電網(wǎng)運行而設(shè)計的。按照由當(dāng)?shù)靥烊粴夥植脊咎峁┑莫毩⑷哂嘈问?，或根?jù)另一種燃料電池存儲的位置，天然氣的冗余資源在天然氣正常供給下提供了任意的干擾。本系統(tǒng)組成都是為20年或20年以上的經(jīng)濟壽命而設(shè)計的使用等級。本系統(tǒng)的模塊化可以在不干擾流向臨界負荷的電流的情況下，實現(xiàn)維修，分解檢查，升級和擴展。
所示例的電源系統(tǒng)也沒有單個故障點。本系統(tǒng)設(shè)定為如果任何燃料電池電源模塊出現(xiàn)故障，自動轉(zhuǎn)換開關(guān)或旋轉(zhuǎn)裝置將不會干擾流向臨界負荷的電流。多余的燃料電池電源模塊包括B總線。在不包括B總線的結(jié)構(gòu)中，多余的燃料電池電源模塊包含在A總線內(nèi)。某些結(jié)構(gòu)同時包含了沿B總線和A總線上的任意燃料電池模塊。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)和旋轉(zhuǎn)裝置具有冗余電源通路。系統(tǒng)控制器通常都有冗余的處理器和電源。如果自動轉(zhuǎn)換開關(guān)或旋轉(zhuǎn)裝置故障，聯(lián)接斷電器在總線之間提供共享電源。自動轉(zhuǎn)換裝置和旋轉(zhuǎn)裝置可以包含旁通電路，當(dāng)開關(guān)和旋轉(zhuǎn)裝置離線時，直接提供燃料電池電源給負荷。
所示例的電源系統(tǒng)使系統(tǒng)內(nèi)所有電源頻率與公共參考電源同步。所有系統(tǒng)電源的電輸出可以是同頻率，同幅度，同相位，從而可以在不干擾負荷的情況下，實現(xiàn)電源間的快速切換。燃料電池電源模塊，旋轉(zhuǎn)裝置和自動轉(zhuǎn)換開關(guān)都含有可以使系統(tǒng)與單個參考電源同步的同步電路。如果公用電網(wǎng)與系統(tǒng)相連，系統(tǒng)與公用電力設(shè)備同步。如果公用電力設(shè)備故障，由次級參考信號替代。如果公用電力服務(wù)得到恢復(fù)，很可能不與次級參考電源同步。如果出現(xiàn)這種情況，電源模塊逐漸調(diào)整其輸出的相位和幅值以同新的公用電源相匹配。如果公用電網(wǎng)并未與系統(tǒng)聯(lián)接，發(fā)送參考信號的單獨裝置就被加入到系統(tǒng)中。
電源與公用電網(wǎng)相連的一個優(yōu)點是不被臨界負荷消耗的電源(例如燃料電池)產(chǎn)生的能量直接給予與公用電網(wǎng)耦合的非臨界負荷。由此，用戶可以高于臨界負荷的需要來對電源實行操作，同時產(chǎn)生剩余電力以取代公用電網(wǎng)的電力。
所示例的電源系統(tǒng)還可以自治地運行。正常運行時不需要人的介入。如果電源需要超出了單個燃料電池電源模塊的額定容量，負荷可能滿足下面兩種方法中一種或兩種的組合1〕在單個總線上將多個燃料電池模塊的輸出進行并聯(lián)，以在單元間分享負荷；或2〕將由燃料電池單獨供能的多個旋轉(zhuǎn)裝置的輸出進行并聯(lián)。
所示例的電源系統(tǒng)防止故障引起燃料電池電源模塊進入閑置狀態(tài)，由此會有效地切斷電源產(chǎn)生。燃料電池電源模塊的控制系統(tǒng)設(shè)計為保護燃料電池倒相器免遭由下游故障引起的電流超負荷造成的損壞。商用燃料電池電源模塊無法提供足夠的故障電流以清除斷電器。如果控制器檢查出故障引起電流上升超出了倒相器參數(shù)，它將該單元與負荷斷開，同時開始轉(zhuǎn)換為閑置方式。在通過燃料電池電源模塊的系統(tǒng)下游的適當(dāng)位置加入旋轉(zhuǎn)裝置以提供故障電流，由此防止燃料電池電源模塊出現(xiàn)故障情況。
所示例的電源系統(tǒng)防止階躍負荷和過負荷引起燃料電池電源模塊進入閑置方式，由此有效地切斷電力產(chǎn)生。燃料電池電源模塊的控制系統(tǒng)設(shè)計為保護電池堆棧出現(xiàn)引起電池堆棧損壞的情況。如果控制器檢測出由于階躍負荷或過載造成電壓塌落，它將該單元與負荷斷開，同時開始轉(zhuǎn)換為閑置方式。商用燃料電池電源模塊上的燃料和供氣閥門無法預(yù)見階躍負荷。商用燃料電池電源模塊無法承載高于額定容量110％的過負荷，也不能承載大于5秒鐘的過負荷。階躍負荷和過負荷強迫電池堆棧產(chǎn)生坍塌電壓。在系統(tǒng)內(nèi)的適當(dāng)位置加入慣性輪以為調(diào)整在線階躍負荷的相位提供電源，由此允許燃料和氣閥進行校準以設(shè)定適當(dāng)?shù)呢摵煞乐箶嗦?。慣性輪與旋轉(zhuǎn)UPS結(jié)合，以承載比額定容量高150％的過負荷達兩分鐘，這樣允許過負荷向另一種電源的正常轉(zhuǎn)換。
所示例的電源系統(tǒng)防止暫態(tài)過負荷引起容量電池電源模塊進入空置方式，由此有效地切斷電力產(chǎn)生。燃料電池電源模塊的控制系統(tǒng)設(shè)計成保護燃料電池免于出現(xiàn)可能破壞倒相器的暫態(tài)過負荷。如果控制器檢測出暫態(tài)過負荷高于額定容量的110％，它就將該單元和負荷斷開，同時開始轉(zhuǎn)換為空置方式。商用燃料電池電源模塊無法承載高于額定容量110％的過負荷，也不能承載任何過負荷達大于5秒鐘。暫態(tài)過負荷可以引起電壓塌落。慣性輪與旋轉(zhuǎn)UPS單元結(jié)合以承載比額定容量高150％的暫態(tài)過負荷達2分鐘。
所示例的電源系統(tǒng)防止負荷不平衡引起燃料電池電源模塊進入空置方式，由此有效地切斷電力產(chǎn)生。額定負荷處10％的單個相位電流失衡以及190％額定電流線比中性線會引起商用燃料電池電源模塊出現(xiàn)失衡過負荷。這種情況會導(dǎo)致燃料電池電源模塊與負荷斷開，且開始轉(zhuǎn)換為閑置狀態(tài)。備選的電動機發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)UPS單元對負荷失衡具有100％容量。這些旋轉(zhuǎn)裝置位于燃料電池電源模塊的下游以防止電源模塊受到負荷失衡的影響。
圖4為另一種含標(biāo)有A1,A2和A3的三個獨立初級總線的電源系統(tǒng)示意圖。每個A總線由一排5個燃料電池供能A1-1到A1-5,A2-1到A2-5,A3-1到A3-5。五個一排的燃料電池按照負荷均分結(jié)構(gòu)并聯(lián)相連。與各個初級總線結(jié)合的旋轉(zhuǎn)裝置是一個同步蓄電器200。負荷分配控制器201與每個總線A1,A2,A3結(jié)合，并對燃料電池提供控制信號以確保適當(dāng)?shù)呢摵煞謸?dān)。次級或B總線由在負荷均分結(jié)構(gòu)中并聯(lián)耦合的7個燃料電池B1-B7供能。負荷分配控制器204與B總線耦合，以提供控制信號給燃料電池確保適當(dāng)?shù)呢摵煞謸?dān)。在將燃料電池B-1到B-7與臨界負荷相隔離的同時，多個電動機發(fā)電機單元202由B總線供能，同時又為非臨界負荷提供功率。系統(tǒng)的監(jiān)控器/管理器150也參照圖2所述提供并起到同樣的作用。公用電力電源為C總線供能。慣性輪212與C總線相連以為電壓跌落的電源提供動力(ride)。一串靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)D1,D2,D3選擇適當(dāng)?shù)碾娫词沟门R界負荷接收不間斷電源。
如圖4所示，次級或B總線作為A總線的備用。如果沒有向臨界負荷提供功率，B總線可以通過一個或多個用戶輸送器向其他設(shè)備負荷(非臨界負荷)供電。通常，B總線輸送器由自動轉(zhuǎn)換開關(guān)與B總線相連。但是，B總線可以根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和用戶需要采用一個或多個旋轉(zhuǎn)裝置。B總線還可以根據(jù)用戶所需進行分組或分段。通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)D1-D3上的次級電源極或類似旋轉(zhuǎn)UPS一樣的旋轉(zhuǎn)裝置，B總線可以與臨界負荷聯(lián)接。同步蓄電器也可以定位于自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出上。
為了加入附加冗余，要為燃料電池提供兩個天然氣的來源。公用天然氣源208和第二個本機天然氣存儲裝置210都用以提供備用的天然氣給燃料電池。
所示例的電源系統(tǒng)防止了燃料電池電源模塊的級聯(lián)失敗。A總線的分段加上隔離B總線和C總線使電池產(chǎn)生了級聯(lián)失敗。某些結(jié)構(gòu)中，對自動轉(zhuǎn)換開關(guān)進行編程以不傳遞故障。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，電動機發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)UPS單元都可以用以將負荷與其他部分隔離開來。電動機發(fā)電機單元和旋轉(zhuǎn)UPS單元還將燃料電池電源模塊與負荷相分離開來。將燃料電池電源模塊與可能引起電源模塊故障或轉(zhuǎn)換為空置方式事件相隔離，從而防止了級聯(lián)失敗。
圖5為包括本發(fā)明組成的另一種電源系統(tǒng)示意圖。如圖5所示，初級或A總線包括8個單獨的電源(例如燃料電池)。每個電源301-308與類似Piller銷售的UPS旋轉(zhuǎn)裝置311-318相連。次級或B總線由并聯(lián)的三個電源321-323構(gòu)成，并由負荷分配控制器324控制。公用電力線330提供給C總線。慣性輪340連接到C總線。
B總線和C總線與自動轉(zhuǎn)換開關(guān)A1-A8的不同電極相連。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)A1-A8在B總線和C總線之間選取較佳電源，提供給旋轉(zhuǎn)裝置311-318。各個旋轉(zhuǎn)裝置311-318的輸出耦合到8個臨界負荷CB1-CB8中之一。對旋轉(zhuǎn)裝置編程以優(yōu)選A總線電源301-308。B總線和C總線還聯(lián)接到將電源引向其他負荷的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)B1和B2的不同電極。與負載342相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)裝置是同步蓄電器344。圖5所示的系統(tǒng)是采用冗余電源，旋轉(zhuǎn)裝置和自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的電源系統(tǒng)的另一個示例，以向臨界負荷提供安全可靠的電源。
圖2,4,5表示冗余電源，旋轉(zhuǎn)裝置和自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的各種結(jié)構(gòu)，旨在提供一個高可靠性的電源系統(tǒng)。初級和次級總線結(jié)構(gòu)和類型，尺寸和電源數(shù)，旋轉(zhuǎn)裝置和自動轉(zhuǎn)換開關(guān)都取決于負荷大小，所需輸送器個數(shù)，以及用戶要求的系統(tǒng)工作效率(即用戶要求電源達到怎樣的可靠性)。
圖6為按照本發(fā)明的另一個燃料電池500的示意圖。燃料電池500區(qū)別于傳統(tǒng)燃料電池的地方在其輸出部分510。輸出部分510包括一個為旋轉(zhuǎn)電動機一發(fā)電機514提供輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器512。DC-DC轉(zhuǎn)換器512可以采用一個DC-DC電動機實現(xiàn)。燃料電池堆棧電壓隨負荷增加而降低。DC-DC轉(zhuǎn)換器512設(shè)計為電動機發(fā)電機514上的負荷變化時仍保持恒定電壓。電動機發(fā)電機514產(chǎn)生一個AC輸出，為分配負荷并允許燃料電池500容易實現(xiàn)并聯(lián)。傳統(tǒng)的燃料電池不采用復(fù)雜的負荷分配控制器就無法實現(xiàn)并聯(lián)。在不需要復(fù)雜的負荷分配控制器的情況下，燃料電池500的輸出可以與其他類似的燃料電池相并聯(lián)。此外，鑒于電動機一發(fā)電機514能夠產(chǎn)生故障清除電流，燃料電池500在檢測出故障時不必與系統(tǒng)斷開。電動機發(fā)電機514將燃料電池500與有害電流相隔離。另一個實施例中，電動機一發(fā)電機514包括為接收附加電源的第二個輸入。
在給出并說明較佳實施例的同時，在與本發(fā)明精神和范圍不相背離的前提下，另外還可以做出各種改進和替代。因此，應(yīng)該理解到本發(fā)明可以根據(jù)圖示說明但不受此限制。
權(quán)利要求
1．一種提供功率給臨界負荷的電源系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)包括一個第一電源，產(chǎn)生足夠的功率提供給臨界負荷；一個第二電源，獨立于所述的第一電源，所述第二電源產(chǎn)生足夠的功率提供給臨界負荷；一個旋轉(zhuǎn)裝置，其具有一個初級電源輸入電路和一個次級電源輸入電路；所述第二電源與所述旋轉(zhuǎn)裝置在所述次級電源輸入電路處耦合；以及一個轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于選擇性將所述第一電源與所述初級電源輸入電路和所述次級電源輸入電路相耦合。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征是，所述第一電源包括一個燃料電池和所述第二電源是公用電網(wǎng)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征是，所述第二電源包括一個現(xiàn)場發(fā)電機。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征是，所述第二電源包括一個燃料電池。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征是，所述旋轉(zhuǎn)裝置包括一個電動機一發(fā)電機。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征是，所述旋轉(zhuǎn)裝置包括一個旋轉(zhuǎn)蓄電器。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征是，第三電源與所述旋轉(zhuǎn)裝置耦合。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源系統(tǒng)，其特征是，在第一電源輸入電路處，所述第三電源與所述第一電源并聯(lián)。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源系統(tǒng)，其特征是，在第二電源輸入電路處，所述第三電源與所述第二電源并聯(lián)。
10．根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源系統(tǒng)，其特征是，所述第三電源包括一個慣性輪。
11．根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源系統(tǒng)，其特征是，所述第三電源包括發(fā)電機。
12．根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源系統(tǒng)，其特征是，所述第三電源包括蓄電電池。
13．一種向臨界負荷提供功率的電源系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)包括一個第一電源模塊包括一個第一電源，產(chǎn)生足夠功率供給臨界負荷；一個第二電源，獨立于所述第一電源，所述第二電源產(chǎn)生足夠功率提供給臨界負荷；一個旋轉(zhuǎn)裝置，其具有一個初級電源輸入電路和一個次級電源輸入電路；在所述次級電源輸入電路處，所述第二電源與所述旋轉(zhuǎn)裝置相耦合；以及一個轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇性將所述第一電源與所述初級電源輸入電路和所述次級電源輸入電路相耦合；以及一個第二電源模塊包括一個第一電源，產(chǎn)生足夠功率供給臨界負荷；一個第二電源，獨立于所述第一電源，所述第二電源產(chǎn)生足夠功率供給臨界負荷；一個旋轉(zhuǎn)裝置，其具有一個初級電源輸入電路和一個次級電源輸入電路；所述第二電源在所述次級電源輸入電路處耦合到所述旋轉(zhuǎn)裝置；以及一個轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇性將所述第一電源與所述初級電源輸入電路和所述次級電源輸入電路相耦合。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源系統(tǒng)，其特征是，進一步包括一個公用總線，與所述第一電源模塊的輸出耦合，又與所述第二電源模塊的輸出耦合。
15．根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源系統(tǒng)，其特征是，進一步包括一個第一總線，與所述第一電源模塊耦合；以及一個第二總線，獨立于所述第一總線，與所述第二電源模塊的輸出耦合。
16．根據(jù)權(quán)利要求15所述的電源系統(tǒng)，其特征是，進一步包括一個聯(lián)接斷電器，介于所述第一總線和所述第二獨立總線之間。
17．一種用于接收燃料并產(chǎn)生熱和DC電流的燃料電池，其特征是，這種改進包括一個輸出部分包括一個DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于穩(wěn)定電池堆棧輸出電壓；以及一個電動機一發(fā)電機，對所述DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生響應(yīng)，以產(chǎn)生輸出功率。
18．根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池，其特征是，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器是一個DC電動機。
全文摘要
本發(fā)明一個示例性實施例是為臨界負荷提供電力的電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個第一電源(102,104,106,108),產(chǎn)生足夠功率供給臨界負荷(114),以及一個第二電源(110),其獨立于第一電源。第二電源(110)提供足夠功率供給臨界負荷。本系統(tǒng)還包括一個旋轉(zhuǎn)裝置(152),該裝置具有一個第一電源輸入電路(AC輸入1)和一個第二電源輸入電路(AC輸入2)。在第二電源輸入電路(AC輸入2)處,第二電源(110)與旋轉(zhuǎn)裝置(152)耦合。轉(zhuǎn)換開關(guān)(128)選擇性地使第一電源(102,104,106,108)與第一電源輸入電路(AC輸入1)和第二電源輸入電路(AC輸入電路2)相耦合。
文檔編號H02J7/34GK1301424SQ99806273
公開日2001年6月27日 申請日期1999年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月19日
發(fā)明者W·E·克拉提 申請人:休爾動力股份有限公司