專利名稱：嵌套式冗余不間斷電源裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不間斷電源(UPS)裝置和方法，更具體地說，涉及并聯(lián)冗余UPS裝置和 方法。
背景技術(shù)：
多種不同的技術(shù)已被用于改善不間斷電源系統(tǒng)的可靠性。這些技術(shù)包括備用冗 余、串聯(lián)冗余以及并聯(lián)冗余方法。典型的備用冗余UPS結(jié)構(gòu)包括運行在備用基礎(chǔ)上的、不帶 負載或只帶部分負載的、一個或一個以上的UPS單元，其能夠通過負載的轉(zhuǎn)接來立即代替 故障UPS單元工作。典型的串聯(lián)冗余布置包含以串聯(lián)方式連接的第一和第二 UPS，其中，在 第一運行模式下，第一 UPS被旁路而第二 UPS用于帶負載，在第二運行模式下，第二 UPS被 旁路而第一 UPS用于帶負載，這樣，第一和第二 UPS可相互作為對方的備用后備(standby backup)o在典型的并聯(lián)冗余布置中，多個不間斷電源(UPS)被并聯(lián)耦合到負載，以便提供冗 余以及通常提供增加的負載容量。AC電源(例如UPS)的并聯(lián)冗余布置已在例如Tassitino， Jr.等人的美國專利 No. 5，745，357，Tassitino, Jr.等人的美國專利 No. 6，549，440，Luo 等人的美國專利No. 6，803，679，Wallace等人的美國專利No. 6，118，680，Hase的美國專利 No. 4，104，539，Wang等人的美國專利公開No. 2005/0162792,以及Luo等人的美國專利公開 No. 2005/0073783 中進行了描述。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一些實施例中，不間斷電源(UPS)系統(tǒng)包括被配置為并聯(lián)連接到共有 負載的至少三個UPS。該系統(tǒng)還包括控制電路，該電路被配置為支持UPS中的至少兩個冗余 組以及支持至少一個UPS冗余組中的至少兩個冗余子組。通過這種方式，可以提供“嵌套式 (nested) ” 冗余。在一些實施例中，控制電路被配置為當(dāng)所述至少一個冗余組的負荷(loading)小 于預(yù)定等級時提供所述至少兩個冗余子組?？刂齐娐房杀慌渲脼楫?dāng)冗余組的負荷小于預(yù)定 等級時允許有選擇地啟用和停用冗余組中的UPS,以及當(dāng)冗余組的負荷大于預(yù)定等級時要 求集中啟用和停用冗余組中的UPS。在本發(fā)明進一步的實施例中，UPS冗余組中相應(yīng)的各個包括相應(yīng)的UPS組件，每個 UPS組件包括多個UPS模塊和控制電路。該控制電路被配置為通過第一數(shù)字通信總線與所述多個UPS模塊進行通信以及通過第二數(shù)字通信總線與另一 UPS組件的控制電路進行通 信。控制電路可包括第一和第二數(shù)字通信總線之間的網(wǎng)絡(luò)橋。各UPS組件可還包括旁路電 路，UPS組件中的控制電路可被配置為控制旁路電路以便對UPS組件中的UPS模塊進行旁 路。UPS模塊的控制電路和UPS模塊可被安裝在共有框架內(nèi)和/或安裝在共有框架上。本發(fā)明進一步的實施例提供了一種UPS組件，該UPS組件包括框架；安裝在該框 架內(nèi)和/或該框架上的多個UPS模塊；被耦合到各UPS模塊的第一數(shù)字通信總線；安裝在 該框架內(nèi)和/或框架上的控制電路，該控制電路被耦合到第一數(shù)字通信總線并被配置為被 耦合到第二數(shù)字通信總線?？刂齐娐房蓪C波形同步信息通過第一數(shù)字通信總線傳達到 UPS模塊以及通過第二數(shù)字通信總線傳達到另一 UPS組件。交流波形同步信息可包括頻率 和相位誤差信息。控制電路可被配置為當(dāng)UPS組件與另一 UPS組件并聯(lián)連接到負載時，使 該UPS組件作為另一 UPS組件的冗余備用運行，并在其多個UPS模塊中提供至少兩個冗余 子組。在一些實施例中，控制電路可被配置為當(dāng)該UPS組件的負荷小于預(yù)定等級時提供 所述至少兩個冗余子組?？刂齐娐房杀慌渲脼楫?dāng)UPS組件的負荷小于預(yù)定等級時允許有 選擇地啟用和停用UPS模塊，當(dāng)UPS組件的負荷大于預(yù)定等級時要求集中啟用和停用UPS 模塊。UPS組件可還包括安裝在框架內(nèi)和/或框架上的旁路電路，且控制電路可被配置為控 制旁路電路以便對所述多個UPS模塊進行旁路?？刂齐娐房砂ǖ谝缓偷诙?shù)字通信總線 之間的網(wǎng)絡(luò)橋。本發(fā)明另外的實施例提供了運行不間斷電源(UPS)系統(tǒng)的方法。至少三個UPS并 聯(lián)連接到共有負載。對所述至少三個UPS進行控制，以便支持UPS中的至少兩個冗余組，以 及進一步支持至少一個UPS冗余組中的至少兩個冗余子組。對所述至少三個UPS進行控制 以便支持UPS中的至少兩個冗余組以及進一步支持至少一個UPS冗余組中的至少兩個冗余 子組可包括當(dāng)所述至少一個冗余組的負荷小于預(yù)定等級時，提供所述至少兩個冗余子組。 例如，當(dāng)所述至少一個冗余組的負荷小于預(yù)定等級時，可允許有選擇地啟用與停用所述至 少一個冗余組中的UPS，當(dāng)所述至少一個冗余組的負荷大于預(yù)定等級時，可要求集中啟用與 停用所述至少一個冗余組中的UPS。UPS冗余組中相應(yīng)的各個可包括相應(yīng)的UPS組件，每個 UPS組件包括多個UPS模塊和控制電路，該控制電路被配置為與該UPS組件的UPS模塊以及 與另一 UPS組件的控制電路進行通信。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的嵌套式冗余UPS系統(tǒng)及其運行；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例的、使用模塊化UPS組件的嵌套式冗余UPS 系統(tǒng)及其運行；圖3和4示出了模塊化UPS組件，其可用于根據(jù)本發(fā)明附加實施例的嵌套式冗余 UPS系統(tǒng)；圖5和6示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的模塊化UPS組件的通信運行；圖7和8示出了根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例的、典型的UPS模塊同步控制結(jié)構(gòu)；圖9為一流程圖，其示出了用于根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例的UPS系統(tǒng)嵌套冗余 運行的操作。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照所附圖介紹本發(fā)明的具體典型實施例。然而，本發(fā)明可以用多種不同 的形式實現(xiàn)且不應(yīng)被解釋為限于這里提出的實施例；相反，提供這些實施例以便使公開徹 底、完全，并向本領(lǐng)域人員充分傳達本發(fā)明的范圍。對附圖所示特定典型實施例的詳細介紹 中使用的術(shù)語并非對本發(fā)明的限制。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。這里所用的單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”同樣包括復(fù)數(shù)形式，除非明確地另有說 明。將會進一步明了，本說明書中使用的術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有，，指存 在所述特征、整體(integer)、步驟、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一個或一 個以上的其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其群組。將會明了，當(dāng)一元件被稱為 “被連接”或“被耦合”到另一元件時，其可以被直接連接或耦合到另一元件，或者，可存在介 于其間的元件。另外，這里所用的“被連接”或“被耦合”可以包括無線連接或耦合。這里 所用的術(shù)語“和/或”包括一個或一個以上相關(guān)所列項目的任意以及所有組合。除非另有定義，否則，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)均與本發(fā) 明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常所理解的具有相同的含義。將會進一步明了，那些例如在常 用詞典中定義了的術(shù)語應(yīng)被解釋為具有與其在相關(guān)領(lǐng)域背景中含義一致的含義，且不應(yīng)被 理想化地或過于拘泥形式地解釋，除非文中明確地這樣限定。本發(fā)明的某些實施例來自這樣的認識通過使用嵌套式冗余布置的UPS，可實現(xiàn) UPS系統(tǒng)中的改進的可靠性。在某些實施例中，對多個并聯(lián)連接的UPS進行控制，以便提供 至少兩個UPS冗余組，在這些冗余組的至少一個中，提供至少兩個UPS冗余子組。這樣的方 法在模塊化UPS配置中特別有利?？赏ㄟ^例如使用模塊化UPS組件來實現(xiàn)嵌套式冗余結(jié)構(gòu) 以支持嵌套式冗余，其中，模塊化UPS組件包括相應(yīng)的多個UPS模塊以及相應(yīng)的控制電路， 控制電路對UPS模塊進行控制以及彼此進行通信。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的UPS系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括并聯(lián)連接到負 載 20 的多個 UPS 112a、112b、112c、112d。如圖所示，UPS 112a、112b、112c、112d 為“在線 式(on-line) ”UPS，但應(yīng)明了，在本發(fā)明的某些實施例中，也可以使用“備用式(standby)”、 “在線互動式(lineinteractive)”或其它結(jié)構(gòu)。對UPS 112a、112b、112c、112d進行控制以 提供第一和第二冗余組110a、110b，例如，第二組110b可作為第一組110a的后備(和/或 反之亦然)，使得組110a、110b中的一個組能在組110a、110b中的另一個故障時繼續(xù)帶負 載20。將會明了，這種冗余運行可能被限制在一定的運行空間(operational envelope), 例如，冗余可能被限制于負載20小于UPS組110a、110b中單獨一組的容量的情況，并且，當(dāng) 超出該容量時，UPS組110a、110b可能會被例如集中停用和/或旁路。在至少一組110a中，存在進一步限定的冗余子組111a、111b，第一子組111a包括 兩個UPS 112a、112b，第二子組111b包括兩個UPS 112c、112d。在組110a中，例如，第一子 組111a可用于第二子組111b的備用運行，和/或反之亦然。將會明了，出于說明目的而提供組110a、110b和子組llla、lllb，本發(fā)明的其它實 施例中可使用其它的冗余組劃分以及子組劃分。例如，在某些實施例中，可在所有冗余組中 或僅在冗余組的子集中提供冗余子組。在某些實施例中，可提供額外的冗余組，以便為組 110a，110b提供后備，這些額外的組中可包含或者可不包含冗余子組劃分。根據(jù)進一步的實施例，可提供更高等級的嵌套式冗余，例如，UPS 112a、112b、112c、112d中的一些或全部可 實際上包括多個并聯(lián)連接的UPS，這些UPS被布置為提供其中的冗余子組。還可提供其它冗 余，例如，UPS 112a、112b、112c、112d中的一些或全部可包括例如冗余整流器或逆變器等冗 余部件。在更進一步的實施例中，可取決于例如特定UPS的負荷和/或處理(例如由于維 修或其它事件的可用性)動態(tài)地重新限定冗余組和/或子組。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例的、具有模塊化結(jié)構(gòu)的UPS系統(tǒng)200。以 相應(yīng)的UPS組件210a、210b的形式提供第一與第二 UPS冗余組。UPS組件210a、210b包括 相應(yīng)的多個UPS模塊214，所述多個UPS模塊214并聯(lián)連接到負載20并與相應(yīng)的控制電路 212進行通信?？刂齐娐?12還被配置為彼此進行通信。根據(jù)本發(fā)明的實施例，控制電路 212和UPS模塊214支持UPS組件210a、210b的冗余運行，使得其中的多個UPS模塊214作 為相應(yīng)的UPS冗余組工作，例如，UPS組件210b中UPS模塊214的組可作為這樣的組其為 UPS組件210a中UPS模塊214的組提供備用。在UPS組件210a、210b中的一個或二者中， 在其UPS模塊214中提供內(nèi)部冗余。例如，如圖所示，UPS組件中的模塊214和控制電路212 可被配置為在UPS組件中提供冗余子組211a、211b。使用控制電路212和UPS模塊214之間的通信可實現(xiàn)這樣的嵌套式冗余。例如， 在某些實施例中，第一 UPS組件210a中的各UPS模塊214可向與其相關(guān)聯(lián)的控制電路212 傳遞狀態(tài)信息。例如，這些狀態(tài)信息可指示UPS模塊214中是否即將發(fā)生故障以及涉及UPS 模塊214當(dāng)前所帶負載的信息。對這些信息做出響應(yīng)，控制電路212可判斷是否允許有選擇 地停用UPS模塊214、使得UPS組件210a中的其它UPS模塊214可繼續(xù)帶負載20。例如， 如下面參照圖7詳細闡釋的那樣，如果UPS組件210a的負荷低于某一閾值，可以使UPS組 件210a中的其它UPS模塊214繼續(xù)為負載供電。然而，如果UPS組件210a的負荷太高以 至于剩余可供使用的(operational) UPS模塊214不具有足夠的容量來帶負載20，則控制電 路212的控制法則將要求集中停用UPS組件210a中的全部UPS模塊214。控制電路210可進一步將該信息傳遞到其它UPS組件，以便使它們采取協(xié)同的動 作。例如，對從第一 UPS組件210a接收到這種信息做出響應(yīng)，如果第二 UPS組件210b的控 制電路212判定為第一 UPS組件210a —旦完全離線則其不能帶負載20，第二 UPS組件210b 的控制電路212的控制法則將同樣要求集中停用所有其當(dāng)前可供使用的UPS模塊214。這 種選擇將進一步地被傳送給第一 UPS組件212的控制電路212和/或可能被連接到負載20 的其它UPS組件(未示出)，以便使它們采取進一步的動作。例如，如果足夠數(shù)量的UPS組 件不能帶負載20，它們可被集中旁路，使得AC市電或其它電源被直接連接到負載20。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的UPS組件300的典型結(jié)構(gòu)，其可根據(jù)上文參 照圖2所介紹的思路用于UPS系統(tǒng)。UPS模塊310包括整流器312，整流器312被配置為經(jīng) 由第一開關(guān)(例如接觸器或繼電器)316接收AC輸入。逆變器313被DC母線315耦合到 整流器312。逆變器313的輸出可經(jīng)由第二開關(guān)317與負載(圖3中未示出)連接或從負 載斷開。DC-DC轉(zhuǎn)換器314也被耦合到DC母線315并被配置為被連接到電池(未示出)。 當(dāng)整流器312的輸入端沒有AC電力時，DC-DC轉(zhuǎn)換器314使得電池能向DC母線315提供 DC電力。DC-DC轉(zhuǎn)換器314同樣可允許電池從DC母線315充電?？刂齐娐?11被配置為 對整流器312、逆變器313、DC-DC轉(zhuǎn)換器314和開關(guān)316、316進行控制?？刂齐娐?11包括 被耦合到數(shù)字通信總線330的數(shù)字通信接口，在這里被示為控制器局域網(wǎng)(CAN)接口 311a。
CAN總線330還被耦合到UPS組件300的I/O與旁路模塊320的控制電路322的 CAN接口 322a。I/O與旁路模塊320還包括旁路開關(guān)326，旁路開關(guān)326被配置為對來自控 制電路322的控制信號做出響應(yīng)地對UPS模塊310進行旁路。I/O及旁路模塊320還包括 在內(nèi)部通信總線330與外部總線340之間提供通信的CAN橋324。經(jīng)由CAN橋324和外部 總線340，可與其它UPS組件交換信息。圖4示出了模塊化UPS組件300'的典型實施方式，組件300'具有根據(jù)圖3所示 UPS組件300的思路的結(jié)構(gòu)。在所示出的實施例中，三個UPS模塊310'以及I/O與旁路模 塊320 ‘被安裝在共有框架內(nèi)和/或安裝在共有框架上，共有框架在這里被示為柜子410。 應(yīng)當(dāng)明了，圖4所示的結(jié)構(gòu)適于例如容量相對較大的UPS系統(tǒng)，本發(fā)明其它實施例中可使用 包括數(shù)量更多或數(shù)量更少的UPS模塊在內(nèi)的其它形狀因素。圖5和6示出了可用于圖3的模塊化UPS組件300中的典型信號傳輸。I/O與旁 路模塊320的控制電路322可通過內(nèi)部CAN總線330向UPS模塊310傳送波形同步信息和 啟用/停用命令。該信息還可經(jīng)由CAN橋324被傳送到UPS組件300外部的另一 UPS組 件。參照圖6，UPS模塊310可通過內(nèi)部CAN總線330向控制電路322傳送波形同步信息和 狀態(tài)信息。在本發(fā)明的其它實施例中，可在無需這種顯式的信號傳輸?shù)那闆r下實現(xiàn)同步，例 如，通過使用根據(jù)Tracy等人的美國專利No. 5，745，355和Tassitino，Jr.等人的美國專利 No. 5，745，356中介紹的思路的技術(shù)，上述各專利的內(nèi)容整體并入此處作為參考。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，波形同步信息可包括頻率和相位誤差信息，這些信息 可被模塊310用來同步其逆變器313的運行。例如，參照圖7，被傳送到UPS模塊——例如 圖3中的UPS模塊310——的控制電路的同步信息可包括被傳遞到鎖相環(huán)控制器710的目 標(biāo)頻率和相位誤差，鎖相環(huán)控制器710產(chǎn)生用于模塊的逆變器驅(qū)動器730的基準(zhǔn)信號。如 圖所示，為了均衡模塊間的負載份額，鎖相環(huán)補償可由負載份額控制器720增大，其中，根 據(jù)例如Tassitino等人的美國專利No. 6，549，440中介紹的思路，負載份額控制器720對模 塊的電力輸出的量度做出響應(yīng)地運行，上述專利所公開的內(nèi)容整體并入此處作為參考。如 圖8所示，在一些實施例中，圖7所示的鎖相環(huán)和負載份額控制功能可在AC波形基準(zhǔn)發(fā)生 器810中實現(xiàn)，AC波形基準(zhǔn)發(fā)生器810產(chǎn)生用于逆變器驅(qū)動器820的AC波形基準(zhǔn)信號。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明進一步實施例的UPS組件的嵌套式冗余運行的典型UPS操 作。負載由至少兩個并聯(lián)的UPS組件一例如圖3和4中的組件300、300'那樣的模塊化 UPS組件——供電(程序塊910)。在檢測到UPS組件的第一個中的UPS模塊發(fā)生故障時 (程序塊920)，第一 UPS組件的控制電路判斷負荷等級是否允許組件內(nèi)部的冗余，即是否允 許該組件中剩余的有效UPS模塊繼續(xù)供給負載(程序塊930)。如果負載足夠低，控制電路 可停用故障的模塊，并允許剩余的模塊繼續(xù)驅(qū)動負載(程序塊940)，因此提供了組件內(nèi)部 的冗余。將會明了，在UPS組件的第二個中，第二模塊可能出現(xiàn)故障，這將導(dǎo)致在不需要改 變第一 UPS組件的運行的情況下停用第二模塊。然而，如果存在容量不足，則控制電路集中 停用組件中的所有模塊，并向另一組件發(fā)信號以通知其這種集中關(guān)斷(程序塊950)。在本 發(fā)明進一步的實施例中，可執(zhí)行其它操作。例如，在一些實施例中，可對特定模塊的關(guān)斷或 其它不可用性做出響應(yīng)地進行冗余組和/或子組的動態(tài)重新限定。在附圖及說明書中已公開了本發(fā)明的典型實施例。盡管使用了特定術(shù)語，但這些 術(shù)語均只用于一般性和說明性意義，并不是出于限制目的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
一種UPS組件，其包含多個UPS模塊，其并聯(lián)連接以便對負載服務(wù)；以及控制電路，其被耦合到UPS模塊，并被配置為確定負載的量值并基于所確定的負載的量值有選擇地啟用或停用UPS模塊，以便保持對負載的服務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的UPS組件，其中，控制電路被配置為當(dāng)所確定的負載的量值小于 預(yù)定水平時，有選擇地啟用或停用UPS模塊，以便保持對負載的服務(wù)，當(dāng)所確定的負載的量 值大于預(yù)定水平時，集體停用UPS模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的UPS組件，其還包含耦合到控制電路和各個UPS模塊的數(shù)字通信 總線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的UPS組件，其還包含旁路電路，旁路電路被配置為響應(yīng)于來自控制 電路的控制信號對UPS模塊進行旁路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的UPS組件，其中，UPS組件、控制電路、數(shù)字通信總線以及旁路電路 安裝在共用框架之中和/或共用框架之上。
6.一種運行UPS組件的方法，其包含以下步驟將多個UPS模塊并聯(lián)連接到負載；確定負載的量值；以及當(dāng)所確定的負載的量值小于預(yù)定水平時，基于所確定的負載的量值，有選擇地啟用以 及停用UPS模塊，以便繼續(xù)向負載供電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其還包含以下步驟當(dāng)所確定的負載的量值大于預(yù)定水平 時，集體停用UPS模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，確定步驟、有選擇地啟用以及停用步驟由耦合到各個 UPS模塊的控制電路完成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其還包含以下步驟響應(yīng)于來自控制電路的控制信號，對 UPS模塊進行旁路。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，UPS模塊和控制電路安裝在共用框架之中和/或共 用框架之上。
全文摘要
本發(fā)明涉及UPS組件和運行UPS組件的方法。不間斷電源(UPS)系統(tǒng)包括至少三個UPS(214)，UPS(214)被配置為并聯(lián)連接到共有負載。該系統(tǒng)還包括控制電路(212)，控制電路(212)被配置為支持UPS中的至少兩個冗余組(210a，210b)以及支持至少一個UPS冗余組中的至少兩個冗余子組(211a，211b)。通過這種方式，可提供嵌套式冗余。
文檔編號H04L12/40GK101854077SQ201010185148
公開日2010年10月6日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者F·小塔斯蒂諾, J·G·特蕾西 申請人:伊頓動力品質(zhì)公司