一种基于主动维护功能扩展装置的UPS系统的制作方法

本发明属于应急供电电源技术领域，具体涉及一种基于主动维护功能扩展装置的ups系统。

背景技术：

众所周知作为应急供电电源的ups被广泛应用于各行业部门，为关键负载提供了电源保障，其工作稳定性、安全性极其重要。而由于用户在使用过程中存在对ups供电系统的管理不当、维护不到位或蓄电池老化、容量配置不合适等问题，容易造成ups供电系统线路短路、蓄电池击穿等故障，甚至导致火灾的发生，造成安全事故和重大损失。

国家专利局公布了申请号201510149311.9《不间断电源的远程维护装置》其在背景技术中记载了“[0003]ups工作状态需要靠厂站值班员定期巡视变电站设备获得。然而随着电网发展，变电站数量增加，导致人工巡视周期延长。一旦ups蓄电池发生故障，仅靠人工巡视很难及时发现，这会影响变电站内rtu的安全运行。而且在ups的使用过程中，每年至少需要对蓄电池进行一次充放电维护工作，人工进行充放电维护工作耗费人力物力。”此技术方案只监测蓄电池组串端电压，不能监测每一个蓄电池的健康与工作状况，而且蓄电池维护的充放电也只是调节电力路径，无法利用ups本身的充放电控制电路，不能实现合理的充放电过程。

国家专利局公布了申请号：201510115561.0《不间断电源蓄电池充电电压的监控装置》其在说明书的背景技术及

技术实现要素：
中记载了“[0003]然而，当前的ups充电器在向蓄电池充电时可能存在充电电压过高或过低的情况，造成ups蓄电池的电池容电功能衰退，使用寿命缩短，蓄电池极板损坏的问题。本发明的实施例提供一种不间断电源蓄电池充电电压的监控装置，以解决当前的ups充电器在向蓄电池充电时可能存在充电电压过高或过低的情况，造成ups蓄电池的电池容电功能衰退，使用寿命缩短，蓄电池极板损坏的问题。”此技术方案只监测蓄电池组串端电压，不能监测每一个蓄电池的健康与工作状况，如果每一个蓄电池都要监测那就需要每一个蓄电池都安装监控装置，这显然是不可行的；另外此方案即便是对每一个蓄电池都安装一个监控装置，由于其只比较端电压的电压值忽视了温度和使用环境对蓄电池的影响，使其监测效果大打折扣。

国家专利局还公布了申请号：200710100691.2《嵌套式冗余不间断电源装置及方法》其在说明书的背景技术及发明内容中记载了“[0004]多种不同的技术已被用于改善不间断电源系统的可靠性。这些技术包括备用冗余、串联冗余以及并联冗余方法。典型的备用冗余ups结构包括运行在备用基础上的、不带负载或只带部分负载的、一个或一个以上的ups单元，其能够通过负载的转接来立即代替故障ups单元工作。典型的串联冗余布置包含以串联方式连接的第一和第二ups，其中，在第一运行模式下，第一ups被旁路而第二ups用于带负载，在第二运行模式下，第二ups被旁路而第一ups用于带负载，这样，第一和第二ups可相互作为对方的备用后备(standbybackup)。在典型的并联冗余布置中，多个不间断电源(ups)被并联耦合到负载，以便提供冗余以及通常提供增加的负载容量。ac电源(例如ups)的并联冗余布置已在例如tassitino，jr.等人的美国专利no.5,745,357，tassitino，jr.等人的美国专利no.6,549,440，luo等人的美国专利no.6,803,679，wallace等人的美国专利no.6,118,680，hase的美国专利no.4,104,539，wang等人的美国专利公开no.2005/0162792，以及luo等人的美国专利公开no.2005/0073783中进行了描述。”其发明内容是根据负荷大小有选择地启用和停用冗余组中的ups，控制多个ups单元之间的互为备用的数量；作为备用ups单元也仅是备用而已，运行与备用均没有对蓄电池进行必要的维护性充放电。

目前ups广泛应用的铅酸蓄电池，影响其安全性的因素很多，情况也比较复杂，归纳一下至少有如下几个方面的重要因素：

1)ups采用的蓄电池大多为储能型蓄电池，其充放电功率受到产品设计和采用材料及工艺的限制，产品性能和出厂时建议使用均为温度25℃时充放电电流为0.1c；一般还建议0.3c时连续工作＜5分钟；目前大部分用户ups系统配置的蓄电池≤2小时，满负荷运行时达到0.5c，50％负荷运行时也≥0.25c；这严重影响蓄电池的健康及存在安全隐患；特别是蓄电池内阻不一致或部分老化时，极易发生事故严重时会发生火灾；

2)通常ups的蓄电池长期处于浮充备用状态，极板结晶导致容量下降，需要在一定的时间内对蓄电池进行大电流充放电以达到融化晶体激活其中的化学物质。

3)诸多的蓄电池中，由于出厂时就存在一定的差异，在逐渐的老化过程中差异也逐渐加大，而目前的ups系统对蓄电池的监控主要依据就是端电压，在蓄电池组串的端电压正常时可能已经造成个别蓄电池过充或欠充，极易造成个别蓄电池提前失效而引起事故的发生。

4)为了改善不间断电源系统ups的可靠性，现有技术通常采用n+m冗余ups系统，即增加一个以上的冗余ups单元，使其相互作为对方的备用后备单元系统，再一个ups故障时备用后备的ups单元进行替换；但是均缺少对蓄电池进行在线维护，不能克服上述蓄电池使用过程中的相关问题。

发明内容

为了解决上述问题，克服现有技术的不足，特别是对已有的利用现有技术构成的ups系统以及ups多机系统，本发明提出一种基于主动维护功能扩展装置的ups系统，包括：系统控制器、蓄电池监控器、蓄电池多路电力调控模块、双向dc/ac逆变模块、ups系统a、ups系统b、ups系统n、ups系统a蓄电池组串、ups系统b蓄电池组串、ups系统n蓄电池组串、ups系统a蓄电池组串连接线、ups系统b蓄电池组串连接线、ups系统n蓄电池组串连接线、蓄电池多路电力调控模块a路ups连接线、蓄电池多路电力调控模块a路蓄电池组串连接线、蓄电池多路电力调控模块b路ups连接线、蓄电池多路电力调控模块b路蓄电池组串连接线、蓄电池多路电力调控模块n路ups连接线、蓄电池多路电力调控模块n路蓄电池组串连接线、蓄电池监控总线、系统总线、扩展蓄电池组串、双向dc/ac逆变模块输入电力线、双向dc/ac逆变模块输出电力线、主电源电力输入母线、系统电力输出母线、用户负载、系统控制操控模块、系统通信模块，其中：

系统控制器、蓄电池监控器、蓄电池多路电力调控模块、双向dc/ac逆变模块、蓄电池监控总线、扩展蓄电池组串以及系统总线、系统控制操控模块、系统通信模块组成主动维护扩展装置，其连接方式为蓄电池多路电力调控模块分别连接双向dc/ac逆变模块和扩展蓄电池组串，同时系统控制器通过系统总线分别连接蓄电池监控器、蓄电池多路电力调控模块、双向dc/ac逆变模块，并且蓄电池监控器通过蓄电池监控总线连接扩展蓄电池组串中的每一块蓄电池；

系统控制器连接系统控制操控模块和系统通信模块构成系统就地控制和远程控制功能子系统；

基于主动维护功能扩展装置的ups系统的系统特征是：

蓄电池多路电力调控模块通过蓄电池多路电力调控模块a路ups连接线与ups系统a连接并通过蓄电池多路电力调控模块a路蓄电池组串连接线与ups系统a蓄电池组串连接，以此替代ups系统a蓄电池组串连接线；

蓄电池多路电力调控模块通过蓄电池多路电力调控模块b路ups连接线与ups系统b连接并通过蓄电池多路电力调控模块b路蓄电池组串连接线与ups系统b蓄电池组串连接，以此替代ups系统b蓄电池组串连接线；

蓄电池多路电力调控模块通过蓄电池多路电力调控模块n路ups连接线与ups系统n连接并通过蓄电池多路电力调控模块n路蓄电池组串连接线与ups系统n蓄电池组串连接，以此替代ups系统n蓄电池组串连接线；

主电源电力输入母线分别连接ups系统a、ups系统b、ups系统n的电源输入端，同时ups系统a、ups系统b、ups系统n的各自电力输出端分别连接系统电力输出母线，由系统电力输出母线连接用户负载构成多单元ups供电系统；

主电源电力输入母线分别连接ups系统a、ups系统b、ups系统n的电源输入端以及主电源电力输入母线通过双向dc/ac逆变模块输入电力线连接双向dc/ac逆变模块，同时ups系统a、ups系统b、ups系统n的各自电力输出端分别连接系统电力输出母线以及双向dc/ac逆变模块通过双向dc/ac逆变模块输出电力线连接系统电力输出母线，再由系统电力输出母线连接用户负载构成扩展的多单元ups供电系统；

蓄电池监控器通过蓄电池监控总线分别连接扩展蓄电池组串、ups系统a蓄电池组串、ups系统b蓄电池组串、ups系统n蓄电池组串中的每一块蓄电池，构成扩展的多单元ups供电系统的蓄电池监控链路；

系统控制器通过系统总线分别连接蓄电池监控器、蓄电池多路电力调控模块、双向dc/ac逆变模块、ups系统a、ups系统b、ups系统n，构成扩展的多单元ups供电系统的系统监控链路；

基于主动维护功能扩展装置的ups系统的控制方法特征是：系统控制器根据自身程序预置参数或通过系统控制操控模块及系统通信模块设定的参数和策略，监测分析ups系统a、ups系统b、ups系统n多个ups系统的运行参数以及监测分析蓄电池监控器采集的蓄电池状态信号并据此判断生成调控指令，即：

1)根据双向dc/ac逆变模块、ups系统a、ups系统b、ups系统n的各自运行状态及参数，主动调配其运行状态及参数；

2)根据设定的参数和策略主动控制蓄电池多路电力调控模块，调配ups系统a蓄电池组串、ups系统b蓄电池组串、ups系统n蓄电池组串、扩展蓄电池组串与dc/ac逆变模块、ups系统a、ups系统b、ups系统n的连接关系，将需要维护的蓄电池组串连接到双向dc/ac逆变模块；

3)根据设定的参数和策略控制双向dc/ac逆变模块的运行状态和功率参数，需要维护的蓄电池组串进行维护性充放电运行；

4)根据蓄电池监控器采集的蓄电池状态信号分析监测每一块蓄电池的健康状况，对性能落后的蓄电池提示其位置信息和报警信息。

上述一种基于主动维护功能扩展装置的ups系统，所述的蓄电池多路电力调控模块包括：直流电力调控器、扩展控制器接口电路、扩展控制器总线、逆变模块连接端、a扩展电力通断电路、b扩展电力通断电路、n扩展电力通断电路、扩展直流母线、蓄电池调配直流母线、蓄电池调配直流母线通断电路、蓄电池调配a电力通断电路、蓄电池调配b电力通断电路、蓄电池调配n电力通断电路、扩展蓄电池调配电力通断电路、扩展蓄电池组串连接端，其中：

蓄电池调配a电力通断电路、蓄电池调配b电力通断电路、蓄电池调配n电力通断电路以及扩展蓄电池调配电力通断电路的各自第一端子分别连接蓄电池调配直流母线；

蓄电池调配a电力通断电路、蓄电池调配b电力通断电路、蓄电池调配n电力通断电路以及扩展蓄电池调配电力通断电路的各自第二端子分别连接相应的ups系统a蓄电池组串、ups系统b蓄电池组串、ups系统n蓄电池组串及扩展蓄电池组串；

蓄电池调配a电力通断电路、蓄电池调配b电力通断电路、蓄电池调配n电力通断电路的各自第三端子分别连接相应的ups系统a、ups系统b、ups系统n的各自蓄电池组串连接端，构成ups系统a蓄电池组串、ups系统b蓄电池组串、ups系统n蓄电池组串的选通相应ups系统的电力路径；

扩展蓄电池调配电力通断电路第三端子连接扩展直流母线并且经过扩展直流母线后分别通过a扩展电力通断电路、b扩展电力通断电路、n扩展电力通断电路连接相应的ups系统a、ups系统b、ups系统n的各自蓄电池组串连接端，构成扩展蓄电池组串选通接入指定ups系统的电力路径；

直流电力调控器通过扩展控制器总线分别连接扩展控制器接口电路、a扩展电力通断电路、b扩展电力通断电路、n扩展电力通断电路、蓄电池调配直流母线通断电路、蓄电池调配a电力通断电路、蓄电池调配b电力通断电路、蓄电池调配n电力通断电路、扩展蓄电池调配电力通断电路，构成蓄电池组串电力调配执行电路；

蓄电池调配直流母线通过蓄电池调配直流母线通断电路连接逆变模块连接端，构成主动维护蓄电池组串选通接入双向dc/ac逆变模块的电力路径。

本发明一种基于主动维护功能扩展装置的ups系统，克服了已有的利用现有技术构成的ups系统以及ups多机系统不能主动对蓄电池自动进行维护性充放电的缺陷，通过设置主动维护功能扩展装置增加了在线热备份能力，同时对各ups系统的蓄电池组串合理调配及轮流进行维护性充放电，并由蓄电池监控器监测各蓄电池组串中每一块蓄电池的状态信息，通过系统控制器根据设定的参数和策略主动控制蓄电池多路电力调控模块，调配ups系统的蓄电池组串和扩展蓄电池组串(对于ups多机系统可以省去扩展蓄电池组串及相应部分电路)与dc/ac逆变模块及ups系统的连接关系，将需要维护的蓄电池组串连接到双向dc/ac逆变模块进行维护性充放电，实现了自动监测分析、自动进行维护、自动调整充放电功率、自动提示落后蓄电池的位置，确保了蓄电池组串的健康运行，大大提高蓄电池组串的可用性和安全性，有利于延长蓄电池的寿命。

附图说明

图1为一种基于主动维护功能扩展装置的ups系统的原理框图。

图2为蓄电池多路电力调控模块的原理框图。

具体实施方式

作为实施例子，结合附图对一种基于主动维护功能扩展装置的ups系统给予说明，但是，本发明的技术与方案不限于本实施例子给出的说明内容。

图1给出了一种基于主动维护功能扩展装置的ups系统，包括：系统控制器(1)、蓄电池监控器(2)、蓄电池多路电力调控模块(3)、双向dc/ac逆变模块(4)、ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)、ups系统a蓄电池组串(6a)、ups系统b蓄电池组串(6b)、ups系统n蓄电池组串(6n)、ups系统a蓄电池组串连接线(7a)、ups系统b蓄电池组串连接线(7b)、ups系统n蓄电池组串连接线(7n)、蓄电池多路电力调控模块a路ups连接线(8a1)、蓄电池多路电力调控模块a路蓄电池组串连接线(8a2)、蓄电池多路电力调控模块b路ups连接线(8b1)、蓄电池多路电力调控模块b路蓄电池组串连接线(8b2)、蓄电池多路电力调控模块n路ups连接线(8n1)、蓄电池多路电力调控模块n路蓄电池组串连接线(8n2)、蓄电池监控总线(9)、系统总线(10)、扩展蓄电池组串(11)、双向dc/ac逆变模块输入电力线(12a)、双向dc/ac逆变模块输出电力线(12b)、主电源电力输入母线(13)、系统电力输出母线(14)、用户负载(15)、系统控制操控模块(16)、系统通信模块(17)，其中：

系统控制器(1)、蓄电池监控器(2)、蓄电池多路电力调控模块(3)、双向dc/ac逆变模块(4)、蓄电池监控总线(9)、扩展蓄电池组串(11)以及系统总线(10)、系统控制操控模块(16)、系统通信模块(17)组成主动维护扩展装置，其连接方式为蓄电池多路电力调控模块(3)分别连接双向dc/ac逆变模块(4)和扩展蓄电池组串(11)，同时系统控制器(1)通过系统总线(10)分别连接蓄电池监控器(2)、蓄电池多路电力调控模块(3)、双向dc/ac逆变模块(4)，并且蓄电池监控器(2)通过蓄电池监控总线(9)连接扩展蓄电池组串(11)中的每一块蓄电池；

系统控制器(1)连接系统控制操控模块(16)和系统通信模块(17)构成系统就地控制和远程控制功能子系统；

基于主动维护功能扩展装置的ups系统的系统特征是：

蓄电池多路电力调控模块(3)通过蓄电池多路电力调控模块a路ups连接线(8a1)与ups系统a(5a)连接并通过蓄电池多路电力调控模块a路蓄电池组串连接线(8a2)与ups系统a蓄电池组串(6a)连接，以此替代ups系统a蓄电池组串连接线(7a)；

蓄电池多路电力调控模块(3)通过蓄电池多路电力调控模块b路ups连接线(8b1)与ups系统b(5b)连接并通过蓄电池多路电力调控模块b路蓄电池组串连接线(8b2)与ups系统b蓄电池组串(6b)连接，以此替代ups系统b蓄电池组串连接线(7b)；

蓄电池多路电力调控模块(3)通过蓄电池多路电力调控模块n路ups连接线(sn1)与ups系统n(5n)连接并通过蓄电池多路电力调控模块n路蓄电池组串连接线(8n2)与ups系统n蓄电池组串(6n)连接，以此替代ups系统n蓄电池组串连接线(7a)；

主电源电力输入母线(13)分别连接ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)的电源输入端，同时ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)的各自电力输出端分别连接系统电力输出母线(14)，由系统电力输出母线(14)连接用户负载(15)构成多单元ups供电系统；

主电源电力输入母线(13)分别连接ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)的电源输入端以及主电源电力输入母线(13)通过双向dc/ac逆变模块输入电力线(12a)连接双向dc/ac逆变模块(4)，同时ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)的各自电力输出端分别连接系统电力输出母线(14)以及双向dc/ac逆变模块(4)通过双向dc/ac逆变模块输出电力线(12b)连接系统电力输出母线(14)，再由系统电力输出母线(14)连接用户负载(15)构成扩展的多单元ups供电系统；

蓄电池监控器(2)通过蓄电池监控总线(9)分别连接扩展蓄电池组串(11)、ups系统a蓄电池组串(6a)、ups系统b蓄电池组串(6b)、ups系统n蓄电池组串(6n)中的每一块蓄电池，构成扩展的多单元ups供电系统的蓄电池监控链路；

系统控制器(1)通过系统总线(10)分别连接蓄电池监控器(2)、蓄电池多路电力调控模块(3)、双向dc/ac逆变模块(4)、ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)，构成扩展的多单元ups供电系统的系统监控链路；

基于主动维护功能扩展装置的ups系统的控制方法特征是：系统控制器(1)根据自身程序预置参数或通过系统控制操控模块(16)及系统通信模块(17)设定的参数和策略，监测分析ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)多个ups系统的运行参数以及监测分析蓄电池监控器(2)采集的蓄电池状态信号并据此判断生成调控指令，即：

1)根据双向dc/ac逆变模块(4)、ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)的各自运行状态及参数，主动调配其运行状态及参数；

2)根据设定的参数和策略主动控制蓄电池多路电力调控模块(3)，调配ups系统a蓄电池组串(6a)、ups系统b蓄电池组串(6b)、ups系统n蓄电池组串(6n)、扩展蓄电池组串(11)与dc/ac逆变模块(4)、ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)的连接关系，将需要维护的蓄电池组串连接到双向dc/ac逆变模块(4)；

3)根据设定的参数和策略控制双向dc/ac逆变模块(4)的运行状态和功率参数，需要维护的蓄电池组串进行维护性充放电运行；

4)根据蓄电池监控器(2)采集的蓄电池状态信号分析监测每一块蓄电池的健康状况，对性能落后的蓄电池提示其位置信息和报警信息。

附图2给出了一种基于主动维护功能扩展装置的ups系统，所述的蓄电池多路电力调控模块(3)包括：直流电力调控器(31)、扩展控制器接口电路(32)、扩展控制器总线(33)、逆变模块连接端(34)、a扩展电力通断电路(35a)、b扩展电力通断电路(35b)、n扩展电力通断电路(35n)、扩展直流母线(36)、蓄电池调配直流母线(37)、蓄电池调配直流母线通断电路(38)、蓄电池调配a电力通断电路(305a)、蓄电池调配b电力通断电路(305b)、蓄电池调配n电力通断电路(305n)、扩展蓄电池调配电力通断电路(301)、扩展蓄电池组串连接端(311)，其中：

蓄电池调配a电力通断电路(305a)、蓄电池调配b电力通断电路(305b)、蓄电池调配n电力通断电路(305n)以及扩展蓄电池调配电力通断电路(301)的各自第一端子分别连接蓄电池调配直流母线(37)；

蓄电池调配a电力通断电路(305a)、蓄电池调配b电力通断电路(305b)、蓄电池调配n电力通断电路(305n)以及扩展蓄电池调配电力通断电路(301)的各自第二端子分别连接相应的ups系统a蓄电池组串(6a)、ups系统b蓄电池组串(6b)、ups系统n蓄电池组串(6n)及扩展蓄电池组串(11)；

蓄电池调配a电力通断电路(305a)、蓄电池调配b电力通断电路(305b)、蓄电池调配n电力通断电路(305n)的各自第三端子分别连接相应的ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)的各自蓄电池组串连接端，构成ups系统a蓄电池组串(6a)、ups系统b蓄电池组串(6b)、ups系统n蓄电池组串(6n)的选通相应ups系统的电力路径；

扩展蓄电池调配电力通断电路(301)第三端子连接扩展直流母线(36)并且经过扩展直流母线(36)后分别通过a扩展电力通断电路(35a)、b扩展电力通断电路(35b)、n扩展电力通断电路(35n)连接相应的ups系统a(5a)、ups系统b(5b)、ups系统n(5n)的各自蓄电池组串连接端，构成扩展蓄电池组串(11)选通接入指定ups系统的电力路径；

直流电力调控器(31)通过扩展控制器总线(33)分别连接扩展控制器接口电路(32)、a扩展电力通断电路(35a)、b扩展电力通断电路(35b)、n扩展电力通断电路(35n)、蓄电池调配直流母线通断电路(38)、蓄电池调配a电力通断电路(305a)、蓄电池调配b电力通断电路(305b)、蓄电池调配n电力通断电路(305n)、扩展蓄电池调配电力通断电路(301)，构成蓄电池组串电力调配执行电路；

蓄电池调配直流母线(37)通过蓄电池调配直流母线通断电路(38)连接逆变模块连接端(34)，构成主动维护蓄电池组串选通接入双向dc/ac逆变模块(4)的电力路径。