TW202027373A

TW202027373A - 供電系統

Info

Publication number: TW202027373A
Application number: TW108100192A
Authority: TW
Inventors: 張世杰
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2019-01-03
Filing date: 2019-01-03
Publication date: 2020-07-16
Also published as: TWI685179B

Abstract

本案係提供一種供電系統，包含電源供應器集成、輔助電源電路及控制單元，電源供應器集成於輸入電源正常時轉換輸入電源為第一直流電能。輔助電源電路之至少一儲能單元提供第二直流電能。輔助電源電路之至少一第一電能轉換器係電連接於至少一儲能單元及負載之間，轉換第二直流電能為個別輔助電能，以使輔助電源電路藉由至少一個別輔助電能提供總輔助電能。控制單元於輸入電源正常且負載所需之瞬時功率大於電源供應器集成輸出之輸出功率的額定上限值時，驅動輔助電源電路輸出總輔助電能，以補償瞬時功率及額定上限值之間的差值。

Description

供電系統

本案係關於一種供電系統，尤指一種利用輔助電源電路補償負載所需的瞬時功率之供電系統。

因應對於大型數據中心的需求增加，為了避免大型數據中心有嚴重的數據毀損的可能性，一個穩定而可不斷電地供應大型數據中心電能的供電系統是有其存在的必要性。

不斷電系統不同於緊急電力系統或是備用發電機，平常時主要藉由電源供應器提供能量，且結合儲存能源裝置的能量提供輸入電力源中斷的瞬間保護。當交/直流電源正常時(例如市電穩定輸出)，電源供應器提供穩定電源給予負載(例如數據中心)，而當交/直流電源失效時(例如市電斷電)，需搭配另一儲存能源裝置，來提供負載所需能量。

因傳統電源供應器和備援裝置組合而成的不斷電系統中，已限制電源供應器及備援裝置能量輸出最大值，因此當系統負載，需要電源供應器提供一瞬時功率且大於電源供應器平時可提供之功率時，將導致電源供應器因過載而關機，接著備援裝置開始供應過載電流，而導致縮短電池壽命，且因備援裝置無轉換器均流設計，致使備援裝置加速不平衡及老化因子，為了解決此問題，傳統設計須額外增加電源供應器輸出能量及更多備援裝置配置之成本，來改善能量不足之課題。

因此，實有必要提供一種改良之供電系統，以解決上述先前技術所面臨之問題。

本案之目的在於提供一種供電系統，其係利用輔助電源電路補償負載所需的瞬時功率，藉此在不增加生產成本的條件下，避免電源供應器集成過載，進而提升輔助電源電路內的電池的壽命。

為達上述目的，本案之一較廣實施態樣為提供一種供電系統，包含電源供應器集成、第一輔助電源電路及控制單元。電源供應器集成電連接於輸入電源與負載之間，於輸入電源正常時轉換輸入電源為第一直流電能。第一輔助電源電路電連接於電源供應器集成與負載之間，且包含至少一第一儲能單元及至少一第一電能轉換器。至少一第一儲能單元提供第二直流電能。至少一第一電能轉換器係電連接於至少一第一儲能單元及負載之間，轉換第二直流電能為第一個別輔助電能，以使第一輔助電源電路藉由至少一第一個別輔助電能提供第一總輔助電能。控制單元於輸入電源正常且負載所需之第一瞬時功率大於電源供應器集成輸出之輸出功率的第一額定上限值時，驅動第一輔助電源電路輸出第一總輔助電能，以補償第一瞬時功率及第一額定上限值之間的差值。

為達上述目的，本案之另一較廣實施態樣為提供一種供電系統，包含：電源供應器集成、第一輔助電源電路、第二輔助電源電路及控制單元。電源供應器集成電連接於輸入電源與負載之間，於輸入電源正常時轉換輸入電源為第一直流電能。第一輔助電源電路電連接於電源供應器集成與負載之間，提供第一總輔助電能。第二輔助電源電路電連接於電源供應器集成與負載之間，提供第二總輔助電能。控制單元於輸入電源正常且負載所需之第一瞬時功率大於電源供應器集成輸出之輸出功率的第一額定上限值時，選擇性驅動第一輔助電源電路和第二輔助電源電路之至少一者而對應輸出第一總輔助電能和第二總輔助電能之至少一者，以補償第一瞬時功率及第一額定上限值之間的差值。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非架構於限制本案。

請參閱第1圖，其係為本案第一較佳實施例之供電系統之電路結構示意圖。如圖所示，本案之供電系統2係電連接於輸入電源P與負載L之間，其中輸入電源P係例如為市電，用以提供交流電能，但不以此為限。在一些實施例中，輸入電源P可選自太陽能板、燃料電池、飛輪、發電機及再生能源的任一者或任兩者以上的組合，用以提供直流電能。供電系統2包含電源供應器集成21、輔助電源電路22及控制單元23。電源供應器集成21係與該輸入電源P電連接，且經由直流匯流排D與負載L電連接，用以於輸入電源P正常時接收輸入電源P，並轉換輸入電源P以輸出第一直流電能至負載L，以驅動負載L運作。

輔助電源電路22係經由直流匯流排D與電源供應器集成21及負載L電連接，其係可於運作時提供總輔助電能至負載L，且輔助電源電路22包含至少一儲能單元221及至少一電能轉換器222，在本實施例中係為複數個，但不以此為限。每一儲能單元221用以提供一第二直流電能。每一電能轉換器222係電連接於對應之儲能單元221及負載L之間，用以於運作時接收並轉換對應之儲能單元221所提供之第二直流電能為一個別輔助電能，使輔助電源電路22藉由電能轉換器222所輸出之個別輔助電能而提供總輔助電能至負載L。於一些實施例中，每一儲能單元221具有一額定功率，儲能單元221可為蓄電池或超級電容器，但不以此為限。於一些實施例中，儲能單元221可為多組串接/並接的電路結構(例如但不限於，任意儲能單元221所構成矩陣式的結構)。

控制單元23係經由直流匯流排D與電源供應器集成21及負載L電連接，並與輔助電源電路22電連接。於一些實施例中，輔助電源電路22包含的儲能單元221及電能轉換器222的數量為複數個控制單元23用以於輸入電源P異常時，驅動多個電能轉換器222運作而輸出對應的多個個別輔助電能，使得輔助電源電路22利用多個電能轉換器222所輸出之個別輔助電能而產生總輔助電能至負載L，以提供備援的功效。

此外，控制單元23更用以於電源供應器集成21運作(亦即輸入電源P正常)時，判斷負載L所需之瞬時功率是否大於電源供應器集成21輸出之輸出功率之額定上限值，並根據判斷結果判斷是否驅動輔助電源電路22。當負載L所需之瞬時功率大於電源供應器集成21輸出之輸出功率的額定上限值時，控制單元23驅動輔助電源電路22運作，同時，控制單元23更對負載L所需之瞬時功率及額定上限值之間的差值的大小進行判斷，以計算該差值須由多少數量的儲能單元221的來補償，藉此控制單元23便驅動對應數量的電能轉換器222進行運作，使該些運作的電能轉換器222分別轉換對應的儲能單元221為個別輔助電能，藉此輔助電源電路22利用該些運作的電能轉換器222所輸出之個別輔助電能而產生之總輔助電能便可補償負載L所需之瞬時功率及額定上限值之間的差值。

於一些實施例中，供電系統更包含偵測電路231，用以偵測電源供應器集成21所輸出之輸出功率和負載L之電能參數，例如負載L所需之電壓、電流或功率的大小，以取得負載L所需之瞬時功率，並將偵測到的資料傳給控制單元23作為控制或判斷的依據。

進一步來說，當輸入電源P正常時，例如，市電電網穩定提供電源，電源供應器集成21進行運作，以利用電源供應器集成21輸出第一直流電能對負載L供電。當控制單元23藉由偵測電路231的偵測結果判斷出負載L所需之瞬時功率大於電源供應器集成21所能輸出之輸出功率的額定上限值時，控制單元23便驅動輔助電源電路22輸出總輔助電能，以利用總輔助電能來補償負載L所需之瞬時功率及額定上限值之間的差值。於一些實施例中，控制單元23依據負載L所需之瞬時功率及額定上限值之間的差值的大小驅動對應數量的電能轉換器222進行運作，藉此利用對應數量的電能轉換器222在運作時所輸出之個別輔助電能來產生輔助電源電路22所輸出之總輔助電能。

另一方面，當輸入電源P正常且電源供應器集成21進行運作時，若控制單元23判斷出負載L所需之瞬時功率小於等於電源供應器集成21輸出之輸出功率的額定上限值時，此時電源供應器集成21便能供應負載L所需之功率，因此控制單元23無須進一步驅動輔助電源電路22以輸出總輔助電能。此外，當輔助電源電路22的儲能單元221儲存的電量尚未飽和時，控制單元23可控制電能轉換器222將電源供應器集成21提供的第一直流電能轉換為第二直流電能對儲能單元221進行充電，直到儲能單元221儲存的電量飽和。

當輸入電源P異常時，例如，市電電網發生停電、壓降、湧浪、持續欠壓/過壓、線躁等情況時，電源供應器集成21停止運作，同時控制單元23驅動至少一電能轉換器222運作，來輸出總輔助電能至負載L，直到輸入電源P恢復正常時，再重起啟動電源供應器集成21，並根據負載L需要的功率選擇性地驅動輔助電源電路22。

由上可知，本案之供電系統2的輔助電源電路22可於負載L所需之瞬時功率大於電源供應器集成21輸出之輸出功率的額定上限值時，使電能轉換器222進行運作，以主動地使輔助電源電路22所輸出之總輔助電能可補償負載L所需之瞬時功率及額定上限值之間的差值。如此一來，在不提高電源供應器集成21所能輸出的功率或增加輔助電源電路22內的儲能單元221的數量的情況下，電源供應器集成21並不會過載而關機而使輔助電源電路22內之儲能單元221須供應過載電能給負載L，故可延長儲能單元221的使用壽命，同時使本案之供電系統2的生產成本無需增加。

於一些實施例中，電能轉換器222為雙向轉換器。換言之，輔助電源電路22可藉由電能轉換器222將電源供應器集成21輸出的第一直流電能轉換為第二直流電能並儲存在儲能單元221中，以及藉由電能轉換器222將儲存於在儲能單元221的第二直流電能轉換成個別輔助電能以提供給負載L。

於一些實施例中，電源供應器集成21可包含至少一電源供應器211，於本實施例中，其係為複數個，但不以此為限。複數個電源供應器211係並聯連接，且每一電源供應器211包含均流電路214、開關215和電能轉換器216。電能轉換器216用以將輸入電源P轉換為第一直流電能。於本實施例中，電能轉換器216包含交流/直流轉換器212和直流/直流轉換器213。交流/直流轉換器212係與輸入電源P電連接，用以於輸入電源P提供交流電能時，接收並轉換交流電能為直流過渡電能。直流/直流轉換器213係與交流/直流轉換器212電連接，用以接收並轉換直流過渡電能，以輸出第一直流電能。於一些實施例中，電能轉換器216可不包含直流/直流轉換器213，僅透過交流/直流轉換器212直接將接收的交流電能轉換為第一直流電能。於一些實施例中，若輸入電源P係提供直流電能，則電源供應器211可不包含交流/直流轉換器212，僅透過直流/直流轉換器213直接將接收的直流電能轉換為第一直流電能。

均流電路214係與電能轉換器216電連接，用以調整對應之電能轉換器216所輸出的電流值，以與其它電能轉換器216所輸出的電流值相等，藉此複數個電源供應器211利用均流電路214而達到均流的作用。每一開關215係電連接於對應之均流電路214及負載L之間，用以於電源供應器211停止運作時斷開，而於電源供應器211運作時導通，使每個電源供應器211輸出之第一直流電能可經由對應的開關215傳送至負載L。

請繼續參閱第1圖，於其它實施例中，輔助電源電路22更可包含至少一開關223，每一開關223係電連接於對應之電能轉換器222及負載L之間，且由控制單元23控制而進行導通或截止之切換運作。當電能轉換器222進行運作而對儲能單元221進行充電或是藉由儲能單元221輸出個別輔助電能時，控制單元23控制對應的開關223進行導通。

於一些實施例中，輔助電源電路22更包含至少一均流電路224，每一均流電路224係電連接於對應之電能轉換器222及對應之開關223之間，用以調整對應之電能轉換器222所輸出的個別輔助電能的電流值，以與其它電能轉換器222所輸出的個別輔助電能的電流值相等，進行均流，藉此任一運作之電能轉換器222所輸出的個別輔助電能的電流值與其它運作之電能轉換器222所輸出的個別輔助電能的電流值相等，進而達到均流的作用。

於一些實施例中，當負載L有瞬時大功率的需求(即電源供應器集成21無法滿足負載L所需之功率)時，可對每個均流單元214提供的輸出電流與每個均流單元224提供的輸出電流的總和進行均流。意即，均流單元214輸出的電流值可大致上等於均流單元224輸出的電流值，使兩者能夠共同平分負載L所抽取的輸出電流。於一些實施例中，均流單元224亦可依據負載L的抽載大小，調整輸出電流的電流值。亦即，均流單元214輸出的電流值可不同於均流單元224輸出的電流值。

請參閱第2圖，其係為本案第二較佳實施例之供電系統之電路結構示意圖。本實施例中之供電系統3之元件結構及功能係相似於第1圖所示之供電系統2，且相同的元件標號代表相似元件結構及功能，於此不再贅述。供電系統3係包含第一輔助電源電路32a及第二輔助電源電路32b。第一輔助電源電路32a和第二輔助電源電路32b係經由直流匯流排D與負載L及電源供應器集成31電連接。第一輔助電源電路32a包含至少一第一儲能單元321和與對應的第一儲能單元321連接的電能轉換器322，在本實施例中係為複數個，但不以此為限。每一第一儲能單元321經由對應的電能轉換器322提供一第一個別輔助電能，使第一輔助電源電路32a藉由至少一電能轉換器322所輸出之第一個別輔助電能而產生第一總輔助電能至負載L。類似地，第二輔助電源電路32b包含至少一第二儲能單元323和與對應的第二儲能單元323連接的電能轉換器324，在本實施例中係為複數個，但不以此為限。每一第二儲能單元323經由對應的電能轉換器324提供一第二個別輔助電能，使第二輔助電源電路32b藉由至少一電能轉換器324所輸出之第二個別輔助電能而產生第二總輔助電能至負載L。

在一些實施例中，第一儲能單元321的功率密度大於第二儲能單元323的功率密度。在一些實施例中，第一儲能單元321的能量密度小於第二儲能單元323的能量密度。舉例而言，第一儲能單元321可例如，但不限於超級電容器；第二儲能單元323可例如，但不限於蓄電池。

當輸入電源P正常供電時，電源供應器集成31進行運作，並輸出第一直流電能對負載L供電。電源供應器集成31的電路結構和操作類似於第1圖的電源供應器集成21，於此不再贅述。當控制單元33判斷出負載L所需之瞬時功率大於電源供應器集成31所能輸出之輸出功率的額定上限值時(例如根據偵測電路331的偵測結果進行判斷)，控制單元33可優先驅動具有較大功率密度之第一儲能單元321的第一輔助電源電路32a的電能轉換器322以輸出第一總輔助電能，來補償負載L所需之瞬時功率及額定上限值之間的差值。

另外，若過了一段時間，負載L所需之功率持續超過電源供應器集成31能輸出之額定上限值，且第一輔助電源電路32a輸出之能量並不足以補償負載所需之功率和額定上限定值的差值時，第二輔助電源電路32b可藉由驅動電能轉換器324提供第二總輔助電能以補上第一輔助電源電路32a提供不足的部分。

當輸入電源P異常時，電源供應器集成31停止運作，此時控制單元33可優先驅動具有較大能量密度之第二儲能單元323的第二輔助電源電路32b的電能轉換器324輸出第二總輔助電能，以滿足負載L所需之能量。另一方面，當輸入電源P異常而第二輔助電源電路32b所提供之第二總輔助電能不足以供給負載L時(亦即，輸入電源P異常且負載L所需之瞬時功率大於第二輔助電源電路32b所提供之第二總輔助電能之功率的額定上限值時)，控制單元33則可進一步驅動第一輔助電源電路32a同時進行運作，使得第一輔助電源電路32a利用第一總輔助電能補償負載L所需之額外功率。

具體而言，由於第二儲能單元323的能量密度(如蓄電量)大於第一儲能單元321，因此當輸入電源P異常且需要備援電路提供能量時，可優先選擇由第二輔助電源電路32b提供，藉此可延長供電系統3滿足負載L的需求電源的持續時間。另外，第一儲能單元321的功率密度大於第二儲能單元323，因此能更快速地提供額外的電源供應至負載L。因此，在負載L有額外功率之需求的情況下，可優先選擇由第一輔助電源電路32a提供。

然而，本發明並不以上述實施方式為限。在一些實施例中，當輸入電源P正常且負載L有瞬時大功率的需求時，亦可優先選擇驅動第二輔助電源電路32b或者是同時驅動第一輔助電源電路32a和第二輔助電源電路32b，用以補償負載L額外之功率需求。類似地，當輸入電源P異常時，亦可優先選擇驅動第一輔助電源電路32a或者是同時驅動第一輔助電源電路32a和第二輔助電源電路32b，用以維持負載L的能量需求。

於一些實施例中，第一輔助電源電路32a或/及第二輔助電源電路32b亦可包含均流單元(圖未示)，其功能和操作類似於第2圖的均流單元224，於此不再贅述。於一些實施例中，第一輔助電源電路32a或/及第二輔助電源電路32b亦可分別包含至少一開關325，其功能和操作類似於第2圖的均流單元223，於此不再贅述。

綜上所述，本案之供電系統的輔助電源電路可於負載所需之瞬時功率大於電源供應器集成輸出之輸出功率的額定上限值時，使電能轉換器進行運作，以主動地使輔助電源電路所輸出之總輔助電能可補償負載所需之瞬時功率及額定上限值之間的差值。如此一來，在不提高電源供應器集成所能輸出的功率或增加輔助電源電路內的儲能單元的數量的情況下，電源供應器集成並不會過載而關機而使輔助電源電路內之儲能單元須供應過載電能給負載，故可延長儲能單元的使用壽命，同時使本案之供電系統的生產成本無需增加。

P:輸入電源L:負載2、3:供電系統21、31:電源供應器集成211、311:電源供應器212、312:交流/直流轉換器213、313:直流/直流轉換器214、224、314:均流電路215、223、315、325:開關216、222、316、322、324:電能轉換器22:輔助電源電路32a:第一輔助電源電路321:第一儲能單元323:第二儲能單元32b:第二輔助電源電路221:儲能單元23、33:控制單元231、331:偵測電路D:直流匯流排

第1圖為本案第一較佳實施例之供電系統之電路結構示意圖。第2圖為本案第二較佳實施例之供電系統之電路結構示意圖。

P:輸入電源

L:負載

2:供電系統

21:電源供應器集成

211:電源供應器

212:交流/直流轉換器

213:直流/直流轉換器

214、224:均流電路

215、223:開關

216、222:電能轉換器

22:輔助電源電路

221:儲能單元

23:控制單元

231:偵測電路

D:直流匯流排

Claims

一種供電系統，包含：一電源供應器集成，電連接於一輸入電源與一負載之間，於該輸入電源正常時轉換該輸入電源為一第一直流電能；一第一輔助電源電路，電連接於該電源供應器集成與該負載之間，包含：至少一第一儲能單元，提供一第二直流電能；及至少一第一電能轉換器，係電連接於該至少一第一儲能單元及該負載之間，轉換該第二直流電能為一第一個別輔助電能，以使該第一輔助電源電路藉由該至少一第一個別輔助電能提供一第一總輔助電能；及一控制單元，於該輸入電源正常且該負載所需之一第一瞬時功率大於該電源供應器集成輸出之輸出功率的一第一額定上限值時，驅動該第一輔助電源電路輸出該第一總輔助電能，以補償該第一瞬時功率及該第一額定上限值之間的一差值。
如請求項1所述之供電系統，更包含一偵測電路，偵測該電源供應器集成輸出之輸出功率及該負載之一電能參數，而該控制單元根據該偵測電路之偵測結果判斷該負載所需之該第一瞬時功率是否大於該第一額定上限值。
如請求項2所述之供電系統，其中該電能參數包含該負載所需之電壓、電流或功率的大小。
如請求項1所述之供電系統，其中該第一輔助電源電路包含複數個該第一儲能單元及複數個該第一電能轉換器，每一該第一電能轉換器係電連接於對應之該第一儲能單元及該負載之間，且該控制單元依據該負載所需之該第一瞬時功率及該第一額定上限值的該差值的大小驅動對應數量的該第一電能轉換器進行運作。
如請求項4所述之供電系統，其中該輔助電源電路包含複數個第一均流電路，每一該第一均流電路與對應之該第一電能轉換器電連接，用以調整對應之該第一電能轉換器所輸出的電流值，以與其它該第一電能轉換器所輸出的電流值相等。
如請求項1所述之供電系統，其中該電源供應器集成包含複數個電源供應器，複數個該電源供應器之間係並聯連接，每一該電源供應器包含：一第二電能轉換器，轉換該輸入電源為該第一直流電能；及一第二均流電路，係與該第二電能轉換器電連接，調整該第二電能轉換器輸出的電流值，以與其它該電源供應器輸出的電流值相等。
如請求項1所述之供電系統，其中當該輸入電源異常時，該電源供應器集成停止運作，該控制單元驅動該第一輔助電源電路以提供該第一總輔助電能對該負載供電。
如請求項1所述之供電系統，其中該第一電能轉換器係雙向轉換器。
如請求項1所述之供電系統，更包含一第二輔助電源電路電連接於該電源供應器集成與該負載之間，以提供一第二總輔助電能，且該第二輔助電源電路包含至少一第二儲能單元，其中該至少一第一儲能單元的功率密度大於該至少一第二儲能單元的功率密度及/或該至少一第二儲能單元的能量密度大於該至少一第一儲能單元的能量密度。
如請求項9所述之供電系統，其中當該輸入電源異常時，該電源供應器集成停止運作，該控制單元驅動該第二輔助電源電路以提供該第二總輔助電能對該負載供電，且當該負載所需之一第二瞬時功率大於該第二輔助電源電路輸出之輸出功率的一第二額定上限值時，該控制單元驅動該第一輔助電源電路以提供該第一總輔助電能補償該第二瞬時功率及該第二額定上限值之間的該差值。
一種供電系統，包含：一電源供應器集成，電連接於一輸入電源與一負載之間，於該輸入電源正常時轉換該輸入電源為一第一直流電能；一第一輔助電源電路，電連接於該電源供應器集成與該負載之間，提供一第一總輔助電能；一第二輔助電源電路，電連接於該電源供應器集成與該負載之間，提供一第二總輔助電能；及一控制單元，於該輸入電源正常且該負載所需之一第一瞬時功率大於該電源供應器集成輸出之輸出功率的一第一額定上限值時，選擇性驅動該第一輔助電源電路和該第二輔助電源電路之至少一者而對應輸出該第一總輔助電能和該第二總輔助電能之至少一者，以補償該第一瞬時功率及該第一額定上限值之間的一差值。
如請求項11所述之供電系統，其中該第一輔助電源電路和該第二輔助電源電路分別包含至少一第一儲能單元和至少一第二儲能單元，該至少一第一儲能單元的功率密度大於該至少一第二儲能單元的功率密度及/或該至少一第二儲能單元的能量密度大於該至少一第一儲能單元的能量密度。
如請求項12所述之供電系統，其中該控制單元依據該負載所需之該第一瞬時功率及該額定上限值的該差值的大小，驅動該第一輔助電源電路以提供該第一總輔助電能補償該第一瞬時功率及該第一額定上限值之間的該差值。
如請求項13所述之供電系統，其中當該第一總輔助電能不足以補償該第一瞬時功率及該第一額定上限值之間的該差值時，該第二輔助電源電路被驅動以提供該第二總輔助電能補償該第一總輔助電能不足的部分。
如請求項12所述之供電系統，其中當該輸入電源異常時，該電源供應器集成停止運作，該控制單元驅動該第二輔助電源電路以提供該第二總輔助電能維持該負載所需之能量。
如請求項15所述之供電系統，其中當該輸入電源異常且該負載所需之一第二瞬時功率大於該第二輔助電源電路輸出之輸出功率的一第二額定上限值時，該控制單元驅動該第一輔助電源電路以提供該第一總輔助電能補償該第二瞬時功率及該第二額定上限值之間的該差值。