CN105027404B - 电源系统 - Google Patents

Abstract

具有AC/DC转换电路和DC/DC转换电路的电源单元、以及具有电池和DC/DC转换电路的电池单元与和两者相连的公共直流母线并联连接，直流母线与负载相连。在常规模式中，由电源单元向负载供电。若交流电源停电，则切换到备用模式，由电池单元进行供电。在负载超过电源单元的额定总和的情况下，若即使未停电但输入电压也降低导致无法提供足够的电力，或者因故障、维护等而使一部分电源单元停止等的情况下，切换到辅助模式，在来自电源单元的供电不足的情况下，由电池单元提供不足的那部分电力。

Description

电源系统

技术领域

本发明涉及一种电源系统，其通过将电源单元与电池单元组合而构成，其通过暂时由电池单元供电从而能向负载提供大于电源单元的总输出的功率，即具有电力辅助功能。

背景技术

图1是表示专利文献1中公开的电源系统的结构的图。图1所示的电源系统由三相工业电源E、直流电源装置501以及负载RL构成，其中，直流电源装置501由蓄电装置60、多个直流电源装置单元1～N、一个充电兼预备单元、以及监视部81构成，该监视部81具有运行状态判定部82、输出电压监视部83、下垂动作控制部84、充电电压检测部85、以及恒流充电控制部86。

直流电源装置501在正常运行时使n台直流电源单元1～N动作来向具有恒定功率特性的负载RL供电，在直流电源单元1～N中的某一个发生故障的情况下，使用充电兼预备单元作为故障单元的替代单元。在图示例中，采用三相交流作为输入电源，但也可以采用单相交流作为输入电源。

在因停电而失去了来自工业电源E的AC输入的情况下，从蓄电池61通过二极管DX1向负载RL供电。此外，在该直流电源装置501中，充电兼预备单元用作预备的电源单元，并兼作为对蓄电池61进行充电的充电器。

在由直流电源单元1～N向负载RL提供输出电压的情况下，将充电兼预备单元以及蓄电池61从负载RL侧断开，因此对二极管DX1施加反向偏置电压。

直流电源单元1～N以及充电兼预备单元在正常运行时具有将输出电流限制在规定的额定电流(100％连续额定电流)以防止单元损坏的恒流下垂特性，此外在发生规定的触发条件(根据直流电源装置501的运行状态而设定的条件)时，例如在停电后电源恢复时等触发条件发生时，能暂时将恒流下垂特性切换为恒功率下垂特性。

电压传感器VT1对直流电源装置501的输出电压V0(＝负载电压VL)进行检测。电压传感器VT2对蓄电池61的充电电压进行检测。电流传感器CT1对蓄电池61的充电电流进行检测。

监视部81与各直流电源单元1～N以及充电兼预备单元进行相互通信，对各直流电源单元1～N以及充电兼预备单元的运行状态进行监视，并向各直流电源单元1～N以及充电兼预备单元发送控制指令信号(例如下垂特性的切换指示信号)。

运行状态判定部82从各直流电源单元1～N接受运行状态信号St1～StN的输入，并从充电兼预备单元接受运行状态信号Stc的输入。由此，运行状态判定部82检测(判定)直流电源单元以及充电兼预备单元的运行状态、故障的产生、恢复、停电后的电力恢复等。

在运行状态判定部82中，基于从直流电源单元1～N以及充电兼预备单元接收到的运行状态的信号，来判定是例如所有单元均正常运行的正常运行中的状态、或是从停电状态恢复电力后的启动状态、或是故障的直流电源单元恢复并开始运行的状态等。

输出电压监视部83从电压传感器VT1接受电压检测信号的输入，对直流电源装置501的输出电压Vo进行监视。此外，下垂动作控制部84根据直流电源单元1～N以及充电兼预备单元的运行状态来控制直流电源单元1～N以及充电兼预备单元的下垂特性。此外，充电电压检测部85从电压传感器VT2接受电压检测信号的输入，对蓄电池61的充电电压进行监视。

恒流充电控制部86在由充电兼预备单元对蓄电池61进行恒流充电的情况下，控制向充电兼预备单元进行恒流输出动作。上述恒流充电中，监视部81内的恒流充电控制部86通过控制充电兼预备单元的输出电流来对蓄电池61进行恒流充电。该情况下，恒流充电控制部86利用电流传感器CT1检测流入蓄电池61的充电电流，对充电兼预备单元的输出电流进行控制以得到规定的恒电流值。

由此，下述专利文献1所公开的电源系统将多个直流电源单元并联连接，在停电时利用电池作为备用输出线路，并控制电源单元的下垂特性来暂时提供额定电流以上的电流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2013－046454号公报(图1、图2)

发明内容

然而，在以数据中心内的服务器等作为负载的电源系统中，耗电量会随着服务器等的信息处理量而发生变化。作为电源容量，需要将峰值负载以上的值设定为额定功率，但其结果会导致大部分时间都在大幅低于额定值的输出下运行，电源设备的容量相对于平均耗电量会过大，存在设备成本变大的问题。

另一方面，将上述服务器等作为负载的电源系统通常具备为停电而设置的电池备用设备。因此，若能利用电池容量的一部分在峰值负载时由电池负担一部分功率，则理论上能减小电源设备容量。

然而，图1所示的专利文献1所公开的电源系统中，电池61不经由功率控制单元而与直流母线相连，因而无法控制功率的分担量。虽然设置了充电兼预备单元，但若在峰值负载时由电池负担所有负载的功率，则实际在停电时进行备用的功率量可能会不够，此外，从使用寿命的观点来看，也不希望电池频繁地进行满负载放电。

该问题虽然能通过在电池侧设置功率控制单元来解决，但该情况下，为了在电源单元群与电池之间适当进行负载分担，采用例如对全负载量进行检测并传输给公共的控制装置从而决定电源单元、电池单元的输出分担并输出指令的方法，但由于需要高速传输连续量的数据，因而不仅会因元器件增加而导致成本上升，还可能在公共的控制装置产生问题时对所有单元的动作造成妨碍。

本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种无需设置复杂的公共控制装置或大规模的相互通信单元就能适当控制峰值负载时电池的功率分担量的电源系统。

为了实现上述目的，本发明的电源系统通过将一台以上的第一电源装置与一台以上的第二电源装置的输出部并联连接而成，该第一电源装置从交流或直流电源接受供电，并将电压调整到一定范围内提供给负载，该第二电源装置从蓄电池接受供电，将电压调整到一定范围内提供给负载，

该电源系统具有常规模式、备用模式、辅助模式这三种动作模式，

上述常规模式是在上述交流或直流电源完好且负载在电源系统的额定范围内时由上述第一电源装置进行供电的模式，

上述备用模式是在上述交流或直流电源停电时由上述第二电源装置进行供电的模式，

上述辅助模式是在上述负载超过上述第一电源装置的额定输出总和的情况下，或在上述交流或直流电源的电压降低、或者多个上述第一电源装置内能够工作的数量减少的情况下，由上述第二电源装置提供不足的那部分功率的模式，

上述第一电源装置及上述第二电源装置具有分别独立的电压检测单元、检测自身的输出电流的输出电流单元、以及接收上述三个模式的指定的通信单元，

上述辅助模式中上述第二电源系统的供电量利用电源系统的输出电压来调整。

根据本发明，无需设置复杂的公共控制装置、大规模的相互通信单元就能实现峰值负载时电池的功率分担，能减少电源设备容量。

附图说明

图1是表示专利文献1中公开的以往的电源系统的结构的图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的电源系统的构成例的框图。

图3是表示本发明实施方式的包含控制系统的电源单元、电池单元的结构的图。

图4是对本发明实施方式的下垂特性的内容进行说明的图。

图5是表示本发明的实施方式所涉及的电源系统的动作例的图。

具体实施方式

下面，参照附图，说明用于实施本发明的最优实施方式。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的电源系统的构成例的框图。图2所示的本发明实施方式的电源系统由交流电源1、负载2、接受交流电源1的输入并向负载2提供例如12V的大致恒定电压的电源单元3～5、以及由内置的电池来提供电力的电池单元6～8构成。

如上所述，电源单元3～5以及电池单元6～8与将两者相连的公共直流母线并联连接。另外，图2中，电源单元3～5、电池单元6～8的并联数分别设为3，但并不限于此。

电源单元3～5的构成要素可以具有AC/DC转换电路10～12、DC/DC转换电路13～15。上述DC/DC转换电路13～15通常使用输入输出绝缘型的转换电路。此外，电池单元6～8的构成要素可以具有电池16～18、DC/DC转换电路19～21。DC/DC转换电路19～21可以是绝缘型的，也可以是非绝缘型的。此外，DC/DC转换电路19～21在这里假设进行从电池单元侧向直流母线侧的单向功率转换，并另行设置电池的充电单元(未图示)，但也能采用能进行双向功率转换的转换电路来兼用作充电电路。

图2所示的本发明实施方式的电源系统以常规模式、备用模式、辅助模式中的某一种模式进行动作。常规模式是利用电源单元3～5向负载2提供电力的模式。备用模式是在交流电源1停电时由电池单元6～8向负载2供电的模式。辅助模式是在从电源单元3～5向负载提供的功率不足的情况下由电池单元6～8提供不足的那部分功率的模式。例如，该电源系统在负载2的功率超过电源单元3～5的额定功率总和的情况、或即使没有停电但输入电压降低从而无法提供足够电力的情况、或因故障、维修等使得电源单元3～5的一部分停止等的情况下，以辅助模式进行动作。另外，关于辅助模式，之后将进行更详细的说明。

通常，电池的电压会因放电而降低。降低量具有放电电流越大降低量越大、且随着放电进行而增加的性质。DC/DC转换电路19～21进行无论电池电压如何变化都使直流母线电压基本保持恒定的动作。

图3是表示本发明实施方式的包含控制系统的电源单元、电池单元的结构的图。图3中，作为代表例示出了具有一个电源单元以及一个电池单元的例子，但也可以与图2同样，能分别并联连接两个以上任意数量的单元。

图3中，101、102、202表示电压检测器，103、203表示电流检测器，104、204表示电压指令值设定单元，105、106、205、206表示加法器。107、207表示电压调节器(Auto VoltageRegulator)，由PI(比例·积分)调节器(Proportional&Integral·regulator)等构成。108、208表示电流调节器(Auto Current Regulator)，与上述电压调节器同样，由PI(比例·积分)调节器等构成。

在图3的电源单元3中，利用电压检测器102检测输出电压，求出其与来自电压指令值设定单元104的电压指令值的差，并由电压调节器107输出电流指令值。电流指令值在输出电压不足的情况下较大，在输出电压过剩的情况下较小。求出该电流指令值与由电源单元3中的电流检测器103检测到的输出电流的差，并对DC/DC整流器13的内部电动势进行增减，以使该电流差接近于0。

另一方面，在电池单元6的情况下，求出从电压调节器207输出的电流指令值与由电池单元6中的电流检测器203检测到的输出电流的差，并对DC/DC整流器19的内部电动势进行增减，以使该电流差接近于0。

此外，对于电流指令值，在输入到电流调节器108、208时设有未图示的限制器，从而无论负载量如何，都不会输出超过额定电流的电流。

如图2所示，本发明实施方式的电源系统大多情况下将多台电源单元和电池单元并联连接来使用。此时，为了获得各单元的电流平衡，对各单元实施基于所谓的下垂(droop)特性的控制。

图4是对本发明实施方式的下垂特性的内容进行说明的图。如图4所示，下垂特性是指，输出电压根据输出电流而降低。在特定单元的输出电流较大的情况下，该单元的电压因下垂特性而变小，因此电流减小。其结果，各单元的输出电流在全负载电流的并联数分之一的值附近取得平衡。由此引起的输出电压的变动范围限制在由装置规格所规定的输出电压精度的范围内。

利用图4对电池单元6～8的下垂特性进行进一步说明。目前，在电池单元6～8中，根据动作模式在V01、V02、V03之间对无负载时的电压指令值(下面用“V0C”的标记来表示)进行切换。此外，为了简化说明，假设各电源单元3～5与电池单元6～8的额定输出相同，且并联数也相同。另外，将输出电流的额定值设为100％。

在备用模式时，由电池单元6～8来承担所有电力负载。因此，备用模式时电池单元6～8的下垂特性设定为与常规模式时电源单元3～5的下垂特性相同(参照图4上部)。

在辅助模式时，例如将VOC(电压指令值)降低到VO2，使得电源单元3～5输出100％电流时的输出电压值与电池单元6～8输出20％电流时的输出电压值相等。例如在负载2的输入电流相当于额定值的120％的情况下，电源单元3～5输出100％的电流，在电池单元6～8输出20％电流的点上，两单元的输出电流达到平衡，并以该比率运行。由此，电池单元6～8的不必要的放电得以避免(参照图4中部)。

在常规模式时，电池单元6～8的VOC(电压指令值)降低到比电源单元3～5输出100％电流时的输出电压值要低的值V03。由此，能防止从电池单元6～8连续地进行放电。另一方面，在电源单元3～5因负载骤变等而脱离正常的输出范围时，能利用从电池单元6～8的放电来抑制电压变动量(参照图4下部)。

另外，图4中利用无负载时的电压指令值(VOC)来调整电流分担，但也能利用下垂量即输出电压相对于输出电流的降低量来进行调整。或者，也能同时使用无负载时的电压指令值(VOC)和下垂量来调整电流分担。

接着，利用图3说明电池单元中的VOC设定方法。109是检测输入停电的停电检测单元。110是在电源单元内的电流指令值超过规定值、例如超过相当于100％输出时输出辅助请求信号的辅助请求产生单元。210是在电池单元内的电流指令值低于规定值、例如10％时输出请求解除辅助模式的信号的辅助解除产生单元。

在未发生停电且没有辅助请求时，电压指令值设定单元204将VOC(电压指令值)设定为V03，按照既定的下垂设定来输出电流指令值(参照图4下部)。在发生了停电的情况下，无论是否有辅助请求，电压指令值设定单元204都将VOC(电压指令值)设定为VO1(参照图4上部)。在未发生停电而辅助请求产生单元110输出了辅助请求的情况下，电压指令值设定单元204将VOC(电压指令值)设定为VO2(参照图4中部)。由此，以规定的比率从电池单元6～8向超过额定100％的负载2进行输出。

电源单元3～5的电流指令值超过100％并不限于负载2的输入电流超过100％的情况。在没有停电但交流电源1的电压降低的情况下，电源单元3～5的AC/DC转换部10～12无法输入规定值以上的电流，因此功率不足，导致输出电压降低。

此外，在电源单元3～5内的一台在100％负载附近故障停止的情况下，或者为了维护而将某个电源单元拆除的情况下，剩余单元的电力供给不足，同样会导致输出电压降低。

电源单元3～5的电压调节器107增加电流指令值来试图恢复该电压下降，因此会输出超过额定的电流(但由于上述的限制器，实际上不会输出超过额定值的电流)。在这种情况下也与上述同样，当然也由电池单元6～8进行辅助动作。

然而，在电源单元3～5的输出电流减少到100％以下的情况下，若采用上述设定，则从电池单元6～8输出电流直到80％。在原本不需要辅助动作的区域，不希望进行电池单元6～8的放电。辅助解除请求产生单元210是用来避免这一情况的单元，例如在电池单元6～8的输出电流低于10％的情况下，向辅助请求产生单元110输出辅助模式解除请求的信号。辅助请求产生单元110在此时自身的电源单元的输出电流低于90％的情况下，判断总负载电流在100％以下，并解除辅助请求。在自身的电源单元的输出电流不低于90％的情况下，由于电流检测误差、单元间不平衡等，解除辅助模式可能会有产生电流不足的风险，因此维持(不解除)辅助模式。

图5是表示本发明实施方式的电源系统的动作波形的图。如图5的上半部分所示，若负载电流增加而超过100％，则电源单元3～5的输出电流被上述限制器限制在100％，而在进入了辅助模式的情况下，如图5的下半部分所示，加上来自电池单元6～8的输出后，提供超过100％的电流。若负载电流低于100％，则电池单元6～8的输出电流低于10％，且电源单元3～5的输出电流低于90％，因此辅助模式被解除，负载电流全部由电源单元3～5提供。

作为多台电源单元3～5、电池单元6～8与直流母线并联连接的情况下的模式切换，最简单的方法是利用接线OR等方法，从而即便只有一台电源单元3～5发出辅助请求的情况下也产生辅助请求，而在所有电池单元6～8发出辅助解除请求的情况下才产生辅助解除请求。这在避免输出不足上是最安全的方法，但若例如电流检测、控制的误差范围明确，则也可以在并联不平衡而输出电流最小的电源单元发出辅助请求之前仍能判断为输出电压下降范围在允许值内的情况、或者所有电源单元3～5发出辅助请求的情况下产生辅助请求。或者，也可以在一定数量或一定比例的电源单元3～5发出辅助请求的情况下产生辅助请求。对于辅助解除请求也同样。

另外，上述各单元利用电流指令值输出辅助请求或辅助解除请求，但也可以利用输出电流来输出辅助请求或辅助解除请求。

根据以上说明的本发明实施方式的电源系统，在单元之间或者与上位的控制装置之间传输电流、电压等的连续量，不需要进行辅助动作的有无、对各电池单元的辅助量进行调整等复杂的控制，因此与以往的方法相比，能以大幅简化了信号传输系统、控制系统的结构来实现所期望的动作。

工业上的实用性

本发明也能适用于通信设备用电源装置、大型计算机用电源装置。

Claims (7)

1.一种电源系统，将来自交流电源或直流电源的输入功率转换为直流功率并提供给负载，其特征在于，

所述电源系统包括至少一台第一电源装置、至少一台第二电源装置、以及蓄电池，且所述第一电源装置的输出部与所述第二电源装置的输出部并联连接，

所述第一电源装置根据第一控制装置的指令将所述输入功率转换为所述直流功率，

所述第二电源装置根据第二控制装置的指令将由所述蓄电池提供的功率转换为所述直流功率，

所述第一和第二控制装置联动地使所述第一和第二电源装置以常规模式、备用模式、辅助模式中的某一种模式动作，在所述常规模式中，由所述第一电源装置向负载提供全部功率，在所述备用模式中，由所述第二电源装置向负载提供全部功率，在所述辅助模式中，由所述第一电源装置提供一部分功率，由所述第二电源装置提供剩余的功率，

所述第一控制装置使所述第一电源装置动作，以根据所述第一电源装置的输出电流的增加来降低所述第一电源装置的输出电压，

所述第二控制装置使所述第二电源装置动作，以根据所述第二电源装置的输出电流的增加来降低所述第二电源装置的输出电压，

所述第二控制装置对于所述常规模式、备用模式、辅助模式分别具有用于根据所述第二电源装置的输出电流的增加来降低所述第二电源装置的输出电压的独立特性，

所述第二控制装置控制所述第二电源装置的输出电压，使得所述辅助模式下无负载时所述第二电源装置的输出电压为低于所述备用模式下无负载时所述第二电源装置的输出电压的值。

2.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述第二控制装置将所述辅助模式下所述第二电源装置的输出电压相对于所述第二电源装置的输出电流的降低值设定为比所述备用模式下所述第二电源装置的输出电压相对于所述第二电源装置的输出电流的降低值要大的值，来控制所述第二电源装置的输出电压。

3.如权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于，所述第二控制装置设定所述第二电源装置的输出电压的降低值，使其与所述第二电源装置的输出电流成比例。

4.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述第一和第二控制装置在所述第一电源装置的输出电流总和达到第一规定值时，进行从所述常规模式到所述辅助模式的切换。

5.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述第一和第二控制装置在所述第二电源装置的输出电流总和在第二规定值以下、或者所述第一电源装置的输出电流总和在第三规定值以下的至少某一个条件成立时，进行从所述辅助模式到所述常规模式的切换。

6.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述第一和第二控制装置在规定台数的所述第一电源装置的输出电流达到第四规定值时，进行从所述常规模式到所述辅助模式的切换。

7.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述第一和第二控制装置在规定台数的所述第二电源装置的输出电流达到第五规定值以下、或者规定台数的所述第一电源装置的输出电流达到第六规定值以下的至少某一个条件成立时，进行从所述辅助模式到所述常规模式的切换。