CN111404399A - 供电系统 - Google Patents

Abstract

本案提供一种供电系统，包含电源供应器集成、辅助电源电路及控制单元，电源供应器集成于输入电源正常时转换输入电源为第一直流电能。辅助电源电路的至少一储能单元提供第二直流电能。辅助电源电路的至少一第一电能转换器电连接于至少一储能单元及负载之间，转换第二直流电能为个别辅助电能，以使辅助电源电路藉由至少一个别辅助电能提供总辅助电能。控制单元于输入电源正常且负载所需的瞬时功率大于电源供应器集成输出的输出功率的额定上限值时，驱动辅助电源电路输出总辅助电能，以补偿瞬时功率及额定上限值之间的差值。

Description

供电系统

技术领域

本案是关于一种供电系统，尤指一种利用辅助电源电路补偿负载所需的瞬时功率的供电系统。

背景技术

因应对于大型数据中心的需求增加，为了避免大型数据中心有严重的数据毁损的可能性，一个稳定而可不断电地供应大型数据中心电能的供电系统是有其存在的必要性。

不断电系统不同于紧急电力系统或是备用发电机，平常时主要藉由电源供应器提供能量，且结合储存能源装置的能量提供输入电力源中断的瞬间保护。当交/直流电源正常时(例如市电稳定输出)，电源供应器提供稳定电源给予负载(例如数据中心)，而当交/直流电源失效时(例如市电断电)，需搭配另一储存能源装置，来提供负载所需能量。

因传统电源供应器和备援装置组合而成的不断电系统中，已限制电源供应器及备援装置能量输出最大值，因此当系统负载，需要电源供应器提供一瞬时功率且大于电源供应器平时可提供的功率时，将导致电源供应器因过载而关机，接着备援装置开始供应过载电流，而导致缩短电池寿命，且因备援装置无转换器均流设计，致使备援装置加速不平衡及老化因子，为了解决此问题，传统设计须额外增加电源供应器输出能量及更多备援装置配置的成本，来改善能量不足的课题。

因此，实有必要提供一种改良的供电系统，以解决上述先前技术所面临的问题。

发明内容

本案的目的在于提供一种供电系统，其利用辅助电源电路补偿负载所需的瞬时功率，藉此在不增加生产成本的条件下，避免电源供应器集成过载，进而提升辅助电源电路内的电池的寿命。

为达上述目的，本案的一较广实施态样为提供一种供电系统，包含电源供应器集成、第一辅助电源电路及控制单元。电源供应器集成电连接于输入电源与负载之间，于输入电源正常时转换输入电源为第一直流电能。第一辅助电源电路电连接于电源供应器集成与负载之间，且包含至少一第一储能单元及至少一第一电能转换器。至少一第一储能单元提供第二直流电能。至少一第一电能转换器电连接于至少一第一储能单元及负载之间，转换第二直流电能为第一个别辅助电能，以使第一辅助电源电路藉由至少一第一个别辅助电能提供第一总辅助电能。控制单元于输入电源正常且负载所需的第一瞬时功率大于电源供应器集成输出的输出功率的第一额定上限值时，驱动第一辅助电源电路输出第一总辅助电能，以补偿第一瞬时功率及第一额定上限值之间的差值。

为达上述目的，本案的另一较广实施态样为提供一种供电系统，包含：电源供应器集成、第一辅助电源电路、第二辅助电源电路及控制单元。电源供应器集成电连接于输入电源与负载之间，于输入电源正常时转换输入电源为第一直流电能。第一辅助电源电路电连接于电源供应器集成与负载之间，提供第一总辅助电能。第二辅助电源电路电连接于电源供应器集成与负载之间，提供第二总辅助电能。控制单元于输入电源正常且负载所需的第一瞬时功率大于电源供应器集成输出的输出功率的第一额定上限值时，选择性驱动第一辅助电源电路和第二辅助电源电路的至少一者而对应输出第一总辅助电能和第二总辅助电能的至少一者，以补偿第一瞬时功率及第一额定上限值之间的差值。

附图说明

图1为本案第一较佳实施例的供电系统的电路结构示意图。

图2为本案第二较佳实施例的供电系统的电路结构示意图。

其中，附图标记

P：输入电源

L：负载

2、3：供电系统

21、31：电源供应器集成

211、311：电源供应器

212、312：交流/直流转换器

213、313：直流/直流转换器

214、224、314：均流电路

215、223、315、325：开关

216、222、316、322、324：电能转换器

22：辅助电源电路

32a：第一辅助电源电路

321：第一储能单元

323：第二储能单元

32b：第二辅助电源电路

221：储能单元

23、33：控制单元

231、331：检测电路

D：直流总线

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非架构于限制本案。

请参阅图1，其为本案第一较佳实施例的供电系统的电路结构示意图。如图所示，本案的供电系统2电连接于输入电源P与负载L之间，其中输入电源P例如为市电，用以提供交流电能，但不以此为限。在一些实施例中，输入电源P可选自太阳能板、燃料电池、飞轮、发电机及再生能源的任一者或任两者以上的组合，用以提供直流电能。供电系统2包含电源供应器集成21、辅助电源电路22及控制单元23。电源供应器集成21与该输入电源P电连接，且经由直流总线D与负载L电连接，用以于输入电源P正常时接收输入电源P，并转换输入电源P以输出第一直流电能至负载L，以驱动负载L运作。

辅助电源电路22经由直流总线D与电源供应器集成21及负载L电连接，其可于运作时提供总辅助电能至负载L，且辅助电源电路22包含至少一储能单元221及至少一电能转换器222，在本实施例中为多个，但不以此为限。每一储能单元221用以提供一第二直流电能。每一电能转换器222电连接于对应的储能单元221及负载L之间，用以于运作时接收并转换对应的储能单元221所提供的第二直流电能为一个别辅助电能，使辅助电源电路22藉由电能转换器222所输出的个别辅助电能而提供总辅助电能至负载L。于一些实施例中，每一储能单元221具有一额定功率，储能单元221可为蓄电池或超级电容器，但不以此为限。于一些实施例中，储能单元221可为多组串接/并接的电路结构(例如但不限于，任意储能单元221所构成矩阵式的结构)。

控制单元23经由直流总线D与电源供应器集成21及负载L电连接，并与辅助电源电路22电连接。于一些实施例中，辅助电源电路22包含的储能单元221及电能转换器222的数量为多个控制单元23用以于输入电源P异常时，驱动多个电能转换器222运作而输出对应的多个个别辅助电能，使得辅助电源电路22利用多个电能转换器222所输出的个别辅助电能而产生总辅助电能至负载L，以提供备援的功效。

此外，控制单元23更用以于电源供应器集成21运作(亦即输入电源P正常)时，判断负载L所需的瞬时功率是否大于电源供应器集成21输出的输出功率的额定上限值，并根据判断结果判断是否驱动辅助电源电路22。当负载L所需的瞬时功率大于电源供应器集成21输出的输出功率的额定上限值时，控制单元23驱动辅助电源电路22运作，同时，控制单元23更对负载L所需的瞬时功率及额定上限值之间的差值的大小进行判断，以计算该差值须由多少数量的储能单元221的来补偿，藉此控制单元23便驱动对应数量的电能转换器222进行运作，使该些运作的电能转换器222分别转换对应的储能单元221为个别辅助电能，藉此辅助电源电路22利用该些运作的电能转换器222所输出的个别辅助电能而产生的总辅助电能便可补偿负载L所需的瞬时功率及额定上限值之间的差值。

于一些实施例中，供电系统更包含检测电路231，用以检测电源供应器集成21所输出的输出功率和负载L的电能参数，例如负载L所需的电压、电流或功率的大小，以取得负载L所需的瞬时功率，并将检测到的数据传给控制单元23作为控制或判断的依据。

进一步来说，当输入电源P正常时，例如，市电电网稳定提供电源，电源供应器集成21进行运作，以利用电源供应器集成21输出第一直流电能对负载L供电。当控制单元23藉由检测电路231的检测结果判断出负载L所需的瞬时功率大于电源供应器集成21所能输出的输出功率的额定上限值时，控制单元23便驱动辅助电源电路22输出总辅助电能，以利用总辅助电能来补偿负载L所需的瞬时功率及额定上限值之间的差值。于一些实施例中，控制单元23依据负载L所需的瞬时功率及额定上限值之间的差值的大小驱动对应数量的电能转换器222进行运作，藉此利用对应数量的电能转换器222在运作时所输出的个别辅助电能来产生辅助电源电路22所输出的总辅助电能。

另一方面，当输入电源P正常且电源供应器集成21进行运作时，若控制单元23判断出负载L所需的瞬时功率小于等于电源供应器集成21输出的输出功率的额定上限值时，此时电源供应器集成21便能供应负载L所需的功率，因此控制单元23无须进一步驱动辅助电源电路22以输出总辅助电能。此外，当辅助电源电路22的储能单元221储存的电量尚未饱和时，控制单元23可控制电能转换器222将电源供应器集成21提供的第一直流电能转换为第二直流电能对储能单元221进行充电，直到储能单元221储存的电量饱和。

当输入电源P异常时，例如，市电电网发生停电、压降、涌浪、持续欠压/过压、线躁等情况时，电源供应器集成21停止运作，同时控制单元23驱动至少一电能转换器222运作，来输出总辅助电能至负载L，直到输入电源P恢复正常时，再重起启动电源供应器集成21，并根据负载L需要的功率选择性地驱动辅助电源电路22。

由上可知，本案的供电系统2的辅助电源电路22可于负载L所需的瞬时功率大于电源供应器集成21输出的输出功率的额定上限值时，使电能转换器222进行运作，以主动地使辅助电源电路22所输出的总辅助电能可补偿负载L所需的瞬时功率及额定上限值之间的差值。如此一来，在不提高电源供应器集成21所能输出的功率或增加辅助电源电路22内的储能单元221的数量的情况下，电源供应器集成21并不会过载而关机而使辅助电源电路22内的储能单元221须供应过载电能给负载L，故可延长储能单元221的使用寿命，同时使本案的供电系统2的生产成本无需增加。

于一些实施例中，电能转换器222为双向转换器。换言之，辅助电源电路22可藉由电能转换器222将电源供应器集成21输出的第一直流电能转换为第二直流电能并储存在储能单元221中，以及藉由电能转换器222将储存于在储能单元221的第二直流电能转换成个别辅助电能以提供给负载L。

于一些实施例中，电源供应器集成21可包含至少一电源供应器211，于本实施例中，其为多个，但不以此为限。多个电源供应器211并联连接，且每一电源供应器211包含均流电路214、开关215和电能转换器216。电能转换器216用以将输入电源P转换为第一直流电能。于本实施例中，电能转换器216包含交流/直流转换器212和直流/直流转换器213。交流/直流转换器212与输入电源P电连接，用以于输入电源P提供交流电能时，接收并转换交流电能为直流过渡电能。直流/直流转换器213与交流/直流转换器212电连接，用以接收并转换直流过渡电能，以输出第一直流电能。于一些实施例中，电能转换器216可不包含直流/直流转换器213，仅透过交流/直流转换器212直接将接收的交流电能转换为第一直流电能。于一些实施例中，若输入电源P提供直流电能，则电源供应器211可不包含交流/直流转换器212，仅透过直流/直流转换器213直接将接收的直流电能转换为第一直流电能。

均流电路214与电能转换器216电连接，用以调整对应的电能转换器216所输出的电流值，以与其它电能转换器216所输出的电流值相等，藉此多个电源供应器211利用均流电路214而达到均流的作用。每一开关215电连接于对应的均流电路214及负载L之间，用以于电源供应器211停止运作时断开，而于电源供应器211运作时导通，使每个电源供应器211输出的第一直流电能可经由对应的开关215传送至负载L。

请继续参阅图1，于其它实施例中，辅助电源电路22更可包含至少一开关223，每一开关223电连接于对应的电能转换器222及负载L之间，且由控制单元23控制而进行导通或截止的切换运作。当电能转换器222进行运作而对储能单元221进行充电或是藉由储能单元221输出个别辅助电能时，控制单元23控制对应的开关223进行导通。

于一些实施例中，辅助电源电路22更包含至少一均流电路224，每一均流电路224电连接于对应的电能转换器222及对应的开关223之间，用以调整对应的电能转换器222所输出的个别辅助电能的电流值，以与其它电能转换器222所输出的个别辅助电能的电流值相等，进行均流，藉此任一运作的电能转换器222所输出的个别辅助电能的电流值与其它运作的电能转换器222所输出的个别辅助电能的电流值相等，进而达到均流的作用。

于一些实施例中，当负载L有瞬时大功率的需求(即电源供应器集成21无法满足负载L所需的功率)时，可对每个均流单元214提供的输出电流与每个均流单元224提供的输出电流的总和进行均流。意即，均流单元214输出的电流值可大致上等于均流单元224输出的电流值，使两者能够共同平分负载L所抽取的输出电流。于一些实施例中，均流单元224亦可依据负载L的抽载大小，调整输出电流的电流值。亦即，均流单元214输出的电流值可不同于均流单元224输出的电流值。

请参阅图2，其为本案第二较佳实施例的供电系统的电路结构示意图。本实施例中的供电系统3的元件结构及功能相似于图1所示的供电系统2，且相同的元件标号代表相似元件结构及功能，于此不再赘述。供电系统3包含第一辅助电源电路32a及第二辅助电源电路32b。第一辅助电源电路32a和第二辅助电源电路32b经由直流总线D与负载L及电源供应器集成31电连接。第一辅助电源电路32a包含至少一第一储能单元321和与对应的第一储能单元321连接的电能转换器322，在本实施例中为多个，但不以此为限。每一第一储能单元321经由对应的电能转换器322提供一第一个别辅助电能，使第一辅助电源电路32a藉由至少一电能转换器322所输出的第一个别辅助电能而产生第一总辅助电能至负载L。类似地，第二辅助电源电路32b包含至少一第二储能单元323和与对应的第二储能单元323连接的电能转换器324，在本实施例中为多个，但不以此为限。每一第二储能单元323经由对应的电能转换器324提供一第二个别辅助电能，使第二辅助电源电路32b藉由至少一电能转换器324所输出的第二个别辅助电能而产生第二总辅助电能至负载L。

在一些实施例中，第一储能单元321的功率密度大于第二储能单元323的功率密度。在一些实施例中，第一储能单元321的能量密度小于第二储能单元323的能量密度。举例而言，第一储能单元321可例如，但不限于超级电容器；第二储能单元323可例如，但不限于蓄电池。

当输入电源P正常供电时，电源供应器集成31进行运作，并输出第一直流电能对负载L供电。电源供应器集成31的电路结构和操作类似于图1的电源供应器集成21，于此不再赘述。当控制单元33判断出负载L所需的瞬时功率大于电源供应器集成31所能输出的输出功率的额定上限值时(例如根据检测电路331的检测结果进行判断)，控制单元33可优先驱动具有较大功率密度的第一储能单元321的第一辅助电源电路32a的电能转换器322以输出第一总辅助电能，来补偿负载L所需的瞬时功率及额定上限值之间的差值。

另外，若过了一段时间，负载L所需的功率持续超过电源供应器集成31能输出的额定上限值，且第一辅助电源电路32a输出的能量并不足以补偿负载所需的功率和额定上限定值的差值时，第二辅助电源电路32b可藉由驱动电能转换器324提供第二总辅助电能以补上第一辅助电源电路32a提供不足的部分。

当输入电源P异常时，电源供应器集成31停止运作，此时控制单元33可优先驱动具有较大能量密度的第二储能单元323的第二辅助电源电路32b的电能转换器324输出第二总辅助电能，以满足负载L所需的能量。另一方面，当输入电源P异常而第二辅助电源电路32b所提供的第二总辅助电能不足以供给负载L时(亦即，输入电源P异常且负载L所需的瞬时功率大于第二辅助电源电路32b所提供的第二总辅助电能的功率的额定上限值时)，控制单元33则可进一步驱动第一辅助电源电路32a同时进行运作，使得第一辅助电源电路32a利用第一总辅助电能补偿负载L所需的额外功率。

具体而言，由于第二储能单元323的能量密度(如蓄电量)大于第一储能单元321，因此当输入电源P异常且需要备援电路提供能量时，可优先选择由第二辅助电源电路32b提供，藉此可延长供电系统3满足负载L的需求电源的持续时间。另外，第一储能单元321的功率密度大于第二储能单元323，因此能更快速地提供额外的电源供应至负载L。因此，在负载L有额外功率的需求的情况下，可优先选择由第一辅助电源电路32a提供。

然而，本发明并不以上述实施方式为限。在一些实施例中，当输入电源P正常且负载L有瞬时大功率的需求时，亦可优先选择驱动第二辅助电源电路32b或者是同时驱动第一辅助电源电路32a和第二辅助电源电路32b，用以补偿负载L额外的功率需求。类似地，当输入电源P异常时，亦可优先选择驱动第一辅助电源电路32a或者是同时驱动第一辅助电源电路32a和第二辅助电源电路32b，用以维持负载L的能量需求。

于一些实施例中，第一辅助电源电路32a或/及第二辅助电源电路32b亦可包含均流单元(图未示)，其功能和操作类似于图2的均流单元224，于此不再赘述。于一些实施例中，第一辅助电源电路32a或/及第二辅助电源电路32b亦可分别包含至少一开关325，其功能和操作类似于图2的均流单元223，于此不再赘述。

综上所述，本案的供电系统的辅助电源电路可于负载所需的瞬时功率大于电源供应器集成输出的输出功率的额定上限值时，使电能转换器进行运作，以主动地使辅助电源电路所输出的总辅助电能可补偿负载所需的瞬时功率及额定上限值之间的差值。如此一来，在不提高电源供应器集成所能输出的功率或增加辅助电源电路内的储能单元的数量的情况下，电源供应器集成并不会过载而关机而使辅助电源电路内的储能单元须供应过载电能给负载，故可延长储能单元的使用寿命，同时使本案的供电系统的生产成本无需增加。

Claims (16)

1.一种供电系统，其特征在于，包含：

一电源供应器集成，电连接于一输入电源与一负载之间，于该输入电源正常时转换该输入电源为一第一直流电能；

一第一辅助电源电路，电连接于该电源供应器集成与该负载之间，包含：

至少一第一储能单元，提供一第二直流电能；及

至少一第一电能转换器，电连接于该至少一第一储能单元及该负载之间，转换该第二直流电能为一第一个别辅助电能，以使该第一辅助电源电路藉由该至少一第一个别辅助电能提供一第一总辅助电能；及

一控制单元，于该输入电源正常且该负载所需的一第一瞬时功率大于该电源供应器集成输出的输出功率的一第一额定上限值时，驱动该第一辅助电源电路输出该第一总辅助电能，以补偿该第一瞬时功率及该第一额定上限值之间的一差值。

2.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，更包含一检测电路，检测该电源供应器集成输出的输出功率及该负载的一电能参数，而该控制单元根据该检测电路的检测结果判断该负载所需的该第一瞬时功率是否大于该第一额定上限值。

3.如权利要求2所述的供电系统，其特征在于，该电能参数包含该负载所需的电压、电流或功率的大小。

4.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，该第一辅助电源电路包含多个该第一储能单元及多个该第一电能转换器，每一该第一电能转换器电连接于对应的该第一储能单元及该负载之间，且该控制单元依据该负载所需的该第一瞬时功率及该第一额定上限值的该差值的大小驱动对应数量的该第一电能转换器进行运作。

5.如权利要求4所述的供电系统，其特征在于，该辅助电源电路包含多个第一均流电路，每一该第一均流电路与对应的该第一电能转换器电连接，用以调整对应的该第一电能转换器所输出的电流值，以与其它该第一电能转换器所输出的电流值相等。

6.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，该电源供应器集成包含多个电源供应器，多个该电源供应器之间并联连接，每一该电源供应器包含：

一第二电能转换器，转换该输入电源为该第一直流电能；及

一第二均流电路，与该第二电能转换器电连接，调整该第二电能转换器输出的电流值，以与其它该电源供应器输出的电流值相等。

7.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，当该输入电源异常时，该电源供应器集成停止运作，该控制单元驱动该第一辅助电源电路以提供该第一总辅助电能对该负载供电。

8.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，该第一电能转换器为双向转换器。

9.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，更包含一第二辅助电源电路电连接于该电源供应器集成与该负载之间，以提供一第二总辅助电能，且该第二辅助电源电路包含至少一第二储能单元，其中该至少一第一储能单元的功率密度大于该至少一第二储能单元的功率密度及/或该至少一第二储能单元的能量密度大于该至少一第一储能单元的能量密度。

10.如权利要求9所述的供电系统，其特征在于，当该输入电源异常时，该电源供应器集成停止运作，该控制单元驱动该第二辅助电源电路以提供该第二总辅助电能对该负载供电，且当该负载所需的一第二瞬时功率大于该第二辅助电源电路输出的输出功率的一第二额定上限值时，该控制单元驱动该第一辅助电源电路以提供该第一总辅助电能补偿该第二瞬时功率及该第二额定上限值之间的该差值。

11.一种供电系统，其特征在于，包含：

一电源供应器集成，电连接于一输入电源与一负载之间，于该输入电源正常时转换该输入电源为一第一直流电能；

一第一辅助电源电路，电连接于该电源供应器集成与该负载之间，提供一第一总辅助电能；

一第二辅助电源电路，电连接于该电源供应器集成与该负载之间，提供一第二总辅助电能；及

一控制单元，于该输入电源正常且该负载所需的一第一瞬时功率大于该电源供应器集成输出的输出功率的一第一额定上限值时，选择性驱动该第一辅助电源电路和该第二辅助电源电路的至少一者而对应输出该第一总辅助电能和该第二总辅助电能的至少一者，以补偿该第一瞬时功率及该第一额定上限值之间的一差值。

12.如权利要求11所述的供电系统，其特征在于，该第一辅助电源电路和该第二辅助电源电路分别包含至少一第一储能单元和至少一第二储能单元，该至少一第一储能单元的功率密度大于该至少一第二储能单元的功率密度及/或该至少一第二储能单元的能量密度大于该至少一第一储能单元的能量密度。

13.如权利要求12所述的供电系统，其特征在于，该控制单元依据该负载所需的该第一瞬时功率及该额定上限值的该差值的大小，驱动该第一辅助电源电路以提供该第一总辅助电能补偿该第一瞬时功率及该第一额定上限值之间的该差值。

14.如权利要求13所述的供电系统，其特征在于，当该第一总辅助电能不足以补偿该第一瞬时功率及该第一额定上限值之间的该差值时，该第二辅助电源电路被驱动以提供该第二总辅助电能补偿该第一总辅助电能不足的部分。

15.如权利要求12所述的供电系统，其特征在于，当该输入电源异常时，该电源供应器集成停止运作，该控制单元驱动该第二辅助电源电路以提供该第二总辅助电能维持该负载所需的能量。

16.如权利要求15所述的供电系统，其特征在于，当该输入电源异常且该负载所需的一第二瞬时功率大于该第二辅助电源电路输出的输出功率的一第二额定上限值时，该控制单元驱动该第一辅助电源电路以提供该第一总辅助电能补偿该第二瞬时功率及该第二额定上限值之间的该差值。

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