TW201131938A - High voltage direct current uninterruptible power supply system with multiple input sources of power - Google Patents

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Description

201131938 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本案係關於一種不斷電供電系統，尤指一種具有多重輸 入電源之高壓直流不斷電供電系統。 【先前技術】 [0002] 對於全球暖化及氣候變遷首當其衝影響的就是環境的變 化及人類的生活。由於溫室效應導致全球暖化，使得世 界各地的溫度變化越來越明顯，為了致力於環境維護及 即能減破的目標’製造商於生產例如開關式電源供應器 或不斷電電源供應器等供電性電子產品時，會以減少功 率損耗及提高效率為目的’因此，便發展出高壓直流不
斷電供電系統（High Voltage Direct Current Uninterruptible Power Supply System, HVDC UPS
System ’以下稱為HVDC UPS系統），以達到節能、高效 率、南可靠性、高電源品質及高成本效益之需求。 [0003] 請參閱第一圖A及第一圖B，其中第一圖八係為習知不斷電 Ο 供電系統之方珠示意;圖，第τ;:圓3係' 為應用於資料中心之 習知HVDC UPS系統之方塊示意圖。如圖所示，習知不斷 電供電系統1採用兩階段的電源轉換電路，其中包含AC/ DC電源轉換器11，即整流器，及DC/AC電源轉換器12， 即逆變器，以提供所需之AC電源至負載。此外，JJVDC UPS系統2省略DC/AC電源轉換器（即逆變器），並使用 單階段的AC/DC電源轉換器21來直接提供所需之DC電源 至負載。由於缺乏DC/AC電源轉換器（即逆變器），使得 因DC/AC,源轉換器產生的功率損失減少，因此，供電系 099144336 表單編號A0101 第3頁/共16頁 0992076651-0 201131938 統的效率將會提高。然而，無論是習知不斷電供電系統1 或是HVDC UPS系統2，皆只能接收單一的交流電源，例 如市電，而不能利用自然能源或再生電源，亦無法有效 率地管理電源系統的電源輸入。 [0004] 有鑑於此，如何發展一種具有多重輸入電源之高壓直流 不斷電供電系統，以達到節能、降低成本、提高效率及 提高可靠性之目的，並解決習知技術之缺失，實為相關 技術領域者目前所迫切需要解決之問題。 【發明内容】 [0005] 本案之目的在於提供一種具有多重輸入電源之高壓直流 不斷電供電系統，利用配置複數個輸入電源，包括自然 能源及再生能源，並配合市電使用以應付不同的日照量 及氣候變化，以達到節能環保、降低成本、提高效率及 提高可靠性之目的。 [0006] 為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種高 壓直流不斷電供電系統，其係與複數個輸入電源連接， 該高壓直流不斷電供電系統至少包括：複數個電源模組 ，其係個別連接至一輸入電源，用以自所連接之該輸入 電源接收一輸入電力以及轉換該輸入電力為一直流輸出 電力；一控制模組，其係藉由通信線路與該電源模組連 接，用以監控該電源模組之操作狀態，及控制該電源模 組之電力輸出；以及一配電單元，其係與一直流電壓匯 流排連接，用以傳送該直流輸出電力至複數個電器負載 〇 [0007] 為達上述目的，本案之另一較廣義實施態樣為提供一種 099144336 表單編號 A0101 第 4 頁/共 16 頁 0992076651-0 201131938 =直流不斷電供電系統，至少包括：複數個電源模組 ’包括至少-初級電源模組及至少—次級電源模組其 中’該初級電源模組係與-自缝源發電機或-再生能 Ο [0008] ❹ [0009] 2電機連接’肋由該自然能源發電機或該再生能源 七电機接收-輸人電力，並轉換該輸人電力為—直流輸 而名-人級電源模組係與一市電交流輸入電源連 用乂由該市電父流輪入電源接收一輸入電力，並轉 換錢入電力為-直流輪出電力；—直流電壓匯流排， j係與孩電源模組之複數個輸出端連接，以接收該直流 輪出電力，以及一控制模組，其係藉由通信線路與該電 源模組連接，用以監控該電源模組之運作狀態及控制該 電源模組之電力輸出。 【實施方式】 體現本案特徵與優點的—些典型實施例將在後段的說明 中詳細敛述。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 圖式在本質上係當作說明乏_，而非戚以限制本案。 睛參閱第二圖，其係為本案較佳實施例之具有多重輸入 電源之高壓直流不斷電供電系統的方塊示意圖。如圖所 示’ HVDC UPS系統3係應用於資料中心4，該資料中心4 包含複數個機架或伺服器4〇,但不以此為限。HVDC UPS系統3包括一機櫃3〇 (如第三圖所示）、複數個電源 模組31、一控制模組32、一直流電壓匯流排33以及至少 一電池模級34。電源模組31的輸出端為並聯連接且與匯 流排33連接’電池模組34則與匯流排33耦接，用以儲存 099144336 表單編號A0101 第5頁/共16頁 0992076651-0 201131938 或調節電力，電源模組31係可熱插拔且能分別地透過通 信線路與控制模組32進行雙向溝通。於本實施例中，每 一個電源模組31的輸出端分別與相對應之電流方向限制 元件搞接，例如二極體361、362、363、364。一配電單 元（Power Distribution Unit，PDU) 35係與匯流排 33耦接並具有複數個開關電路，以分別與一對應之機架 40耦接。因此，HVDC UPS系統3可透過配電單元35提供 及傳遞所需電力至資料處理設備或機架40的供電單元（ Power Supply Unit, PSU)。 [0010] 本案之HVDC UPS系統3具有多重輸入電源5、6、7、8， 於本實施例中，HVDC UPS系統3具有一或多個自然能源 或是再生能源之輸入電源5、6、7，及/或一市電交流輸 入電源8，例如發電廠。自然能源或是再生能源之輸入電 源5、6、7包括直流輸入電源及/或交流輸入電源，其中 直流輸入電源可為一太陽能發電機5及燃料電池發電機6 ，而交流輸入電源則可為一風力發電機7。 [0011] 自然能源或再生電源之輸入電源5、6、7為HVDC UPS系 統3的主要電力供應來源，而市電交流輸入電源8則是為 HVDC UPS系統3的輔助電力供應來源。於本實施例中， 太陽能發電機5(即第一直流輸入電源）與第一初級電源 模組311a之輸入端耦接，第一初級電源模組311a包含一 DC/DC電源轉換器（未圖示），用以接收由太陽能發電機 5產生的直流電源以及轉換該直流電源為高壓直流電（例 如380伏特），再輸出到直流電壓匯流排33。燃料電池發 電機6 (即第二直流輸入電源）與第二初級電源模組311b 099144336 表單編號A0101 第6頁/共16頁 0992076651-0 201131938 之輸入端耦接，第二初級電源模組311b包含一 DC/DC電 源轉換器（未圖示），用以接收燃料電池發電機6產生的 直流電源以及轉換該直流電源為高壓直流電（例如3 8 0伏 特），再輸出到直流電壓匯流排33。至於風力發電機7 ( 即第一交流輸入電源）與第三初級電源模組311 c之輸入 端耦接，而第三初級電源模組311c包括一 AC/DC電源轉 換器（未圖示），用以接收由風力發電機7產生的交流電 源以及將該交流電源轉換成高壓直流電（例如380伏特） 後再輸出至直流電壓匯流排33。 ❸ [0012] 市電交流輸入電源8則與第一次級電源模組312之輸入端 耦接，且第一次級電源模組312包括一 AC/DC電源轉換器 (未圖示），用以接收發電廠的市電交流輸入電源並將 其轉換成高壓直流電（例如380伏特）後再輸出至直流電 壓匯流排33。 [0013] ❹ 請參閱第三圖，其係為第二圖所示HVDC UPS系統的結構 示意圖。如圖所示，電源模組31係為被模組化的電源模 組以及可熱插拔地設置於機櫃30的容置空間内。初級電 源模組311a、311b、311c用來耦接自然能源或再生能源 的輸入電源5、6、7，以及次級電源模組312係用來轉接 市電交流輸入電源8。所有的電源模組31均用來轉換輸入 電源為高壓直流電（例如380伏特）以及經由二極體361 、36 2、363、364而提供高壓直流電至直流電壓匯流排 33。而輸入至直流電壓匯流排33的高壓直流電可更進一 步地傳遞至配電單元35，再藉由配電單元35來分配所需 的電力給機架40内的供電單元。電池模組34係耦接至直 099144336 表單編號A0101 第7頁/共16頁 0992076651-0 201131938 流電壓匯流排3 3，而當電源模組31無法由多重輸入電源 接收電力時，電池模組34會釋出其儲存的電力至直流電 壓匯流排33以供應電器負載所需的電力，因此，電池模 組34能夠維持連續的電力供應給電器負載，以增加HVDC UPS系統3的可靠度。此外，電源模組31能夠監控由多重 輸入電源5、6、7、8所傳遞之輸入電流。控制模組32用 以與電源模組31通信，並監控及控制電源模組31的運作 狀態以及管理電源模組31的電力輸出。控制模組32亦與 配電單元35耦接以監控電器負載的運作狀態，俾使控制 模組32可根據電器負載的運作狀態來控制電源模組31的 運作狀態以及管理電源模組31的電力輸出。 [0014] 根據本案之構想，HVDC UPS系統3的初級電源模組31 la 、311b、311c能夠將源自自然能源或再生能源的輸入電 源5、6、7進行電源轉換並整合所有的電力至供電系統， 使得本案之HVDC UPS系統3能夠於不同的光照量（例如 於白天或夜晚）及不同的氣候狀態下有效地管理、控制 及分配自然能源或再生能源的輸入電源5、6、7及市電交 流輸入電源8之間的電力輸入。舉例來說，在白天日照充 足的情況下，控制模組32將控制使太陽能發電機5作為 HVDC UPS系統3的主要電力來源，而市電交流輸入電源8 則作為輔助的電力來源，當HVDC UPS系統3由太陽能發 電機5所接收到的電力不充足時（例如接收到所需總電力 的90%)，此時市電交流輸入電源8即可用來支援太陽能 發電機5以提供所不足的電量（例如所需總電力的10%) 給HVDC UPS系統3。於一些實施例中，當氣候轉變及風 099144336 表單編號A0101 第8頁/共16頁 0992076651-0 201131938 力很強的時候，HVDC UPS系統3係配置來接收源自風力 發電機7之主要電力輸入，而當HVDC UPS系統3由風力發 電機7所接收的電力不充足時（例如接收到所需總電力的 8〇%) ’此時市電交流輸入電源8則可支援風力發電機7 以提供所不足的電力（例如所需總電力的2〇%)給HVDC UPS系統3。 [0015] 综上所述，本案之HVDC UPS系統之多重輸入電源可包括 自然能源或再生能源及市電，且分別透過不同的電源模 0 組’將輸入電源轉換成為高壓直流電輸出，再經由配電 單元來分配所需電力至機架内的供電單元。本案之hvdc UPS系統係以自然能源或再生能源（例_如太陽能、風力或 燃料電池）作為主要電源，並以市電作為輔助電源，當 自然能源或再生能源所提供之電力不足聘，再以市電電 力補足’故可藉由對不同的電力來源做有效的供給分配 ’達到環保與節能的目的。因此，本案具有多重輸入電 源之高壓直流不斷電供電系統可達到節能4、降低成本、 提向效率及提高可靠度:的功效。 [0016] 故本案之具有多重輸入電源之高壓直流不斷電供電系統 極具產業價值，爰依法提出申請。本案得由熟習此技術 之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利 範圍所欲保護者。 【圖式簡單說明】 [0017] 第一圖A :其係為習知不斷電供電系統之方塊示意圖。 [0018] 第一圖B :其係為應用於資料中心之習知HVDC UPS系統 099144336 之方塊示意圖。 表單编號A0101 第9頁/共16頁 0992076651-0 201131938 [0019] 第二圖：其係為本案較佳實施例之具有多重輸入電源之 高壓直流不斷電供電系統的方塊示意圖。 [0020] 第三圖：其係為第二圖所示HVDC UPS系統之結構示意圖 〇 【主要元件符號說明】 099144336 表單編號 A0101 第 10 頁/共 16 頁 0992076651-0 [0021] 不斷電供電系統：1 [0022] AC/DC電源轉換器： 11、21 [0023] DC/AC電源轉換器： 12 [0024] HVDC UPS系統：2、 3 [0025] 機櫃：30 [0026] 電源模組：31 [0027] 第一初級電源模組： 311a [0028] 第二初級電源模組： 311b [0029] 第三初級電源模組： 311c [0030] 第一次級電源模組： 312 [0031] 控制模組：32 [0032] 直流電壓匯流排：33 [0033] 電池模組：34 [0034] 配電單元：35 [0035] 二極體：361、362 ' 363 > 364 201131938 [0036] [0037] [0038] [0039] [0040] [0041]
G 資料中心：4 機架：40 太陽能發電機：5 燃料電池發電機：6 風力發電機：7 市電交流輸入電源：8 ❹ 099144336 表單編號A0101 第11頁/共16頁 0992076651-0

Claims (1)

  1. 201131938 七、申請專利範圍： 1 . 一種高壓直流不斷電供電系統，其係與複數個輸入電源連 接，該高壓直流不斷電供電系統至少包括： 複數個電源模組，其係個別連接至一輸入電源，用以 自所連接之該輸入電源接收一輸入電力以及轉換該輸入電 力為一直流輸出電力； 一控制模組，其係藉由通信線路與該電源模組連接， 用以監控該電源模組之操作狀態，及控制該電源模組之電 力輸出；以及 一配電單元，其係與一直流電壓匯流排連接，用以傳 送該直流輸出電力至複數個電器負載。 2 .如申請專利範圍第1項所述之高壓直流不斷電供電系統， 其中該輸入電源包括自然能源發電機或再生能源發電機。 3 .如申請專利範圍第1項所述之高壓直流不斷電供電系統， 其中該輸入電源包括一太陽能發電機、一燃料電池發電機 、一風力發電機或一市電交流輸入電源。 4 .如申請專利範圍第1項所述之高壓直流不斷電供電系統， 其中該電源模組包括一DC/DC電源轉換器或一 AC/DC電源 轉換器，用以轉換該輸入電力為該直流輸出電力。 5 .如申請專利範圍第1項所述之高壓直流不斷電供電系統， 其中該控制模組更與該配電單元連接，用以監控該電器負 載之運作狀態，藉此使該控制模組根據該電器負載的運作 狀態來監控電源模組的運作狀態及管理該電源模組之電力 輸出。 6 .如申請專利範圍第1項所述之高壓直流不斷電供電系統， 099144336 表單編號A0101 第12頁/共16頁 0992076651-0 201131938 更包含一電池模組，其係與該直流電壓匯流排連接以儲存 電力，並於該電源模組無法由該輸入電源接收電力時，該 電池模組會釋出電力至該直流電壓匯流排。 7 .如申請專利範圍第1項所述之高壓直流不斷電供電系統， 其中該電器負載包括一資料中心，該資料中心包括複數個 伺服器。 8 . 一種高壓直流不斷電供電系統，至少包括： 複數個電源模組，包括至少一初級電源模組及至少一 次級電源模組，其中，該初級電源模組係與一自然能源發 電機或一再生能源發電機連接，用以由該自然能源發電機 或該再生能源發電機接收一輸入電力，並轉換該輸入電力 為一直流輸出電力，而該次級電源模組係與一市電交流輸 入電源連接，用以由該市電交流輸入電源接收一輸入電力 ，並轉換該輸入電力為一直流輸出電力； 一直流電壓匯流排，其係與該電源模組之複數個輸出 端連接，以接收該直流輸出電力；以及 一控制模組，其係藉由通信線路與該電源模組連接， 用以監控該電源模組之運作狀態及控制該電源模組之電力 輸出。 9 .如申請專利範圍第8項所述之高壓直流不斷電供電系統， 其中該控制模組係控制使該自然能源發電機或該再生能源 發電機作為一主要電源，而該市電交流輸入電源則作為一 輔助電源。 099144336 表單編號A0101 第13頁/共16頁 0992076651-0
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