TWI296168B - - Google Patents

Description

1296168 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種不斷電電源模組並聯控制方法及其 系統，尤指一種令所有模組具備完整且獨立的自我角色偵 測暨競爭功能以自動產生主控模組，進而結合中央控制與 分散控制的優點，使單點失效儘可能減少，並使一部以上 的不斷電電源模組即可並聯工作，而提供緊急且敏感的負 載最大的冗餘性和可靠度。 【先前技術】 在這個資訊與速度越來越重要的時代，電腦與網路變 爲日常生活和經濟工業不可或缺的產品。然而，無論是電 腦或網路等重要的電子設備往往是緊急而敏感的，即使是 一秒鐘電力的中斷，都有可能使得正在處理或傳輸的資料 中斷，導致不可估計的損失，因此一個高可靠的電源需求 便應運而生。爲了因應這個需求，不斷電電源系統的需求 便與日劇增。 一個不斷電電源的基本架構交流和直流輸入提供系統 能量，一般交流輸入電源多爲市電，或是發電機等，直流 輸入能量則多爲電池，交流輸出提供電子負載能量，以及 一個控制器控制系統的工作，當主要交流電源失效時，轉 換至備份直流電源，繼續對緊急而敏感的負載提供能量。 在交流輸出正常時，連接輸入端子的部分首先是輸入瀘波 器，過濾輸入產生的高階干擾雜訊，與輸入濾波器連接的 1296168 一般是一個AC/DC轉換器連接到內部的直流能量貯存庫（ DC bus bank)，連接著直流能量貯存庫的是一個DC/AC變 頻器（Inverter)，經由可選擇性的輸出濾波器，對負載提供 能量。當交流輸入異常時，備份的直流電源會經由DC/DC 轉換器連接到直流能量貯存庫，替代交流輸入而對直流能 量貯存庫產生能量，使得所提到的變頻器可以藉由直流能 量貯存庫將直流電源轉換爲交流電源，持續對負載提供不 間斷的能量。同時，這樣的不斷電電源通常也會包含一個 充電器，當直流電源爲電池，其能量耗盡時，可以在交流 電源回復後，對電池充電。由於上述的機制，可以使得緊 急而敏感的電子設備受到適當的保護。然而，隨著負載設 備演進，規格差異越來越大，當負載需要擴增時，原本的 不斷電電源能力可能不足，或隨著可靠度的要求越來越高 ，將不斷電電源系統設計成模組化，具有並聯且冗餘的需 求也是必然的趨勢。 然而，這樣模組化的不斷電電源系統，需要能夠表現 出一個不斷電電源系統的特性，一方面可以增加模組以擴 充容量，另一方面，在其中有部分元件損壞時，也必須能 夠馬上更替以保證系統的可靠度；這些需求，在控制技術 需要嚴密的要求不同功率模組間不能夠產生過大的環流， 導致系統的損壞，又產品設計上需要極力避免單點失效的 可能性，並要盡可能將產品的每一部分做好備份管理。由 是衍生出的技術或產品設計，在學術界或工業界，都是被 廣泛討論，作爲系統的關鍵性技術。 1296168 一般而言，這一種控制設計不外乎有線的並聯方式， 如美國第5,257，180號發明專利案「具環流限制的交流輸出 變頻器之並聯操作控制系統」。另一方面，則是無線的並 聯控制方式，係如美國第5,745,356號發明專利案「並聯交 流電源系統之獨立負載分配」，或是美國第6，1 18,680號發 明專利案「在一個交流電源供應器中並聯之變頻器，其負 載分配之方法及設備」等。 在有線的控制方法中，多半採用主動分流法，以一般 所熟知的技巧，利用一個時序信號使得所有的功率模組的 輸出電壓相位同步，在利用諸如個別負載電流訊息的交換 等手段，使得負載分配平衡並如所預期。然而，這樣的方 法，並聯所運用的接線本身即可能造成單點失效。 又，美國第6，121，695號發明案中，每一個功率模組雖 可看成是一個個別的不斷電電源模組，也可以拆下來獨立 使用，然而，在作爲並聯時，機箱內每一個模組還需要另 外再分別對應一個別的控制器24，以進行並聯的計算，同 時由於直流貯存庫也相連接，一旦直流貯存庫損壞，整個 系統也不能使用，又造成另一個單點失效的設計；同時不 斷電電源模組在系統中也不是真正獨立運作；更有甚者， 由於其電池並沒有並聯，可能造成因電池特性不同而使得 各個模組間放電備份時間不同，也無法經由直接增加外加 電池而增加放電備份的時間，同時，其所有模組間的轉態 ，是經由一個所謂大多數原則的方法，功率模組間的信號 經由阻抗匹配平均而得到，因而無法得到一個有系統的管 1296168 理，也無法透過外界的設定而變更。 再者，美國第6,201，319號發明專利案係利用一個外部 的控制中心（Main Intelligence Module，MIM )來管理，同 時以冗餘智慧模組（RIM，Redundant Intelligence Module ) 作爲備份管理，然而，RIM在正常情況下，只是閒置而導 致系統的浪費，同時，由於每一個功率模組所需的重要訊 息’如輸入電壓、頻率、輸出電壓、頻率、電流等都放置 在控制中心（MIM)上，無論是MIM或RIM失效，甚至 是在連接MIM/RIM與個別模組上的連線開路，都會造成系 統的單點失效。 最後，在美國第6,396，170號發明專利案提出了選擇虛 擬中心的方法，雖然可以避免上述RIM的浪費以及降低單 點失效的可能性。然而，其所提出的辦法，因需要另外產 生一副主控模組，因此當系統只存在一部不斷電電源模組 時即不能使用。且因同步觸發線的存在，又增加一個單點 失效的可能性。同時，所提出冗餘管理模式（RMB )之硬 體和軟體架構，需要繁複的判斷其輸入和輸出方向，和決 定主控模組、副主控模組和同輩模組；另，其同步觸發線 也需要佔用一個高等級的中斷資源，並使得系統需要應付 一個高通信速度的管理方式；更有甚者，當個別不斷電電 源模組因元件或連接介面故障，處於不能轉態的狀態，卻 受制於主控模組的強行轉態，反而會導致系統出現更大的 故障可能。 由上述可知，既有並聯系統仍無法有效解決單點失效 1296168 的問題，因而無法確保並聯系統的可靠性，故有關不斷電 電源模組的並聯控制顯然有待進一步檢討，並謀求可行的 解決方案。 【發明內容】 因此，本發明主要目的在提供一種可確保擴充容量、 並增進冗餘性與可靠度的不斷電電源模組並聯控制方法。 爲達成前述目的採取的主要技術手段係令並聯系統中 所有不斷電電源模組具備相同的自我角色偵測、主控模組 競爭、並聯運算處理等功能，並可分別執行下列工作模式 功能角色偵測暨設定：用以偵測並設定模組本身爲新 模組、主控模組或從屬模組； 新模組工作模式，將檢查並聯系統中是否存在主控模 組，當主控模組存在時，即等候主控模組發佈從屬模組要 求的命令，並據以轉換工作模式爲從屬模組；如主控模組 不存在，即進入競爭模式以產生主控模組； 主控模組工作模式，係先依序檢查系統中之新模組、 從屬模組狀態，並依序查詢已存在從屬模組的反應，並收 集其資訊，作爲並聯控制之依據； 從屬模組工作模式，其先檢查主控模組是否存在，如 不存在時，會將本身變更爲新模組，再經競爭以重新選出 主控模組； 利用則述方法’將使並聯系統中只存在一'個主控模組 1296168 ，惟當主控模組故障或者關機等情況而造成主控模組丟失 ，其他的新模組和從屬模組，均可檢測到主控模組丟失， 然後由從屬模組自設爲新模組，以競爭優先順序開始進行 主控模組競爭；在此狀況下，可有效降低單點失效的可能 性，提高系統的可靠度。 前述不斷電電源模組進一步具有一同步轉態模式，主 要係在檢查到系統是否需要轉態時，即廣播同步轉態的命 令，進而在預設的選擇點上同步轉態。 前述不斷電電源模組進一步具有一個可選擇性（ optional)的緊急轉態模式，當模組間的控制通信線出現某 些故障，可轉換爲無線控制並聯的操作模式。 前述無線控制並聯操作模式採用所謂下降法（droop method)，其透過偵測個別不斷電電源模組所獲知的有功 和無功，對不斷電電源模組進行相位和幅値的控制。 本發明次一目的在提供一種具有高可靠度的不斷電電 源模組並聯系統。 爲達成前述目的採取的主要技術手段係令前述並聯系 統至少包括一個或一個以上的不斷電電源模組，每一個不 斷電電源模組內設具有獨立並聯運算控制功能的控制器， 又將交流輸入、直流輸入和交流輸出與其他不斷電電源模 組相並聯，並使其控制器經由一並聯控制匯流排（PCB， Parallel Control Bus)與其他模組的控制器構成信號連線並 交換訊息，進而達成負載平均分配，系統穩定操作的功能 1296168 前述不斷電電源模組係由一輸入濾波器、一 AC/DC轉 換器、一直流能量貯存庫、一 DC/AC變頻器等組成；並進 一步包含有： 一 DC/DC轉換器，係連接直流電源輸入與直流能量貯 存庫； 一具備可選擇性的充電器； 一電源單元，係提供各個模組工作的工作電源； 一控制器，可控制不斷電電源模組工作和並聯控制所 需的線路；其中： 每一個不斷電電源模組的控制器係負責控制整個模組 的功能及所需狀態的轉變。該控制器可由一數位信號處理 器（Digital Signal Processor，DSP)構成，負責接收交流 輸入電壓、頻率偵測線路傳回的信號，並提供直流電壓偵 測、直流能量貯存庫電壓偵測、交流電壓輸出電壓/頻率 偵測，負載電流偵測和電感電流偵測線路所傳回的信號。 該並聯控制匯流排係用來負責各不斷電電模組間的並 聯控制，其包含一由光耦構成雙向的控制線、一組通信匯 流排和一由所有不斷電電源模組電流合成的類比信號合成 線路。在光耦雙向控制線中有一條被用來作爲主控模組設 定線，當主控模組不存在時，爲高電位，反之，當系統存 在主控模組時，即成爲低電位；另有一組線路用來作爲同 步時序的信號。 前述控制器進一步包含了一微處理器，該微處理器係 運用數 ίϋί目號處理器（Digital Signal Processor，DSP)， 1296168 除了包含一般所熟知的輸入/輸出控制外，並利用直流貯 存庫的電壓、交流輸出電壓、電流以及變頻器的電感電流 等作爲回授的參數，利用適當的控制技巧使得交流輸出的 電壓及電流符合需求。 前述微處理器另提供功率計算的保護，判別環流的大 小，環流所衍生的功率大小，及不斷電電源模組逆向回收 的能量，對設備做進一步的保護。 【實施方式】 如第一圖所示，係本發明一較佳實施例的系統架構示 意圖，其由至少一個不斷電電源模組（1〇)所組成的不 斷電電源系統（1 0 0 )，每一個不斷電電源模組（1 0 )內設具有多重工作模式及並聯運算控制功能的控制器（ 17)，又將交流輸入、直流輸入和交流輸出與其他不斷 電電源模組（1 0 )相並聯，再利用其控制器（1 7 )經 由一並聯控制匯流排（PCB，Parallel Control Bus)與其他 模組的控制器（1 7 )構成信號連線並交換訊息，進而達 成負載平均分配，系統穩定操作的功能。 由於系統中的不斷電電源模組（1 0 )具備相同的自 我角色偵測、主控模組競爭、並聯運算處理等功能；故可 在並聯系統中分別執行下列工作模式： 功能角色偵測暨設定； 新模組工作模式； 主控模組工作模式； 1296168 從屬模組工作模式；其中： 該「功能角色偵測暨設定」之具體工作流程係如第六 圖所示（步驟611〜615)，當程式開始後，不斷電 電源模組（1 0 )將依序確認其本身爲主控模組（Master)、 從屬模組（Slave)或新模組（New)，並進入被設定的角色。 又前述新模組工作模式之具體流程係如第七圖所示， 其包含一主控模組競爭與單模組運作的機制，當一個新的 不斷電電源模組被插入系統中，電源啓動後，在沒有取得 角色設定前，即先自我設定爲新模組。一個新模組，首先 會檢查並聯系統中是否存在主控模組（7 1 1 )，如果系 統中已存在主控模組，即等候主控模組發佈從屬模組要求 的命令（7 1 2 )，該查詢命令是一種定期查詢，並以中 斷的形式進行： 當新模組收到主控模組的要求命令時，會把自己的角 色變更設定從屬模組（7 1 3 )，並結束此流程。反之， 如果中斷時間未到，新模組就會直接結束本次的操作流程 ，並等待主控模組的查詢。另一方面，當一個新模組在電 源啓動的時候，如未發現主控模組的存在，即表示這個系 統存在一個或一個以上的模組，這個模組必須確認是否只 有一個模組或與其他模組進行主控模組競爭（714)。 新模組都會發佈一串含有生產辨識碼的資料群組（7 1 5 )，並檢查接收回來的資料是否與發出的是否相同，在本 實施例中，可以利用CAN (Control Area Network)本身的硬 體特性，在系統存在兩個以上模組的狀態，並同時發出識 12 1296168 別碼的狀況下，低電位的會勝出，成功的收回本身的資料 群組而成爲主控模組，其餘的則成爲從屬模組。如果是系 統中只有一個模組存在的話，也無法回收本身的資料群組 ，此時，經過大於一個預設時間的嘗試（7 1 6〜7 1 8 )，系統中仍沒有主控模組出現時，即認定系統中只有存 在一個模組，於是設定本身爲主控模組（7 1 9 )。 由於主控模組的競爭只需要辨別識別碼，不需要乘數 ，可節省無謂時間的浪費，所以檢測所需要的時間，於本 實施例中約爲l.5ms，即爲交流輸入正常時主控模組競爭所 需的時間，即使考量電池模式，也只需要將時間延長至 3.0ms，在適當的變換速度（slew rate)安排下，對輸出完全 不會產生任何影響，是一個快速又可靠的方式，也不需要 過度浪費微處理器的資源。 如第八圖所示，則揭露一從屬模組的工作流程。在系 統中，被設定從屬模組的不斷電電源模組，首先會檢查主 控模組是否存在（8 1 1 )，如果主控模組因某些原因以 不存在，會立刻將自己變更爲新模組（8 1 2 )，經過競 爭以重新選出主控模組；反之，如果，主控模組存在，則 會依主控模組的詢問要求而應答（8 1 3 )。 該主控模組工作模式的具體流程係如第九圖所示，當 一個不斷電電源模組在系統中被設定爲主控模組，首先會 依序檢查是否有新模組加入系統（9 1 1 )，如果有，會 判斷目前在系統中的從屬模組是否小於預設數量（9 1 2 )，如果小於預設數量，則賦予新加入模組之角色爲從屬 13 1296168 模組（9 1 3 )，但如已經大於預設的數量，則忽略並拒 絕新模組加入系統的可能（9 1 4 );由於新加入模組以 及系統可加入模組的數量可能不止一個，所以必須進行到 系統不能再加入任何一個模組爲止。 當檢查新模組的工作結束後，會開始檢查從屬模組的 狀態（915):主控模組也是依序查詢已存在從屬模組 的反應（9 1 6 )，當從屬模組回應資料時（9 1 7 )， 表示從屬模組存在，否則，會再詢問一次（9 1 8 )，以 確認從屬模組是否被移除（9 1 9 )。接著，會檢查主控 模組的優先等級以及是否存多個主控模組（9 2 0 )，前 者是爲了如果主控模組因某些原因轉態至電池模式/而系 統中卻有其他從屬模組是在市電模式的情況下，即重新進 行主控模組競爭（9 2 1 )，使得在市電模式的不斷電電 源模組可以成爲系統的主控模組；後者，則爲了系統發生 異常狀況而作防備。當所有的從屬模組都應答完畢（9 2 2 )，即結束流程。 除前述工作模式外，不斷電電源模組（Γ0 )進一步 具有一同步轉態工作模式，其具體流程係如第十圖所示， 首先，主控模組會先檢查是否系統是否需要轉態並做好轉. 態的準備（4 1 1 )，如果不是，則結束流程。如果系統 需要轉態，則由執行主控模組工作模式的模組對其本身、 從屬模組以及新模組廣播同步轉態的命令（4 1 2 )，接 著在預設的選擇點上同步轉態（4 1 3 )。所謂的預設選 擇點多半會是利用電壓的零點切換處作爲觸發點同步轉態 14 1296168 ’然後結束流程。此處的同步轉態，本實施例中是將狀態 分爲緊急和不緊急兩種，係由主控模組決定，或是由個別 的模組自行決定轉態：所謂的緊急是例如過載的情況，當 主控模組在判斷負載已經過載，並且此時市電也在可容許 的範圍內，必須使得系統中所有的模組都從變頻器轉到旁 路；在此實施例中的不斷電電源模組若是兩層式架構，市 電與電池間的轉態並不會直接影響到斷電時間，進而造成 負載電源中斷，所以，不斷電電源模組間市電/電池模式 轉態，可以由每一個模組個別判斷是否能在市電模式或電 池模式下正常工作，自行決定是否轉態，否則可能發生某 一個模組的部分區塊已經故障，卻被主控模組強行轉態， 導致更多故障等不可靠的結果。 再者，系統中的不斷電電源模組進一步提供一個可選 擇性（optional)的轉態模式，當控制線上出現了某些故障 ，可轉換爲無線控制並聯的操作模式。一般而言，所謂的 無線控制並聯原理多半如第十一圖所示，在變頻器輸出串 聯一個電感，利用電感的作用，可以利用有功（active power)和無功（reactive power)計算出所需的電壓差和頻 率差値，計算原理如下， ， η 一 -匕2 4爲輸出K與K間的夾角。 根據上式，可以發現有功和輸出相位角有關，而無功 1296168 與輸出幅値有關，於是可以再利用如下的預設關係式，以 構成對並聯時相位及幅値控制的穩定負迴授系統。 ωί = ω04 Pi , i =1,2,...,« v，vu-k2'Qi， i =1,2,...,¾ 以上描述者即所謂的下降法（droop method)無線控制 並聯方式，其透過偵測個別不斷電電源模組所獲知的有功 和無功，對不斷電電源模組進行相位和幅値的控制。其控 制流程係如第十二圖所述： 在無線並聯控制模式下，首先會檢測並聯控制匯流排 (PCB)是否正常（5 1 1 )，尤其是指主控模組設定線、同 步時序信號線或/和類比合成信號線路是否正常：如果正 常，則維持有線並聯操作的模式並結束流程（5 1 2 ); 如果所提到的控制用匯流排異常，則會進入所提到的無線 控制並聯模式（5 1 3 )，但仍維持透過通信匯流排選出 一個主控模組，以利顯示，或轉旁路的協調控制等工作， 按照上述的方程式調整幅値和相位，接著會檢查交流輸入 的電壓幅値和頻率是否在範圍內（5 1 4 )，如果是的話 ，輸出會對交流輸入鎖相（5 1 5 )，同時在內部發生異 常（5 1 6 )，但通信匯流排正常時（5 1 7 )，可具有 轉旁路（5 1 8 )的能力，否則都進入到結束步驟。在程 式中，如果交流輸入電壓幅値和/或頻率不在預期範圍內 ，則輸出不對輸入鎖相，在內部發生異常時（5 1 9 )， 無論通信匯流排是否正常，都無法轉態至旁路，所以必須 將本模組關閉（5 2 0 );再或者，交流輸入電壓幅値和 16 1296168 頻率雖在預期範圍內，但通信匯流排異常，則確認設定是 在內部發生異常時，亦會關閉模組。 由上所提出的方式，本發明除了上述所提到的主控模 組所提供可靠的並聯模式外’在部分通信控制匯流排異常 時，更進一步提供了緊急轉入無線控制並聯的模式，是其 他所有並聯操作所不能提供，結合有線和無線控制並聯的 方式，提供負載可靠的電源，大大提高了負載可靠度的需 求。 以上所述者即本發明所強調的混合式中央控制方法， 藉由如是之局部分散的控制方法，可以使得系統較一般完 全中央控制式或完全分散控制式提供更高的可靠度，同時 ，由於如是系統的冗餘性，即爲不斷電電源模組數目，其 冗餘性較外接控制中心者明顯爲高，也沒有任何控制線路 在外部的控制中心上，其可靠度更是大大地提高；更進一 步，由於系統中只存在主控模組與從屬模組（不需要所謂 的副主控模組），所以，即使只有一個不斷電電源模組， 亦可正常操作，且具備較佳的靈活性；顯見本發明提出了 一個兼顧冗餘性、可靠度以及靈活性的控制方法。 至於執行前述控制方法之系統，其一較佳實施例係如 第一圖所示：該不斷電電源系統（1 〇 〇 )進一步包含： 至少一電池模組（1 0 1 )，係提供前述的直流電源 ， 一旁路開關（1 0 2 )，係作維修操控用； 一個顯示暨通信中心（1 〇 3 )，係方便使用者瞭解 17 1296168 內部情況和外部軟體監控； 一具備可選擇性的充電器（1 0 4 )，係增加充電電 流； 一具備可選擇性的輸出變壓器（圖中未示），用以改 變輸出電壓。 於本實施例中，輸出部分並聯，可提供負載擴充容量 和提供冗餘性。且在前述架構中，也可以在交流輸出匯流 排上再串聯一個隔離變壓器（圖中未示），再連接到負載 上，該隔離變壓器較佳的運用係作爲降壓之用，使得在低 壓輸出的應用下，輸入和機器內部其配線和電流的需求可 以降低，亦較符合實際應用情形。 交流輸入的部分，較佳者是同時可以接收至少一相以 上的交流輸入，方便使用者在容量較大時的配線需求。此 處所提到的不斷電電源模組（1 0 )可以藉由配線或開關 的方式，使得交流輸入無論是在大於一相和單相的時候， 都使用相同的不斷電電源模組。 直流輸入的部分，於本實施例中係採電池輸入，可以 選擇內部存在的至少一個內部電池模組（1 〇 1 )，也可 以在不斷電電源模組（Γ0)內部設一單位放電時間所需 的電池。在不需要增加或延長放電時間的情況下，這些電 池不一定需要並聯，也不會影響到本發明令輸出並聯的精 神；因而，本發明的較佳實施例是將所有不斷電電源模組 (1 0 )的直流輸入端相連，並使其與一外部電池（1 0 5 )連接，以延長放電時間。 18 1296168 前述的顯示暨通信中心（1 〇 3 )，用以與各個不斷 電電源模組（1 〇 )中選出的虛擬控制中心（主控模組） 溝通，並藉由LED或LCD等顯示方式讓使用者可以瞭解系 統操縱的情況，同時該顯示暨通信中心（1 0 3 )還負責 作爲與外界介面通信的連接介面，可以讓使用者藉由 RS232、RS485或是SNMP等方式對系統部分功能重新格式 化（configuration )，或是可以實現遠端遙控（remote control)的功能，另同時亦具有發佈同步時序信號的能力 ，作爲一個外部同步時序的來源。 β 前述外接的充電器（1 〇 4 )，係在需要提升充電能 力的情況下，可以與每一個不斷電電源模組（1 0 )內部 的充電器（本圖中未示）並聯，以提高電池的充電電流。 再者，前述的可操縱旁路開關（1 0 2 )係在必要的 情況下（例如所有的不斷電電源模組都必須移除時），提 供負載一個外部轉旁路的路徑。 如第二圖所示，揭露有前述不斷電電源模組（1 0 ) 的方塊圖，其包括有： 一具備可選擇性的輸入濾波器（圖中未示），位於輸 入端上； 一 AC/DC轉換器（1 1 )，其輸入端連接輸入濾波器 的輸出端，將交流輸入電源轉換爲直流； —直流能量貯存庫（DC bus bank )( 1 2 )，位於 AC/DC轉換器（1 1 )的輸出端上； 一 DC/AC變頻器（Inverter) ( 1 3 )，其輸入端係與前 19 1296168 述AC/DC轉換器（1 1 )輸出端及直流能量貯存庫（1 2 )； 一 DC/DC轉換器（1 4 )，其輸入端係連接直流電源 輸入，輸出端則連接直流能量貯存庫（1 2 ); 一具備可選擇性的充電器（1 5 ); 一工作電源單元（1 6 )，係供應不斷電電源模組（ 10)之工作電源； 一控制器（1 7 )，係分別與DC/AC變頻器（1 3 ) 、AC/DC轉換器（1 1 )及DC/DC轉換器（1 4 )連接， 用以控制不斷電電源模組（1 〇 )工作及作並聯控制。 在前述架構下，當主要交流電源（Main-power)正常時， 能量由主要交流電源提供，經由AC/DC轉換器（1 1 )轉 換成預設的直流電壓連接到直流能量貯存庫（1 2 )，再 經由DC/AC變頻器（1 3 )將能量由直流轉爲交流，連接 到交流輸出匯流排（AC Output Bus)，而構成一般所謂的兩 層式在線式架構(double-conversion on-line frame) 〇 當主要交流電源異常時，能量會改由備份直流電源提 供，經由DC/DC轉換器（1 4 )轉換成預設的直流電壓連 接到直流能量貯存庫（1 2 )，再經由DC/AC變頻器（1 3 )將能量從直流轉爲交流，連接到交流輸出匯流排（AC Output Bus) 〇 而前述的工作電源，其輸入是連接到充電器（1 5 ) 和內部電池模組（1 0 1 )或外部電池（1 〇 5 )，使得 無論是由交流輸入或直流輸入都不受到影響，可以提供不 1296168 斷電電源模組所需的工作電源，如風扇，微處理器，以及 功率開關所需的工作電源。 而在圖上所揭示的開關SWA是指由DC/AC變頻器（ 13)所提供的交流電源和從交流輸入連接器所引入的交 流電源的切換，是一個可以提供內部旁路切換的開關，同 時，這個開關的速度，也就是這些模態轉換的時間。而每 一個模組，首先是將交流輸入、直流輸入和交流輸出與其 他不斷電電源模組（1 0 )相並聯，再利用控制器（1 7 )藉由並聯控制匯流排（PCB，Parallel Contro厂Bus)與其 他模組的控制器（1 7 )互相溝通及交換訊息，進而達成 負載平均分配，系統穩定操作的功能。 如第三圖所示，揭露有前述控制器（1 7 )之一可行 實施例，其包括有： 一微處理器（1 7 1 )，可由數位信號處理器（DSP)構 成，其內建有前述第六圖至第十圖所示的各種工作模式， 另分別連接有——般功能I/O電路（1 7 4 )、類比轉數 位偵測線路（1 7 5 )、變頻器功率開關驅動電路（1 7 6 )，而供分別與AC/DC轉換器（1 1 )、DC/DC轉換器 (14)、充電器（15)及DC/AC變頻器（1 3 )等連 接； 一雙向光耦通信線路（1 7 2 ); 一類比信號合成線路（1 7 3 )，係與前述微處理器 (1 7 1 )連接，以合成輸入各不斷電電源模組（1 〇 ) 之電流信號（類比）； 21 1296168 於本實施例中，該微處理器（1 7 1 )係採用數位信 號處理器（DSP)作爲不斷電電源模組（1 〇 )的主要中央控 制器，爲了使得負載均衡分配，須由不斷電電源模組（1 0 )中偵測DC/AC變頻器（1 3 )的輸出電壓、輸出電流 及其上的電感電流，在內部進行運算及處理，運算出所需 的PWM責任週期，經由控制該變頻器功率開關驅動電路（ 1 7 6 )以驅動DC/AC變頻器（1 3 )中的功率開關，而 獲得所需的輸出電壓和輸出電流。該微處理器（1 7.1 ) 計算變頻器功率開關責任週期的方法，係利用電壓外迴圈 及電流內迴圏，並加上交流輸出電流和交流輸出電壓兩個 前饋控制量所決定。 基本上，每一不斷電電源模組（1 0 )的控制器（1 7 )，其包含的微處理器（1 7 1 )可以獲得總負載電流 的資料，將各個模組的負載電流資料，以適當的阻抗匹配 結合並傳回，每一個不斷電電源模組（1 0 )的控制器（ 1 7 )即利用所包含的微處理器（1 7 1 )進行上述的運 算。 前述雙向光耦通信線路（1 7 2 )可作爲主控模組設 定線、同步時序線等用途。其一可行的具體線路係如第四 圖所示，主要係由兩組光耦合器配合電晶體、電阻所組成 ，而分別與不斷電電源模組（1 〇 )內的微處理器（1 7 1 )的輸入/輸出端連接，讓包含在不斷電電源模組（1 0 )內的微處理器（1 7 1 )可以雙向同步傳輸和接收所 需的信號。即使是有一點時間的延遲，也可以在程式中預 22 1296168 先扣除，並且，發出信號的微處理器（1 7 1 )亦可同步 接收到自己發出的信號。而作爲主控模組的不斷電電源模 組（1 0 )在其雙向光耦通信線路（1 7 2 )中，係利用 其中一條作爲時序同步信號，該時序同步信號係直接連接 到控制器（1 7 )的輸入捕捉（Input Capture)介面，以作 爲頻率的偵測，而使得所有的不斷電電源模組（1 0 )可 以幾乎相同的相位操作運行。 又如第五圖所示，其揭露有一類比信號合成線路（1 7 3 )的可行實施例。每一個不斷電電源模組（1 0 )可 以利用比流器（CT，current transformer)將電流波形取出 ，經由適當的阻抗（Z1〜Zn)匹配合成所需的並聯負載分配信 號，傳回上述的微處理器（1 7 1 )，並加以運算。該類 比信號合成線路（1 7 3 )更進一步包含一個開關（SW-1〜SW-N)，當系統中只存在一台不斷電電源模組（1 0 ) 或進入無線控制並聯的模式，可利用該開關（SW-1〜SW-N) 使對應的不斷電電源模組（1 0 )切離並聯控制用匯流排 (PCB)。 前述的並聯控制匯流排（PCB)，係甩以在系統中由至少 一台以上並聯操作的不斷電電源模組（1 0 )中以一定的 方法選出一個主控模組，使得整個系統穩定的操作，其方 法已在第六圖至第十圖中詳細敘述。 由上述說明可看出本發明之具體技術手段，其導入了 所謂的混合式中央控制方法，其利用系統中每一不斷電電 源模組本身具備模態自動偵測與轉換功能’以自動產生唯 23 1296168 一的主控模組，並在主控模組失效時，由線上的模組再經 競爭以產生另一主控模組’藉此可有效降低單點失效的可 能性，故具有較高的可靠度；且本發明所設計並聯系統的 冗餘性，即爲不斷電電源模組數目，其冗餘性較外接控制 中心者明顯爲高，且由於本發明未將任何控制線路設於外 部的控制中心，其可靠度因而顯著提升，相較於美國第者 ，美國第6,201，319號發明專利案係利用一個外部的控制中 心管理，同時配合冗餘智慧模組(RIM)作爲備份管理，及美 國第6,396，170號發明專利案所提出選擇虛擬中心的方法， 在系統架構上更趨單純，且單點失效的可能性更低。更進 一步，由於系統中只存在主控模組與從屬模組（不需要所 謂的副主控模組），所以，即使只有一個不斷電電源模組 ，亦可正常操作，且具備較佳的靈活性，其相較於雖選出 主控模組，但仍須配合副主控模組運作，故單機時即無法 運作的美國第6,396，170號發明專利案已具備顯著功效增進 ;顯見本發明提出了一個兼顧冗餘性、可靠度以及靈活性 的並聯控制方法及系統，並符合發明專利要件，爰依法提 起申請。 【圖式簡單說明】 (一）圖式部分： 第一圖：係本發明之並聯系統示意圖。 第二圖：係本發明並聯系統中的不斷電電源模組示意圖。 第三圖：係本發明不斷電電源模組中的控制器方塊圖。 24 1296168 第四圖：係前述控制器中所設雙向光耦線路之電路圖。 _ 第五圖：係本發明並聯系統中所設類比信號合成線路的示 ， 意圖。 第六圖：係本發明並聯系統中不斷電電源模組的功能角色 設定工作流程圖。 第七圖：係本發明並聯系統中新模組的工作流程圖。 第八圖：係本發明並聯系統中從屬模組的工作流程圖。 第九圖：係本發明並聯系統中主控模組的部分工作流程圖 第十圖：係本發明並聯系統中主控模組的其他工作流程圖 第十一圖：係本發明並聯系統之無線控制並聯的方塊圖。 第十二圖：係本發明並聯系統判斷有線或無線控制並聯的 工作流程圖。 (二）元件代表符號 (1〇)不斷電電源模組 (1 0 1 )內部電池模組 (1 0 2 )旁路開關 (1 0 4 )充電器 (1 1 ) AC/DC轉換器 (1 3 ) DC/AC變頻器 (1 5 )充電器 (1 7 )控制器 (1 0 0 )不斷電電源系統 (1 0 3 )顯示暨通信中心 (1 0 5 )外部電池 (1 2 )直流能量貯存庫 (1 4 ) DC/DC轉換器 (1 6 )工作電源單元 (1 7 1 )微處理器

(1 7 2 )雙向耦合通信線路 25 1296168 (1 7 4 ) —般功能I /〇電路 (1 7 3 )類比信號合成線路 (1 7 5 )類比轉數位偵測電路 (1 7 6 )變頻器功率開關驅動電路

Claims (1)

1. 1 · 一種不斷電電源模組並聯控制方法，係令並聯系 統中所有不斷電電源模組具備相同的功能角色自我定義、 主控模組競爭、並聯運算處理等功能，並由並聯的不斷電 電源模組中在一競爭模式下產生唯一的主控模組，與其他 模組進行溝通，作爲並聯控制的依據；當主控模組失效時 ，線上的不斷電電源模組將重新進入競爭模式，產生新的 主控模組，以維持並聯系統的運作；其中：

   每一不斷電電源模組至少具備下列工作模式： 功能角色偵測暨設定：用以偵測並設定模組本身爲新 模組、主控模組或從屬模組； 新模組工作模式，將檢查並聯系統中是否存在主控模 組，當主控模組存在時，即等候主控模組發佈從屬模組要 求的命令，並據以轉換工作模式爲從屬模組；如主控模組 不存在，即進入競爭模式以產生主控模組；

   主控模組工作模式，係先依序檢查系統中之新模組、 從屬模組狀態，再依序查詢已存在從屬模組的反應，並收 集其資訊，作爲並聯控制之依據； 從屬模組工作模式，其先檢查主控模組是否存在，如 不存在時，會將本身變更爲新模組，再經競爭以重新選出 主控模組； 又前述不斷電電源模組進一步具有： 一同步轉態模式，主要係在檢查到系統是否需要轉態 時，即廣播同步轉態的命令，進而在預設的選擇點上同步 27 1296168

   轉態丨:二二 一個可選擇性（optional)的轉態模式，當模組間的控 制通信線出現故障，即轉換爲無線控制並聯的操作模式。 2·如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源模組並 聯控制方法，該無線控制並聯操作模式採用所謂下降法（ droop method)，其透過偵測個別不斷電電源模組所獲知的 有功和無功，對不斷電電源模組進行相位和幅値的控制。 3·如申請專利範圍第1項所述之不斷電電源模組並 聯控制方法，新模組工作模式中的主控模組競爭主要是指 新模組利用生產時所分配的生產識別碼送到連接各模組的 通信匯流排上，當輸出和讀回的識別號碼相同時，便決定 自己爲主控模組。 4 · 一種不斷電電源模組並聯系統，其包括至少一個 的不斷電電源模組，該不斷電電源模組包含至少一相交流 輸入或直流輸入、至少一相交流輸出、一負責整個不斷電 電源模組並聯操作的控制器及一並聯控制匯流排；該並聯 的不斷電電源模組可使輸出並聯連接到負載供給能量，提 供增加容量或冗餘的功能；其中： 每一不斷電電源模組的控制器具有模態自動偵測與轉 換功能，並透過一並聯控制匯流排與其他不斷電電源模組 構成連線，以透過競爭模式自動產生主控模組。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之不斷電電源模組並 聯系統，該系統中進一步包括有： 一個顯示暨通信中心，係與至少一個不斷電電源模組 28 頁 Π96 峨; 的控制器連接； 一個可選擇性外接電池連接器，係與前述直流輸入連 接，以外接電池延長供電時間； 一個可選擇性充電器，用以對各並聯不斷電電源模組 連接的電池充電； 一個可選擇性的輸出隔離變壓器，係設於不斷電電源 模組並聯的總輸出端；

   一個可選擇性旁路維護開關，係設於各並聯不斷電電 源模組共接的輸入/輸出之間。 6·如申請專利範圍第4項所述之不斷電電源模組並 聯系統，該交流輸入係至少一相以上的交流輸入，該不斷 電電源模組，可藉由配線或開關的方式，使得交流輸入無 論是在大於一相和單相時，都使用相同的不斷電電源模組 7·如申請專利範圍第4項所述之不斷電電源模組並 聯系統，該直流輸入爲電池，其可內含於不斷電電源模組 中，也可以是在不斷電電源模組以外的電池模組。 8·如申請專利範圍第4項所述之不斷電電源模組並 聯系統，該不斷電電源模組的控制器包含一般不斷電電模 組所需的輸入/輸出控制線路，其可以偵測交流輸入的電 壓、頻率、直流輸入的電壓、交流輸出的電壓、電流和頻 率，同時可以時時控制交流輸出的功率開關，以及並聯所 需的並聯控制匯流排。 9·如申請專利範圍第8項所述之不斷電電源模組並 29 129樓錢聲換頁 月日I 聯系統~^1^制器進一步包含一個微處理器，除作一般輸 入/輸出控制外，並利用交流輸出的電壓、電流等時時控 制交流輸出的功率開關，同時控制不斷電電源模組並聯時 ，交換訊息所利用的開關。 1〇·如申請專利範圍第8項所述之模組化電源供應 系統，該並聯控制匯流排更進一步包含由光耦構成的雙向 控制線路、一組通信匯流排與一由所有不斷電電源模組電 流合成的類比信號合成線路。 1 1 ·如申請專利範圍第1 〇項所述之不斷電電源模 φ 組並聯系統，該光耦構成的雙向控制線路，其中一組線用 來作爲主控模組設定線，供判斷系統是否已經存在主控模 組；另一組線係供主控模組發送時序信號作爲同步信號。 1 2 ·如申請專利範圍第1 0項所述之不斷電電源模 組並聯系統，該光親構成的雙向控制線路，包含有輸入輸 出阻抗匹配設計。 1 3 ·如申請專利範圍第1 1或1 2項所述之不斷電 電源模組並聯系統，該時序同步信號係直接連接到控制器 ® 的輸入捕捉（Input Capture)介面，以作爲頻率的偵測。 1 4 ·如申請專利範圍第1 〇項所述之不斷電電源模 組並聯系統，該類比合成信號線係由至少一個不斷電電源 模組的負載電流按一定比例所合成，其進一步包含一個開 關，可在不需要合成時使其斷開。 15·如申請專利範圍第4項所述之不斷電電源模組 並聯系統，該顯示暨通信中心可在線更換，同時兼具有發 30

   信號的能力，作爲一個外部同步時序的來源。 1 6 · —種不斷電電源模組，包含， —個功率單元，包含一AC/DC轉換器、一 DC/DC轉 換器、一直流能量貯存庫（DC bus bank)、一 DC/AC變頻 器； 一個控制單元，其內建自我功能角色定義功能及新模 組/主控模組/從屬模組等工作模式，且包含不斷電電源 模組所需的輸入/輸出控制線路及並聯所需的並聯控制匯 流排（Parallel Control Bus，PCB )，其中輸入/輸出控制 線路係用以偵測交流輸入的電壓、頻率、直流輸入的電壓 、交流輸出的電壓、電流和頻率，同時可時時控制交流輸 出的功率開關。 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項所述之不斷電電源模 組，該不斷電電源模組含有可以選擇性的一個充電器，當 直流電源爲電池，其能量耗盡時，可以在交流電源回復後 ，對電池充電。 1 8 ·如申請專利範圍第1 6項所述之不斷電電源模 組，該控制單元進一步包含一個微處理器，負責所需的變 頻器單獨運行與並聯操作時，所需的功率開關責任週期的 計算，一般不斷電電源模組所需的功能，如交流輸入，直 流輸入電壓幅値與頻率的偵測等功能，以及並聯示所需並 聯控制的通信。 1 9 ·如申請專利範圍第1 6項所述之不斷電電源模 組，該控制單元包含的並聯控制匯流排，包括一類比合成 31 Ι296β1Γ^Π ιΛι詞 I 正 η { filfe’l#1-一:$耦合成雙向線路及一組通信匯流排；使該 不斷電電源模組可透過並聯控制匯流排與其他不斷電電源 模組並聯。 2 0 ·如申請專利範圍第1 8項所述之不斷電電源模 組，該不斷電電源模組可利用該微處理器和並聯控制匯流 排，於並聯的不斷電電源模組間選出一個主控模組作爲虛 擬控制中心，控制所有所提到的不斷電電源模組輸出相位 同步。 2 1 ·如申請專利範圍第1 9項所述之不斷電電源模 φ 組，該光耦合成雙向線路係供不斷電電源模組接收其他不 斷電電源模組發出的信號，或發出信號給其他不斷電電源 模組。 2 2 ·如申請專利範圍第2 1項所述之不斷電電源模 組’該光锅合成雙向線路其中一組線是作爲同步時序信號 ，必須連接到控制器中所包含微處理器的輸入捕捉（Input Capture)介面。

   如次頁 32