TW201436408A - 直流電源並聯系統及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明是涉及一種直流電源並聯系統及其控制方法，主要是由多個直流電源模組以其輸出端並聯地和負載連接，每一直流電源模組具有一虛擬電壓下降運算單元，其藉由調整輸出端的回授信號模擬提高輸出阻抗，以虛擬電壓下降法使各直流電源模組達到均流並聯的目的，又在一個以上直流電源模組內設有一電壓調整單元，以根據回授的輸出電壓修正對負載的輸出電壓，藉此提升並聯系統的電壓調整能力。

Description

直流電源並聯系統及其控制方法

本發明是一種直流電源並聯系統及其控制方法，尤指一種結合虛擬電壓下降法與主從式架構以兼顧均流與電壓調整能力的電源並聯系統。

為確保電源系統供電的穩定性與可靠度，既有電源系統大都將電源供應器模組化，並使採用特定規格系列的電源模組以串聯或並聯方式相互連接。當多個電源模組並聯後仍不能完全確保整個電源系統能穩定可靠的工作，其穩定工作的前提在於均壓與均流，就均流方面而言，其主要任務包括：當負載變化時，各個電源模組的輸出電壓變化相同。且使各個電源模組的輸出電流依額定功率平均分攤。

至於並聯的現有技術主要有二類，其一為主動均流法(Active Current-Sharing Method)，另一為電壓下降法(Droop Method)，所稱的主動均流法包含平均電流法(Average current Method)、直接主從法(Dedicated Master Method)及自動主從法Automatic Master Method)。所謂的電壓下降法，如圖3所示，多個電源模組M1~Mn以其輸出端並聯地和負載連接而構成一並聯系統，理論上，每一個電源模組M1~Mn應該符合相同電壓、相同電流、相同輸出 阻抗的要求，但預設值與實際值總有差異，而前述差異將會影響並聯系統的均流，以第一個和第二個的電源模組M1,M2為例，如圖4所示，縱軸是表示輸出電壓Voi，橫軸則表示輸出電流Io，而電源模組M1,M2分別具有不同的輸出電壓Vno1、Vno2，在達對穩態供電時，電源模組M1,M2的輸出電流分別為Io1、Io2，在該狀態下的輸出電流差值為△Io。所謂電壓下降法是指若將電源模組M1,M2的輸出電壓Vno1、Vno2降低，則根據圖4所示，電源模組M1,M2的輸出電流分別為I’o1、I’o2，其差值則縮小為△I’o，藉此有助於均流的實現。

以往實現上述電壓下降法最直接的方法是在各個電源模組M1~Mn的輸出端串接電阻，由於輸出阻抗提高，輸出電壓即相對下降。但此種作法勢必會提高電力損耗，影響電力使用效率。

由上述可知，現有的電壓下降法雖然有助於並聯電源系統實現均流目的，但電壓下降透過提高阻抗所產生，將造成損耗且電壓調整能力不佳，故有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案。

因此本發明主要目的在提供一種直流電源並聯系統，是使系統中並聯的各個直流電源模組分別以虛擬方式執行電壓下降，以解決串接電阻造成的電力損耗問題；並由一個以上的直流電源模組同時執行定電壓控制，藉以提升並聯系統的電壓調整能力。

為達成上述目的採取的主要技術手段是使上 述直流電源並聯系統包括有多個直流電源模組，各個直流電源模組分別具有一電源輸入端及一電源輸出端，且各個直流電源模組分別以其電源輸入端、電源輸出端分別相互連接，以構成一並聯架構；又每一直流電源模組包括：一電源轉換器，連接於電源輸入端和電源輸出端間，該電源轉換器並具有一控制端；一脈寬調變控制器，具有一輸入端和一輸出端，其輸出端和電源轉換器的控制端連接；一電壓控制器，具有二輸入端和一輸出端，電壓控制器的輸出端和脈寬調變控制器的輸入端連接；一電壓回授單元，連接在電源輸出端和電壓控制器的一輸入端間；一虛擬電壓下降運算單元，具有一回授信號輸入端、一參考電壓輸入端、一調整電壓輸入端和一控制信號輸出端，該回授信號輸入端和電源輸出端連接，該控制信號輸出端和電壓控制器的另一輸入端連接；該虛擬電壓下降運算單元是根據電源輸出端的回授電壓和參考電壓輸入端的參考電壓比較後，以產生一個控制信號送到電壓控制器，以透過脈寬調變控制器降低電源轉換器的輸出電壓，而執行虛擬電壓下降法；前述一個以上的直流電源模組進一步包括一電壓調整單元，該電壓調整單元具有一回授電壓輸入端、一參考電壓輸入端和一調整電壓輸出端，該回授電壓輸入端和電源輸出端連接，該調整電壓輸出端和虛擬電壓下降運算單元的調整電壓輸入端連接；該電壓調整單元將根據回授電壓 與一參考電壓運算後產生一調整電壓送到虛擬電壓下降運算單元；前述並聯系統是由並聯的各個直流電源模組分別由其虛擬電壓下降運算單根據電源輸出端的回授電壓和參考電壓執行虛擬電壓下降法，以縮小輸出電流差值，實現均流目的，而執行虛擬電壓下降法導致輸出電壓下降，則可利用直流電源模組內的電壓調整單元將輸出電壓調整至正常狀態，藉以兼顧並聯系統的均流與電壓調整能力。

本發明的又一目的在提供一種直流電源並聯系統的控制方法，其可滿足均流要求，並提高電壓調整能力。

為達成上述目的採取的主要技術手段是使前述控制方法包括以下步驟：提供多個直流電源模組，並使各直流電源模組以其電源輸入端、電源輸出端相互並聯；使各直流電源模組分別執行一虛擬電壓下降法，所稱虛擬電壓下降法，是由各直流電源模組透過改變電源輸出端的回授信號，以模擬提高輸出阻抗而降低電源輸出端的輸出電壓；使一個以上的直流電源模組執行定電壓控制，以調整電源輸出端的輸出電壓。

前述方法是利用各直流電源模組改變電源輸出端的回授信號，以降低電源輸出端的輸出電壓，藉此達成均流目的；由於上述均流是透過降低電源輸出端的輸出 電壓模擬輸出阻抗提高，而不是在電源輸出端上串接電阻，因此不會發生在電阻上消耗電力的問題；儘管電壓下降法是虛擬提高輸出阻抗而來，依然造成輸出電壓降低，因此使一個以上的直流電源模組對輸出電壓執行定電壓控制，以增進並聯系統的電壓調整能力。

10A、10B~10n‧‧‧直流電源模塊

11‧‧‧電源轉換器

12‧‧‧脈寬調變控制器

13‧‧‧電壓控制器

14‧‧‧電壓回授單元

15‧‧‧虛擬電壓下降運算單元

151‧‧‧第一運算器

152‧‧‧第二運算器

20A、20B~20n‧‧‧電壓調整單元

21‧‧‧電壓控制器

22‧‧‧運算器

圖1是本發明並聯系統第一較佳實施例的方塊圖。

圖2是本發明並聯系統第二較佳實施例的方塊圖。

圖3是已知執行電壓下降法的並聯系統示意圖。

圖4是電壓下降法中輸出電流與輸出阻抗的相對關係曲線圖。

以下配合圖式及本發明的較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段。

關於本發明並聯系統的第一較佳實施例，請參考圖1所示，其包括多個直流電源模組10A、10B~10n，每一直流電源模組10A、10B~10n分別具有一電源輸入端和一電源輸出端，各電源輸入端相互連接以共同連接輸入電源，各個直流電源模組10A、10B~10n的電源輸出端也相互連接，以便共同地連接到負載，而構成一並聯系統。

關於各個直流電源模組10A、10B~10n的具體構造，以下將以其中一個直流電源模組10A為例說明，其他直流電源模組10B~10n具有相同構造，容不一一贅述：該直流電源模組10A包括一電源轉換器11、 一脈寬調變控制器12、一電壓控制器13、一電壓回授單元14和一虛擬電壓下降運算單元15；其中：該電源轉換器11可以是交流對直流轉換器(AC/DC)，也可以是直流對直流轉換器(DC/DC)，前者是使用在輸入電源是交流電的場所，後者則應用在輸入電源為直流電壓源的場合。該電源轉換器11是連接在其電源輸入端和電源輸出端間，該電源轉換器11並具有一控制端，用來和脈寬調變控制器12連接。

該脈寬調變控制器12具有一輸入端和一輸出端，其輸出端和前述電源轉換器11的控制端連接，而透過調變脈寬(PWM)方式調整電源轉換器11的輸出電壓；該脈寬調變控制器12的輸入端是和電壓控制器13連接。

該電壓控制器13具有二輸入端和一輸出端，其輸出端是和脈寬調變控制器12的輸入端連接，其中一輸入端是透過電壓回授單元14和電源輸出端連接。

該虛擬電壓下降運算單元15具有一回授信號輸入端、一參考電壓輸入端Vor、一調整電壓輸入端Vc和一控制信號輸出端，該回授信號輸入端是和電源輸出端連接，該控制信號輸出端和電壓控制器13的另一輸入端連接；在本實施例中，虛擬電壓下降運算單元15具有一第一運算器151及一第二運算器152，該第一、第二運算器151、152分別具有兩參數端和一輸出端，第一運算器151的一參數端和電源輸出端連接，其輸出端構成前述控制信號輸出端，且連接到電壓控制器13的另一輸入端，第一運算器151的另一參數端和第二運算器152的輸出端連接，第二 運算器152的兩參數端分別構成前述的參考電壓輸入端Vor、調整電壓輸入端Vc；利用上述第一、第二運算器151、152的運算結果改變輸出到電壓控制器13的控制信號，進而透過脈寬調變控制器12使電源轉換器11降低輸出電壓，以虛擬直流電源模組10A的輸出阻抗提高，以執行電壓下降法，達成均流目的。

而為解決以電壓下降法實現的並聯系統其電壓調整能力不佳的問題，本發明進一步由一個以上的直流電源模組10A對並聯系統執行定電壓(CV)控制，以提升並聯系統的電壓調整能力。在本實施例中，是在其中一個直流電源模組10A設有一電壓調整單元20A，由該直流電源模組10A作為一主模組(Master)對輸出電壓執行定電壓控制，其他直流電源模組10B~10n則作為從模組(Slave)，而組成一主從式架構。

該電壓調整單元20A具有一回授電壓輸入端、一參考電壓輸入端Vor和一調整電壓輸出端，該回授電壓輸入端和電源輸出端連接，該調整電壓輸出端和虛擬電壓下降運算單元15的調整電壓輸入端Vc連接；在本實施例中，該電壓調整單元20A包括一電壓控制器21和一運算器22，該電壓控制器21具有兩輸入端，分別和電源輸出端、參考電壓輸入端Vor連接；該運算器22具有兩參數端和一輸出端，其輸出端和各直流電源模組10A、10B~10n的調整電壓輸入端連接，其中一參數端和電壓控制器21的輸出端連接，另一參數端和參考電壓輸入端Vor連接。

在前述架構下，各直流電源模組10A、10B~10n雖在其虛擬電壓下降運算單元15的運作下降低其輸出電壓，以執行電壓下降法並實現均流目的。然而作為主模組的直流電源模組10A則對輸出電壓執行定電壓控制，其電壓調整單元20A的電壓控制器21是參考電源輸出端的回授電壓及參考電壓輸入端Vor的參考電壓，並經運算器22運算後產生一調整電壓信號，送到各直流電源模組10A、10B~10n的虛擬電壓下降運算單元15，以參與對電壓控制器13送出控制信號的運算，因而在並聯系統的輸出電壓仍可獲得有效控制。

關於本發明的第二較佳實施例，請參考圖2所示，其在各直流電源模組10A、10B~10n的基本組成上和前一實施例大致相同，不同處在於：本實施例中，每一個直流電源模組10A、10B~10n分別設有一電壓調整單元20A、20B~20n，各個電壓調整單元20A、20B~20n的調整電壓輸出端分別透過一二極體和所有直流電源模組10A、10B~10n的虛擬電壓下降運算單元15的調整電壓輸入端連接。在此狀況下，將構成一自動主從控制架構。在前述架構下，每一個直流電源模組10A、10B~10n各自設有一電壓調整單元20A、20B~20n，以便對輸出電壓執行控制，但實際上由那一個直流電源模組10A、10B~10n作為主模組進行控制，則為機動的，主要視那一個直流電源模組10A、10B~10n輸出的調整電壓最大，即取得主模組資格，其他直流電源模組10B~10n則作為從模組。

與前一實施例相同處在於：各個直流電源模組 10A、10B~10n是在其虛擬電壓下降運算單元15控制下分別執行虛擬的電壓下降法，以期達到均流目的。而關於輸出電壓的控制是由直流電源模組10A、10B~10n中的一個來執行，至於由何者執行，則視那一個直流電源模組10A、10B~10n的電壓調整單元20A、20B~20n輸出的調整電壓最大，即可取得主控權，並輸出調整電壓給所有直流電源模組10A、10B~10n的虛擬電壓下降運算單元15參與控制信號的運算，以提高對輸出電壓的調整能力。

前述各實施例主要強調透過虛擬電壓下降法使各直流電源模組的輸出電流差值縮小，以達成均流目的，再以其中一個直流電源模組執行定電壓控制，以提高輸出電壓的調整能力。除此以外，由於本發明採用虛擬電壓下降法可模擬各個直流電源模組具有不同的輸出阻抗，當輸出阻抗不同，直流電源模組分配到的輸出電流也不相同，例如一直流電源模組10A的輸出阻抗是另一直流電源模組10B的兩倍，則直流電源模組10A被分配到的輸出電流則是另一直流電源模組10B的二分之一，在此狀況下，其意味著本發明將可支援相同電壓但不同電流(容量)的直流電源模組相互並聯，而解決既有並聯系統的所有直流電源模組必須為相同規格，不同容量的直流電源模組無法再被利用所造成浪費的問題。

以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利 用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10A、10B、10n‧‧‧直流電源模組

11‧‧‧電源轉換器

12‧‧‧脈寬調變控制器

13‧‧‧電壓控制器

14‧‧‧電壓回授單元

15‧‧‧虛擬電壓下降運算單元

151‧‧‧第一運算器

152‧‧‧第二運算器

20A‧‧‧電壓調整單元

21‧‧‧電壓控制器

22‧‧‧運算器

Claims (8)

1. 一種直流電源並聯系統，包括有多個直流電源模組，各個直流電源模組分別具有一電源輸入端及一電源輸出端，且各個直流電源模組分別以其電源輸入端、電源輸出端分別相互連接，以構成一並聯架構；又每一直流電源模組包括：一電源轉換器，連接於電源輸入端和電源輸出端間，該電源轉換器並具有一控制端；一脈寬調變控制器，具有一輸入端和一輸出端，其輸出端和電源轉換器的控制端連接；一電壓控制器，具有二輸入端和一輸出端，電壓控制器的輸出端和脈寬調變控制器的輸入端連接；一電壓回授單元，連接在電源輸出端和電壓控制器的一輸入端間；一虛擬電壓下降運算單元，具有一回授信號輸入端、一參考電壓輸入端、一調整電壓輸入端和一控制信號輸出端，該回授信號輸入端和電源輸出端連接，該控制信號輸出端和電壓控制器的另一輸入端連接；該虛擬電壓下降運算單元是根據電源輸出端的回授電壓和參考電壓輸入端的參考電壓比較後，以產生一個控制信號送到電壓控制器，以透過脈寬調變控制器降低電源轉換器的輸出電壓，而執行虛擬電壓下降法；前述一個以上的直流電源模組進一步包括一電壓調整單元，該電壓調整單元具有一回授電壓輸入端、一參考電壓輸入端和一調整電壓輸出端，該回授電壓輸入端和電源 輸出端連接，該調整電壓輸出端和虛擬電壓下降運算單元的調整電壓輸入端連接；該電壓調整單元將根據回授電壓與一參考電壓運算後產生一調整電壓送到虛擬電壓下降運算單元。
2. 如請求項1所述的直流電源並聯系統，該虛擬電壓下降運算單元具有一第一運算器及一第二運算器，該第一、第二運算器分別具有兩參數端和一輸出端，第一運算器的一參數端和電源輸出端連接，其輸出端構成前述控制信號輸出端，且連接到電壓控制器的另一輸入端，第一運算器的另一參數端和第二運算器的輸出端連接，第二運算器的兩參數端分別構成前述的參考電壓輸入端、調整電壓輸入端。
3. 如請求項2所述的直流電源並聯系統，該電壓調整單元包括一電壓控制器和一運算器，該電壓控制器具有兩輸入端，分別和電源輸出端、參考電壓輸入端連接；該電壓調整單元的運算器具有兩參數端和一輸出端，其輸出端和各直流電源模組的調整電壓輸入端連接，其中一參數端和電壓控制器的輸出端連接，另一參數端和參考電壓輸入端連接。
4. 如請求項3所述的直流電源並聯系統，該電壓轉換器是一交流對直流轉換器。
5. 如請求項3所述的直流電源並聯系統，該電壓轉換器是一直流對直流轉換器。
6. 如請求項1至5中任一項所述的直流電源並聯系統，每一個直流電源模組分別設有一電壓調整單元，各個電壓 調整單元的調整電壓輸出端分別透過一二極體和所有直流電源模組的虛擬電壓下降運算單元的調整電壓輸入端連接。
7. 一種直流電源並聯系統的控制方法，包括：提供多個直流電源模組，並使各直流電源模組以其電源輸入端、電源輸出端相互並聯；使各直流電源模組分別執行一虛擬電壓下降法，所稱虛擬電壓下降法是由各直流電源模組透過改變電源輸出端的回授信號，以模擬提高輸出阻抗而降低電源輸出端的輸出電壓；使一個以上的直流電源模組執行定電壓控制，以調整電源輸出端的輸出電壓。
8. 如請求項7所述直流電源並聯系統的控制方法，各直流電源模組透過虛擬電壓下降法模擬不同的輸出阻抗，使不同容量的直流電源模組得以相互並聯。