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TW202524803A - 電力系統及處理尖峰負載之控制方法 - Google Patents

電力系統及處理尖峰負載之控制方法 Download PDF

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TW202524803A
TW202524803A TW113131853A TW113131853A TW202524803A TW 202524803 A TW202524803 A TW 202524803A TW 113131853 A TW113131853 A TW 113131853A TW 113131853 A TW113131853 A TW 113131853A TW 202524803 A TW202524803 A TW 202524803A
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rechargeable energy
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詹姆士 Ｐ 諾華克
鍾義元
阿列克謝 提克宏斯基
詹姆士 Ｅ 尼爾森
蓋 雷茲
伊果 帕甫洛夫斯基
羅伯特 Ｌ 麥爾斯
王冠勛
鍾沛橋
蔡登宇
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新加坡商偉創力有限公司
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Abstract

一種電力系統包括一能量儲存系統，該能量儲存系統包含：一可再充電能量儲存元件；及一轉換器，其連接至該可再充電能量儲存元件且經組態以連接至一匯流排，使得該能量儲存系統與一負載及一主電力供應系統並聯連接。該能量儲存系統與該主電力供應系統協作以將電力供應至該負載。該電力系統可包含一控制電路，該控制電路經組態以監測該匯流排之一電壓且基於該匯流排之該電壓來控制該轉換器對該可再充電能量儲存元件充電抑或放電。該控制電路亦可監測該可再充電能量儲存元件之一充電狀態(SOC)及一系統負載狀況之一狀態。

Description

電力系統及處理尖峰負載之控制方法
本發明大體上係關於電力系統及處理例如具有不穩定能量源及/或高動態負載之裝備中之尖峰負載之控制方法。
電動裝置需要不斷增加之能量需求來維持功能。此產生電需求接近最大架構供應限制且外部線路輸入電力供應器無法跟上動態需求之問題。存在包括在高動態負載環境中使用之電系統之兩個主要組件，即能量源或電源及負載。此等組件之各者包含許多不同類型，且平衡來自電源之可用功率之總量與負載所需之總功率以避免導致一保護事件或甚至兩側設備損壞之匯流排電壓偏擺或驟降現象係重要的。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2023年8月25日申請之美國臨時申請案第63/534,728號及2024年3月6日申請之美國臨時申請案第63/562,137號之優先權，該等案之全部揭示內容針對其等教示之所有內容且出於所有目的以引用的方式併入本文中。
平穩地平衡來自源之可用功率之總量與負載所需之總功率現在容易受到諸如(若干)可再生能量源之新技術之不可預測特性或一電腦資料中心中之人工智慧(AI)運算工作負載之高動態負載需求之影響。在AI工作負載所需之高動態負載及其等在單一伺服器機架級之同步性質被一資料中心中之伺服器機架之數目放大之情況下。在此等情況下，整個資料中心功率消耗之功率斜升及斜降速度快於公用設施能夠回應之速度，且存在公用設施級之電壓驟降及頻移以及資料中心本身內之過電流保護裝置跳閘之可能性。
在相關技術裝備中，使用者通常安裝交流電不間斷電力供應器(AC UPS)系統作為能量源或公用設施14與一負載30之間之一緩衝級，如圖1中展示，其中系統10亦包含一整流器18、一能量儲存系統22及反相器26。在能量儲存系統22內部存在能量儲存組件，諸如不同種類之電池。當負載30之動態負載要求大於能量源14之容量時，UPS中之能量儲存組件22將開始放電，且相反地，當負載尖峰消散且負載降低至低於能量源14具有可用容量之位準時，將開始充電。由於能量儲存系統22級聯於公用設施14與負載30之間之電力輸送路徑中，因此AC UPS系統10缺乏靈活性及冗餘性。
本發明之實施例之優點至少包含以下：減輕能量源與負載要求之間之輸入/輸出功率之量之不平衡現象；與一AC UPS相比，經改良之可擴展性及靈活性；一直流電(DC) UPS系統之經改良電流控制能力；極高循環計數；及快速再充電時間(返回就緒)。
圖2繪示根據至少一項實例實施例之一電力系統100。系統100包含：一主電力供應系統104 (本文中亦稱為一「PSS」及「PSU」)，其包含一電源106 (例如，公用設施)及一整流組件108；一電容式能量儲存系統(CESS) 112，其包含一可再充電電容式能量儲存元件116 (本文中亦稱為一「ESS」)及一轉換器120 (例如，一DC/DC轉換器)。PSS 104及CESS 112透過一適當高電流電力匯流排124並聯連接至一負載128。
與傳統AC UPS系統相比，具有類似於所提出之系統100中之112之組成元件之一DC UPS應用提供更大可靠性及效率，且已在資料中心中廣泛採用以在AC公用設施斷電期間管理備援功能。另外，所提出之系統100中之CESS 112提供優於典型DC UPS系統之優點，該等典型DC UPS系統採用電池作為能量儲存系統，諸如鋰電池，該等電池因其等之高能量密度及在備援應用中之有效性而被認可。然而，電池具有一有限循環壽命(通常低於1,000次循環)及不對稱充電/放電效能(在充電與放電電流能力之間具有多至20倍之一偏差)，此使電池不適合於AI工作負載之快速且頻繁之充電/放電需求。此類型之應用可被稱為具有一電力濾波要求。另外，既不存在專用控制演算法，亦不存在針對電力濾波應用特別設計之對稱電力輸送轉換器。如圖2中展示，實例實施例提出使用電容式可再充電能量儲存元件且引入新控制機制以有效地管理所繪示CESS 112之電力濾波。當系統需求以快於公用設施106能夠回應之一速率增加時，系統100可用於將電力輸送至負載128。
能量儲存元件116可包含一電容源，諸如電容器之一串聯及並聯連接(例如，多個電容器群組，其中各群組中之電容器並聯連接且其中各群組串聯連接)。能量儲存元件116內之電容器可包括可再充電之基於鋰離子之電容器及/或電雙層(EDL)超級電容器，其等提供一電容器之高循環壽命(數百萬次循環)、高端子電壓(2.6至3.8 V)、高體積能量密度(26 Wh/l)及非常雙向功率密度(15 kW/l)之優點。EDL電容器及鋰離子電容器特別適用於具有非常高功率、快速動態負載要求及連續循環之系統。術語電容器、超級電容器、超電容器、電雙層電容器(EDLC)、電雙層(EDL)電容器、EDL超級電容器等可互換地用於描述一可再充電電荷儲存元件。對於熟習此項技術者而言，此等電荷儲存元件之間存在與能量輸送效能、操作電壓及能量儲存容量相關之技術差異。如可瞭解，鋰電容器或EDL (電雙層)超級電容器之串聯及並聯組態經組態以滿足應用之儲存能量要求，且亦滿足由當通過電容器之電流處於其最大位準時使用之(若干) DC-DC轉換器之輸入電壓範圍施加之DCIR (DC內部電阻)限制。另外，電容器具有對稱充電及放電特性，意謂一電容器可與放電同樣快地充電。
在一些實例中，能量儲存元件116可另外或替代地包括電池。然而，一基於電容器之電源之優點有三個：數百萬次循環之充電及放電能力、相對高功率輸出能力及以相等速率充電及放電之能力。無論能量儲存元件116之確切組成如何，能量儲存元件116都具有高功率密度、小尺寸及異常高之循環壽命以滿足應用之技術要求。
如本文中更詳細描述，提出一CESS 112以解決能量源之輸入/輸出功率與負載要求之間之不平衡。系統包括一電容式能量儲存元件、(若干)控制電路及用於DC-DC轉換器之電力流控制方法。
本發明之實施例包含使用鋰電容器或EDL超級電容器作為一高功率、高密度能量輸送系統(本文中被稱為一CESS 112)中之能量儲存元件116，以及用於在電力供應器或公用設施線路輸入達到功率輸出或暫態功率限制時無縫轉變之控制演算法及架構。
儘管未明確展示，然應瞭解，系統100可包括用於控制PSS 104及CESS 112之額外硬體及軟體，諸如用於量測系統內之不同點處之電流及電壓(例如，ESS 116之電壓及電流、匯流排124上之電壓及電流、PSS 104之電壓及電流等)之組件。
CESS 112可具有在圖3、圖4及圖5中分別繪示為CESS 112a、112b及112c之架構之一者。如可瞭解，圖3至圖5中展示之能量儲存元件116可包含鋰電容器或EDL超級電容器之一串聯及並聯組態，其經組態以滿足應用之儲存能量要求，且亦滿足由當通過電容器之電流處於其最大位準時使用之(若干) DC-DC轉換器之輸入電壓範圍施加之DCIR限制。如可進一步瞭解，各CESS 112a至112c繪示轉換器120之一不同組態。更詳細地，圖3繪示具有一轉換器120a之一CESS 112a，該轉換器120a包括兩個單向DC/DC轉換器，一個轉換器用於對能量儲存元件116放電，且一個轉換器用於對能量儲存元件116充電。圖4繪示具有一轉換器120b之一CESS 112b，該轉換器120b包括一單一雙向DC/DC轉換器。最後，圖5繪示具有一轉換器120c之一CESS 112c，該轉換器120c包括具有相位1至N之多個交錯雙向DC/DC轉換器。如可瞭解，圖3至圖5進一步繪示用於控制能量儲存元件116及/或轉換器120a至120c之一控制系統118。下文更詳細描述控制系統118及其功能之態樣。然而，一般言之，控制系統118可包括處理及/或驅動能力。
如本文中提及，根據實例實施例之系統及方法解決各種問題，包含但不限於：能量源與負載需求之間之輸入/輸出功率之量之間之不平衡現象；低可擴展性及靈活性；脆弱電流控制能力；能量儲存裝置之低循環計數；及能量儲存裝置之緩慢再充電時間。
下文參考三個部分更詳細論述實例實施例：1)電容式能量儲存元件電架構，其說明一個別電容器及電容器矩陣之電壓範圍以及一些重要特性；2)用於能量儲存元件116之控制系統；及3)用於一雙向DC-DC轉換器之控制方案及所提出之應用之主要目標。
1. ESS 電架構
能量儲存元件116經設計以具有與DC-DC轉換器120輸入匹配之一電壓。例如，轉換器120可為具有48 V之一輸出及30 V至46 V之一輸入範圍之一DC升壓電路。該等範圍可以降低效率為代價覆蓋一更高或更低電壓。能量儲存元件116之個別電容器可經組合，使得串聯電容器之電壓操作範圍之總和與DC轉換器輸入範圍匹配且在其內居於中心。例如，一鋰電容器可被充電至3.8 V。串聯電連接之12個此等鋰電容器之一陣列在各自完全充電至3.8 V時將賦予45.6 V之一最大電壓，此處於各電容器之電壓上限，但仍在DC-DC (升壓)轉換器120之上文實例之30 V至46 V之範圍內。
能量儲存元件116之電容器可並聯組合以增加能量儲存元件116之總能量。電容器可藉由可用於系統之能量之焦耳數來特性化。在串聯連接並聯元件之前藉由並聯個別電容器來增加總能量將增加可用能量。電容器(各具有C element之一電容值)之此一串聯及並聯組態之總能量儲存(以焦耳為單位)在下文方程式1中表示。
方程式1-用於計算全部能量儲存元件之總和(以焦耳為單位)之方程式，其中P係並聯電容器之數目，且S係在最大充電電壓(V max)與一最小放電電壓(V min)之間操作之串聯連接之並聯電容器區塊之數目。
在一些實例中，亦可藉由電容器之複數個串聯及/或並聯連接與電池之複數個串聯及/或並聯連接之一組合來改良系統之總能量(以焦耳為單位)。在此情況下，複數個電容器之電壓保持為高於複數個電池之電壓，使得電容器將在電池之前放電，因此減少系統中之電池之放電頻率及深度。當電容器接近能量空乏時，電池可用於維持系統電壓，此可延長放電時間。在此情況下，電池具有延長循環壽命之最小放電深度。
諸如鋰電容器及EDL超級電容器之電容器具有可追蹤之一可量測DC內部電阻(DCIR)。DCIR可藉由根據DCIR = ΔV/ΔI量測從無負載至滿負載(I2-I1)時之電壓降(V2-V1)來計算，其中I係電流(安培)，且V係電壓(伏特)。在圖6中展示一基於負載之DCIR電壓降之一實例。如繪示，當施加負載時，DCIR將導致跨電容器堆疊之一電壓降。當存在電流時，此偏移有效地將負載下之輸出電壓曲線位移至一較低端子電壓，電流愈高，電壓偏移愈高。當與DC-DC轉換器120之輸入之操作電壓相比時，在考量適當串聯電容器計數時，必須考量此偏移。系統等效DCIR (DCIR eq)藉由按照整個系統中之串聯及並聯連接之數目按比例調整個別能量供應元件之DCIR。此在下文方程式2中表示。
方程式2-用於計算等效系統DCIR之方程式，該等效系統DCIR與針對串聯(S)及並聯(P)能量儲存元件之數目按比例調整之一單一儲存元件之DCIR相關。
2. 能量儲存元件控制架構
諸如本文中描述之電容式能量系統需要在操作期間連續地主動監測及平衡個別電容器電壓。當電池胞元被電容器替換時，在美國專利11,121,415  Monitoring System for Series Connected Battery Cells (以引用的方式併入本文中)中描述之系統對於此任務係理想的，且可構成圖4中之能量儲存系統控制器118之至少部分。在專利中描述之方法具有用於在系統之操作壽命期間之任何時間點原位判定系統中之各電容器之當前電容值之庫侖計數之優點，且因此便於隨時間進行比較以量測電容器老化。該方法亦達成主動循環計數。
3. 雙向電力流控制架構
圖7繪示具有擁有一電容式能量儲存元件116之一CESS 112以及一電流源類型之電力供應系統(PSS) 104之一並聯類型之儲存系統。換言之，PSS 104可經組態為具有電流I PSS之一恆定電流源，而CESS 112經組態為歸因於電阻R CESS而具有一電阻降之電壓V CESS_0A之一電壓源。
所提出之電力流控制架構之目標係：(1)對PSS側處之動態電力流進行濾波；(2)使 V BUS 保持在適當位準；及(3)使CESS保持遠離系統斷點，換言之，避免CESS之一完全充電/放電狀態(0% ＜ CESS充電狀態(SOC) ＜ 100%)。
為了達成目標#1 (對PSS 104處之動態電力流進行濾波)，PSS 104之輸出特性作為電流源來控制，如圖8中展示。 V PSS_MAX 及 V PSS_MIN 表示PSS 104分別在零負載或最大負載下操作時之最大及最小輸出匯流排電壓邊界。 I PSS_MAX 係PSS 104之最大輸出電流限制點。
為了達成目標#2 (使 V BUS 保持在適當位準)，CESS 112需要平衡源/負載要求之功率且維持DC匯流排124電壓。CESS 112之輸出特性作為具有下降功能之一電壓源來控制，如圖9中展示。對於CESS 112之輸出特性，若匯流排124電壓 V BUS (例如，即時匯流排電壓)等於CESS 112之 V CESS_0A (其中 V CESS_0A 係根據系統設計而變化之CESS 112之零安培電壓設定點)時，則既不存在放電行為，亦不存在充電行為。然而，當 V BUS 大於 V CESS_0A 時，CESS 112開始充電，且當 V BUS 小於 V CESS_0A 時，CESS 112開始放電。換言之，若 V BUS - V CESS_0A 為負，則CESS 112透過功率轉換器120將能量釋放至DC匯流排124，且若 V BUS - V CESS_0A 為正，則能量儲存元件116透過功率轉換器120用來自DC匯流排124之能量充電。如可從圖9瞭解，充電及放電電流之量取決於 V BUS 與 V CESS_0A 之間之電壓差之量。例如，來自CESS 112之充電及放電電流之量隨著 V BUS 與 V CESS_0A 之間之差變得更大而變得更大。
圖10繪示達成上文描述之雙向充電/放電行為之一方塊圖。憑藉圖10之控制機制，充電及放電切換轉變係快速且平穩的，如圖11中展示。在模擬結果中， V CESS_0A 為50 V，匯流排電壓在1 ms內從49 V升壓至51 V，且電流流動方向立即從放電改變為充電。如圖10中展示，各種所繪示元件可被包含在一控制電路200中或對應於一控制電路200。在所繪示實例中，控制電路200包括用於基於由控制迴路補償器208輸出之一控制信號V CONT來產生驅動轉換器120之一閘極驅動信號之驅動邏輯204，其中基於一加總電路212之輸出來產生V CONT。補償器208可包括將一輸入信號轉換為一適當控制信號(例如，V CONT)或適於由一下游電路消化之其他信號之電路系統。例如，補償器208可藉由處理V REF與(k V*V BUS+ k I*I CESS)之間之誤差量(或差)來產生V CONT。補償器208可用電路系統(即，硬體)或韌體編碼來實施。如展示，加總電路212接收一參考電壓信號V REF以及來自電路216及220之信號且對其等進行操作。如展示，電路216之輸出係基於如在匯流排124上量測之V BUS，且電路220之輸出係基於如在匯流排124上量測之I CESS。各電路216及220可根據各自權重K將其輸入V BUS或I CESS轉換為一類比信號。下文方程式3展示V BUS、K值與I CESS之間之關係。
為了達成目標#3 (使CESS 112保持遠離系統斷點)，流入/流出電容器之平均電流需要為零。存在可實現此目標之方法/電路系統之兩個實例。
實例#1：可基於CESS 112 (例如，即時SOC)之負載狀況及充電狀態來調整控制由PSS 104供應至匯流排124之電流之量之一PSS 104輸出電流命令( I PSS_REF )，如下文方程式4中展示，其中 I CESS_LPF 及 I PSS_LPF 分別係CESS及PSS輸出電流之平均值(例如，即時值)， SOC 表示能量儲存元件之充電狀態(例如，能量儲存元件116之即時SOC)， SOC TG 係 SOC 之調節目標且 K SOC 係判定充電及放電行為之轉換速率之補償因子( SOC TG 及 K SOC 係可根據設計而變化且基於經驗證據及/或偏好來選擇之設計參數)。此方法可採用CESS與PSS之間之快速且頻繁之資訊傳輸以維持一良好動態電力濾波功能。 方程式4-用於PSS電流命令計算之實例#1之方程式
實例#2：在圖12中展示用於實施實例2之一方塊圖。此處，CESS針對能量儲存元件116實施其自身之 SOC 調節功能。 V CAP 係電容器電壓(例如，能量儲存元件116之即時電壓)，其可直接指示CESS之SOC位準，且 V CAP_REF 係用於SOC調節之能量儲存元件116之目標電壓值。當 V CAP 大於 V CAP_REF 時，CESS 112增加其輸出設定點以指示將能量釋放(即，放電)至匯流排124之一意圖且最終將能量釋放(即，放電)至匯流排124。當 V CAP 小於 V CAP_REF 時，CESS減小其輸出設定點以指示從DC匯流排124吸收能量(即，電荷)之一意圖且最終從DC匯流排124吸收能量(即，電荷)。PSU監測匯流排電壓( V BUS )以判定是否增加或減少電流命令( I PSS_REF )。當 V BUS 大於 V BUS_REF (其可為負載之所陳述操作電壓)時，PSU減少輸出電流命令。當 V BUS 小於 V BUS_REF 時，PSU增加輸出電流命令。
上文描述之實例2之功能性由控制電路300及304實行。如展示，控制電路300包含：驅動邏輯308，其用於驅動PSU級104之整流器；補償器312；及加總電路316，其接收所繪示電流值 I PSS_REF 、 I PSSS 及 ∆I PSS_REF 且對其等進行操作，其中 ∆I PSS_REF 係從一補償器324輸出，該補償器324之輸入係來自判定 V BUS_REF 與 V BUS 之間之一差之加總電路320。同時，控制電路304包含：驅動邏輯328，其用於驅動CESS級112之轉換器120；補償器332；及加總電路336，其接收所繪示電壓值V CESS_0A、∆V CESS_0A且對其等進行操作；及回饋區塊348之輸出，其基於V BUS及I CESS輸出一信號，其中∆V CESS_0A係從補償器344輸出，該補償器344之輸入係來自判定 V CAP 與 V CAP_REF 之間之一差之加總電路340。如可瞭解，所繪示補償器用於相同或類似於參考圖10之補償器208描述之(若干)功能。
圖13A至圖13C係具有及不具有一CESS功率級之一電力系統之波形比較，其中系統實施上文之控制方法實例#1。更詳細地，圖13A係負載升壓期間之系統之間之一比較，圖13B係負載降壓期間之系統之間之一比較，且圖13C係針對一週期性脈衝負載(或連續、重複步階負載)狀況之系統之間之一比較。通道1 (黃色)係匯流排電壓( V BUS )，通道2 (藍色)係電容器電壓( V CAP )，通道3 (紫色)係負載電流( I LOAD )，且通道4係AC電流( I AC )。如可從圖瞭解，對於全部負載型樣，可在負載暫態時刻藉由具有CESS之電力系統大幅減輕 I AC 之轉換速率變化，此減少AC電流諧波。在所繪示實例中，匯流排電壓在適當範圍內保持在約50 V。
圖14繪示在負載升壓及負載降壓狀況期間之一CESS級及PSU級之波形，其中系統實施上文之控制方法實例#2。通道1 (黃色)係負載電流( I LOAD )，通道2 (藍色)係匯流排電壓( V BUS )，通道3 (紫色)係PSU電流( I PSU )，且通道4係AC電流( I AC )。如可從圖14瞭解，可在負載暫態時刻藉由CESS大幅減輕 I AC 之轉換速率變化，此減少AC電流諧波。
鑑於前文，應瞭解，根據實例實施例之系統及方法至少提供以下優點：對稱充電及放電能力；高功率密度；能夠達成極高循環計數；快於其他技術之充電及放電速率；高靈活性；高可擴展性；充電與放電行為之間之快速且平穩之轉變；DC匯流排電壓調節之高穩健性及穩定性；公用設施輸入電流暫態之固有平穩化；及避免CESS斷點之高穩健性電力流管理。
本文中描述之系統之元件包含作為一電流源之一PSS (電力供應系統)、作為具有下降之一電壓源之一CESS (電容式能量儲存系統)、包含串聯及並聯連接之鋰或EDL超級電容器之一CESS或與複數個串聯及並聯連接之電池組合之串聯及並聯連接之電容器之一陣列之一組合。實例實施例進一步提供用於一CESS之一控制演算法，其與PSS之控制機制協調以達成PSS輸出功率變化轉換速率之減小、公用設施輸入線路電流中之電力線諧波之減小及組合電力系統之快速且平穩之雙向電力流。實例實施例亦提供繪示PSS及CESS之輸出特性及其等之相互作用之一雙向電力流控制架構、供CESS之雙向DC-DC轉換器達成瞬時電力流方向改變之一控制演算法、用於藉由計算CESS及PSS兩者之即時輸出電流以及CESS之即時SOC值來調節PSS之電流之一控制機制、供CESS藉由調整其輸出偏移點來調節其電容器之SOC或電壓之一控制演算法、及用於在未在PSS與CESS之間交換資訊之情況下藉由監測系統匯流排電壓來調節PSS之電流之一控制機制。
鑑於上文，應瞭解，實例實施例係關於一種電力系統100，該電力系統100包括一能量儲存系統112，該能量儲存系統112包含：一可再充電能量儲存元件116；及一轉換器120，其連接至可再充電能量儲存元件且經組態以連接至一匯流排124，使得能量儲存系統與一負載128及一主電力供應系統104並聯連接。在一些實例中，能量儲存系統與主電力供應系統協作以將電力供應至負載。能量儲存系統可包括一控制電路(例如，118、200及/或304)，該控制電路經組態以監測匯流排之一電壓(例如， V BUS )且基於匯流排之電壓來控制轉換器對可再充電能量儲存元件充電抑或放電。
在一些實例中，能量儲存系統及主電力供應系統將電力供應至負載，使得可再充電能量儲存元件藉由在匯流排之電壓低於一控制臨限值時充電且在匯流排之電壓高於控制臨限值時放電來管理匯流排之電壓。在一些實例中，能量儲存系統藉由穩定主電力供應系統之一AC源輸入(例如，公用設施106)來與主電力供應系統協作。如可從圖9瞭解，從用於對可再充電能量儲存元件充電之匯流排流動之電流之一量值及藉由從可再充電能量儲存元件放電而流動至匯流排之電流之一量值根據匯流排之電壓而變化。在至少一項實施例中，用於對可再充電能量儲存元件充電之電流之量值及用於對可再充電能量儲存元件放電之電流之量值根據匯流排之電壓與轉換器之一零電流設定點電壓之間之一差而變化。例如，當匯流排之電壓與轉換器之零電流設定點電壓之間之差變得更大時，用於充電之電流之量值及用於放電之電流之量值變得更大。
如可從圖12瞭解，控制可再充電能量儲存元件之一充電狀態(SOC)以避免過充電及過放電。
在一些實例中，系統100進一步包括：主電力供應系統；及一額外控制電路(例如，300)，其經組態以基於主電力供應系統之一即時電流監測、轉換器之一即時電流量測及可再充電能量儲存元件之一SOC來調節主電力供應系統之輸出電流。
如本文中描述，可再充電能量儲存元件可包括複數個電連接之電容器。複數個電容器可包括鋰電容器或電雙層電容器。在至少一個實例中，可再充電能量儲存元件包括與複數個電連接之電池並聯連接之複數個電連接之電容器。
如可從圖9瞭解，在一些實例中，控制電路經組態以當匯流排之電壓大於轉換器之一零電流設定點電壓(例如， V CESS_0A )時控制轉換器對可再充電能量儲存元件充電。在一些實例中，控制電路經組態以當匯流排之電壓小於轉換器之零電流設定點電壓時控制轉換器對可再充電能量儲存系統放電。如圖10中展示，在至少一項實施例中，控制電路包括一加總電路(例如，212)，該加總電路經組態以從一參考值(例如， V REF ) (其可為一參考電壓)減去基於匯流排之電壓之一第一值及基於由轉換器提供之一電流(例如， I CESS_0A )之一第二值。亦如圖10中展示，控制電路可包括閘極驅動邏輯(例如，204)，該閘極驅動邏輯經組態以基於接收加總電路之輸出之一補償器之輸出來驅動轉換器。參考圖12，在一些實例中，控制電路經進一步組態以監測可再充電能量儲存元件之一電壓，當可再充電能量儲存元件之電壓大於一參考值時，控制轉換器之一設定點(例如， V CESS_0A )增加，使得可再充電能量儲存元件被容許將能量釋放至匯流排，且當可再充電能量儲存元件之電壓小於參考值時，控制轉換器之設定點減小，使得可再充電能量儲存系統被容許從匯流排吸收能量。
如上文提及，系統可進一步包括主電力供應系統及一額外控制電路(例如，300)，該控制電路經組態以基於匯流排之電壓、匯流排之一參考電壓(例如， V BUS_REF )及主電力供應系統之一即時電流(例如， I PSS )來調節主電力供應系統之輸出電流(例如， I PSS )。
鑑於描述及圖，至少一項實例實施例係關於一種電力系統100，其包括一匯流排124、連接至匯流排且經組態為一電流源之一主電力供應系統104。電力系統100可包含連接至匯流排且經組態為具有一下降功能之一電壓源之一可再充電能量儲存系統112，其中可再充電能量儲存系統包含一可再充電能量儲存元件116及連接在可再充電能量儲存元件與匯流排之間之一轉換器120。系統可進一步包括一控制電路(例如，118、200及/或304)，該控制電路經組態以監測匯流排之一電壓且基於匯流排之電壓及轉換器之一零電流設定點電壓(例如， V CESS_0A )來控制轉換器對可再充電能量儲存元件充電抑或放電。
鑑於描述及圖，至少一項實例實施例係關於一種電力系統100，其包括：一匯流排124，其經組態以連接至一負載；及一主電力供應系統104；及一可再充電能量儲存系統112，其連接至匯流排且經組態為具有一下降功能之一電壓源。電力系統可包含一控制電路(例如，118、200及/或304)，該控制電路經組態以監測匯流排之一電壓且基於匯流排之電壓及可再充電能量儲存系統之一零電流設定點電壓來控制可再充電能量儲存系統對匯流排充電抑或從匯流排放電。
此處，應瞭解，上文描述之元件之一或多者可被包含在一半導體晶片上作為一系統單晶片(SoC)。各晶片(或晶粒)可包含一半導體基板(諸如矽)，其具有安裝於其上及/或形成於其中之電子組件。此一晶片可包含電子記憶體，而晶片堆疊中之另一晶片可包含用於控制電子記憶體之處理/控制電路系統。電子記憶體可為包含可由處理器執行之指令之一電腦可讀媒體。記憶體可包含任何類型之電腦記憶體裝置，且本質上可為揮發性或非揮發性的。在一些實施例中，記憶體可包含複數個不同記憶體裝置。記憶體之非限制性實例包含隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、快閃記憶體、電子可抹除可程式化ROM (EEPROM)、動態RAM (DRAM)等。記憶體可包含使處理器能夠控制各種功能且儲存資料之指令。記憶體可在處理器本端(例如，與其整合)及/或與處理器分離。處理器可對應於一或許多電腦處理裝置。例如，處理器可被提供為一場可程式化閘陣列(FPGA)、一特定應用積體電路(ASIC)、任何其他類型之積體電路(IC)晶片、IC晶片之一集合、一微控制器、微控制器之一集合或類似物。作為一更特定實例，處理器可被提供為一微處理器、中央處理單元(CPU)或經組態以執行儲存於記憶體中之指令集之複數個微處理器。處理器可在執行儲存於記憶體中之指令時對記憶體執行讀取及/或寫入操作及/或實現各種功能。
應進一步瞭解，本文中描述之元件可包含實現與系統中之其他元件的通信之一或多個通信介面。此等通信介面包含用於在彼此之間交換資料及控制信號之有線及/或無線通信介面。有線通信介面/連接之實例包含乙太網路連接、HDMI連接、遵循PCI/PCIe標準及SATA標準之連接及/或類似物。無線介面/連接之實例包含Wi-Fi連接、LTE連接、藍牙連接、NFC連接及/或類似物。
片語「至少一者」、「一或多者」、「或」及「及/或」係開放式表達，其等在操作中既連結又分離。例如，表達「A、B及C之至少一者」、「A、B或C之至少一者」、「A、B及C之一或多者」、「A、B或C之一或多者」、「A、B及/或C」及「A、B或C」之各者意謂單獨A、單獨B、單獨C、A與B一起、A與C一起、B與C一起或A、B及C一起。
術語「一」或「一個」實體係指該實體之一或多者。因而，術語「一」(或「一個」)、「一或多者」及「至少一者可在本文中互換地使用。亦應注意，術語「包括」、「包含」及「具有」可互換地使用。
本發明之態樣可採用完全硬體之一實施例、完全軟體之一實施例(包含韌體、常駐軟體、微碼等)或組合本文中皆可統稱為一「電路」、「模組」或「系統」之軟體及硬體態樣之一實施例之形式。可利用一或多個電腦可讀媒體之任何組合。電腦可讀媒體可為一電腦可讀信號媒體或一電腦可讀儲存媒體。
一電腦可讀儲存媒體可為例如但不限於一電子、磁性、光學、電磁、紅外線、或半導體系統、設備、或裝置或前述之任何適合組合。電腦可讀儲存媒體之更特定實例(一非窮盡性清單)將包含以下：具有一或多個導線之一電連接、一可攜式電腦磁片、一硬碟、一隨機存取記憶體(RAM)、一唯讀記憶體(ROM)、一可抹除可程式化唯讀記憶體(EPROM或快閃記憶體)、一光纖、一可攜式光碟唯讀記憶體(CD-ROM)、一光學儲存裝置、一磁性儲存裝置、或前述之任何適合組合。在此文件之上下文中，一電腦可讀儲存媒體可為可含有或儲存供一指令執行系統、設備或裝置使用或結合其等使用之一程式之任何有形媒體。
如本文中使用，術語「判定」、「計算」、「運算」及其等之變化可互換地使用，且包含任何類型之方法、程序、數學運算或技術。
如本文中實質上揭示之態樣/實施例之任何一或多者。
如本文中實質上揭示之態樣/實施例之任何一或多者視情況與如本文中實質上揭示之任何一或多個其他態樣/實施例組合。
一或多個構件適於執行如本文中實質上揭示之上文態樣/實施例之任何一或多者。
10:交流電不間斷電力供應器(AC UPS)系統 14:能量源/公用設施 18:整流器 22:能量儲存系統 26:反相器 30:負載 100:電力系統 104:主電力供應系統(PSS) 106:電源/公用設施 108:整流組件 112:電容式能量儲存系統(CESS) 112a至112c:電容式能量儲存系統(CESS) 116:可再充電電容式能量儲存元件(ESS) 118:控制系統 120:轉換器 120a至120c:轉換器 124:匯流排 128:負載 200:控制電路 204:驅動邏輯 208:補償器 212:加總電路 216:電路 220:電路 300:控制電路 304:控制電路 308:驅動邏輯 312:補償器 316:加總電路 320:加總電路 324:補償器 328:驅動邏輯 332:補償器 336:加總電路 340:加總電路 344:補償器 348:回饋區塊
圖1繪示一相關技術電力系統之一方塊圖。
圖2繪示根據至少一項實例實施例之一電力系統之一方塊圖。
圖3繪示根據至少一項實例實施例之包括兩個單向DC/DC轉換器之一電力系統。
圖4繪示根據至少一項實例實施例之包括一雙向DC/DC轉換器之一電力系統。
圖5繪示根據至少一項實例實施例之包括具有相位1至N之多個交錯雙向DC/DC轉換器之一電力系統。
圖6繪示根據至少一項實例實施例之由發生在容納於一串聯/並聯連接之基於電容器之能量儲存元件內之一單一電容器內之負載電流導致之一單電容器直流電內部電阻(DCIR)電壓降之一實例。
圖7繪示根據至少一項實例實施例之具有經組態為具有一電流源類型之主電力供應系統之一電壓源之一電容式能量儲存系統(CESS)之一並聯類型之儲存系統。
圖8繪示根據至少一項實例實施例之作為一電流源來控制之一主電力供應系統之一輸出特性。
圖9繪示根據至少一項實例實施例之作為具有下降功能之一電壓源來控制之一電容式能量儲存系統(CESS)之一雙向輸出特性。
圖10繪示根據至少一項實例實施例之用於具有一CESS以達成雙向充電/放電行為之一功率轉換器之一控制系統之一方塊圖。
圖11繪示根據至少一項實例實施例之使用圖10之控制機制之快速且平穩之充電及放電轉變。
圖12繪示根據至少一項實例實施例之用於使一CESS保持遠離(若干)斷點之一控制系統之一方塊圖。
圖13A至圖13C係根據至少一項實例實施例之具有及不具有一CESS元件之一電力系統之波形比較。
圖14繪示根據至少一項實例實施例之在負載升壓及負載降壓狀況期間之一CESS功率級及主功率級之波形。
100:電力系統
104:主電力供應系統(PSS)
106:電源/公用設施
108:整流組件
112:電容式能量儲存系統(CESS)
116:可再充電電容式能量儲存元件(ESS)
120:轉換器
124:匯流排
128:負載

Claims (20)

  1. 一種電力系統，其包括： 一能量儲存系統，其包含： 一可再充電能量儲存元件；及 一轉換器，其連接至該可再充電能量儲存元件且經組態以連接至一匯流排，使得該能量儲存系統與一負載及一主電力供應系統並聯連接，該能量儲存系統與該主電力供應系統協作以將電力供應至該負載；及 一控制電路，其經組態以： 監測該匯流排之一電壓；及 基於該匯流排之該電壓來控制該轉換器對該可再充電能量儲存元件充電抑或放電。
  2. 如請求項1之電力系統，其中該能量儲存系統及該主電力供應系統將電力供應至該負載，使得該可再充電能量儲存元件藉由在該匯流排之該電壓低於一控制臨限值時充電且在該匯流排之該電壓高於該控制臨限值時放電來管理該匯流排之該電壓。
  3. 如請求項1之電力系統，其中該能量儲存系統藉由穩定該主電力供應系統之一AC源輸入而與該主電力供應系統協作。
  4. 如請求項1之電力系統，其中從用於對該可再充電能量儲存元件充電之該匯流排流動之電流之一量值及藉由從該可再充電能量儲存元件放電而流動至該匯流排之電流之一量值根據該匯流排之該電壓而變化。
  5. 如請求項4之電力系統，其中用於對該可再充電能量儲存元件充電之電流之該量值及用於對該可再充電能量儲存元件放電之電流之該量值根據該匯流排之該電壓與該轉換器之一零電流設定點電壓之間之一差而變化。
  6. 如請求項5之電力系統，其中當該匯流排之該電壓與該轉換器之該零電流設定點電壓之間之該差變得更大時，用於充電之電流之該量值及用於放電之電流之該量值變得更大。
  7. 如請求項1之電力系統，其中控制該可再充電能量儲存元件之一充電狀態(SOC)以避免過充電及過放電。
  8. 如請求項1之電力系統，其進一步包括： 該主電力供應系統；及 一額外控制電路，其經組態以基於該主電力供應系統之一即時電流監測、該轉換器之一即時電流量測及該可再充電能量儲存元件之一SOC來調節該主電力供應系統之輸出電流。
  9. 如請求項1之電力系統，其中該可再充電能量儲存元件包括複數個電連接之電容器。
  10. 如請求項9之電力系統，其中該複數個電容器包括鋰電容器或電雙層電容器。
  11. 如請求項1之電力系統，其中該可再充電能量儲存元件包括與複數個電連接之電池並聯連接之複數個電連接之電容器。
  12. 如請求項1之電力系統，其中該控制電路經組態以當該匯流排之該電壓大於該轉換器之一零電流設定點電壓時控制該轉換器對該可再充電能量儲存元件充電。
  13. 如請求項12之電力系統，其中該控制電路經組態以當該匯流排之該電壓小於該轉換器之該零電流設定點電壓時控制該轉換器對該可再充電能量儲存系統放電。
  14. 如請求項1之電力系統，其中該控制電路包括一加總電路，該加總電路經組態以： 從一參考值減去基於該匯流排之該電壓之一第一值及基於由該轉換器提供之一電流之一第二值。
  15. 如請求項14之電力系統，其中該參考值係一參考電壓。
  16. 如請求項14之電力系統，其中該控制電路包括閘極驅動邏輯，該閘極驅動邏輯經組態以基於一補償器之輸出來驅動該轉換器，該補償器之輸入係基於該加總電路之輸出。
  17. 如請求項14之電力系統，其中該控制電路經進一步組態以： 監測該可再充電能量儲存元件之一電壓； 當該可再充電能量儲存元件之該電壓大於一參考值時，控制該轉換器之一設定點增加，使得該可再充電能量儲存元件被容許將能量釋放至該匯流排；及 當該可再充電能量儲存元件之該電壓小於該參考值時，控制該轉換器之該設定點減小，使得該可再充電能量儲存系統被容許從該匯流排吸收能量。
  18. 如請求項1之電力系統，其進一步包括： 該主電力供應系統；及 一額外控制電路，其經組態以基於該匯流排之該電壓、該匯流排之一參考電壓及該主電力供應系統之一即時電流來調節該主電力供應系統之輸出電流。
  19. 一種電力系統，其包括： 一匯流排； 一主電力供應系統，其連接至該匯流排且經組態為一電流源； 一可再充電能量儲存系統，其連接至該匯流排且經組態為具有一下降功能之一電壓源，該可再充電能量儲存系統包含一可再充電能量儲存元件及連接在該可再充電能量儲存元件與該匯流排之間之一轉換器；及 一控制電路，其經組態以： 監測該匯流排之一電壓；及 基於該匯流排之該電壓及該轉換器之一零電流設定點電壓來控制該轉換器對該可再充電能量儲存元件充電抑或放電。
  20. 一種電力系統，其包括： 一匯流排，其經組態以連接至一負載及一主電力供應系統； 一可再充電能量儲存系統，其連接至該匯流排且經組態為具有一下降功能之一電壓源；及 一控制電路，其經組態以： 監測該匯流排之一電壓；及 基於該匯流排之該電壓及該可再充電能量儲存系統之一零電流設定點電壓來控制該可再充電能量儲存系統對該匯流排充電抑或從該匯流排放電。
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