直流电源并联系统及其控制方法
【专利摘要】本发明是涉及一种直流电源并联系统及其控制方法，主要是由多个直流电源模块以其输出端并联地和负载连接，每一直流电源模块具有一虚拟电压下降运算单元，其利用调整输出端的反馈信号模拟提高输出阻抗，以虚拟电压下降法使各直流电源模块达到均流并联的目的，又在一个以上直流电源模块内设有一电压调整单元，以根据反馈的输出电压修正对负载的输出电压，藉此提升并联系统的电压调整能力。
【专利说明】直流电源并联系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明是涉及一种直流电源并联系统及其控制方法，尤其涉及一种结合虚拟电压下降法与主从式架构以兼顾均流与电压调整能力的电源并联系统。
【背景技术】
[0002]为确保电源系统供电的稳定性与可靠度，现有电源系统大都将电源供应器模块化，并使采用特定规格系列的电源模块以串联或并联方式相互连接。当多个电源模块并联后仍不能完全确保整个电源系统能稳定可靠的工作，其稳定工作的前提在于均压与均流，就均流方面而言，其主要任务包括:当负载变化时，各个电源模块的输出电压变化相同。且使各个电源模块的输出电流依额定功率平均分摊。
[0003]至于并联的现有技术主要有二类，其一为主动均流法(Active
[0004]Current-Sharing Method),另一为电压下降法(Droop Method),所称的主动均流法包含平均电流法(Average current Method)、直接主从法(Dedicated Master Method)及自动主从法Automatic Master Method)。所谓的电压下降法,如图3所示，多个电源模块MfMN以其输出端并联地和负载连接而构成一并联系统，理论上，每一个电源模块MfMN应该符合相同电压、相同电流、相同输出阻抗的要求，但预设值与实际值总有差异，而前述差异将会影响并联系统的均流，以第一个和第二个的电源模块M1，M2为例，如图4所示，纵轴是表不输出电压Voi,横轴则表不输出电流1,而电源模块Ml, M2分别具有不同的输出电压Vnol、Vno2，在达到稳态供电时，电源模块Ml，M2的输出电流分别为Ιο?、12，在该状态下的输出电流差值为ΛΙο。所谓电压下降法是指若将电源模块Μ1，Μ2的输出电压Vnol、Vno2降低，则根据图4所示，电源模块Ml，M2的输出电流分别为I’ol、I’02，其差值则缩小为Al’ O，藉此有助于均流的实现。
[0005]以往实现上述电压下降法最直接的方法是在各个电源模块MfMn的输出端串接电阻，由于输出阻抗提高，输出电压即相对下降。但此种作法势必会提高电力损耗，影响电力使用效率。
[0006]由上述可知，现有的电压下降法虽然有助于并联电源系统实现均流目的，但电压下降通过提高阻抗所产生，将造成损耗且电压调整能力不佳，故有待进一步检讨，并谋求可行的解决方案。
【发明内容】
[0007]因此本发明主要目的在提供一种直流电源并联系统，是使系统中并联的各个直流电源模块分别以虚拟方式执行电压下降，以解决串接电阻造成的电力损耗问题；并由一个以上的直流电源模块同时执行定电压控制，藉以提升并联系统的电压调整能力。
[0008]为达成上述目的采取的主要技术手段是使上述直流电源并联系统包括有多个直流电源模块，各 个直流电源模块分别具有一电源输入端及一电源输出端，且各个直流电源模块分别以其电源输入端、电源输出端分别相互连接，以构成一并联架构；又每一直流电源模块包括:
[0009]—电源转换器,连接于电源输入端和电源输出端间，该电源转换器并具有一控制端;
[0010]—脉宽调变控制器,具有一输入端和一输出端，其输出端和电源转换器的控制端连接；
[0011]一电压控制器，具有二输入端和一输出端，电压控制器的输出端和脉宽调变控制器的输入端连接；
[0012]一电压反馈单元，连接在电源输出端和电压控制器的一输入端间；
[0013]一虚拟电压下降运算单元，具有一反馈信号输入端、一参考电压输入端、一调整电压输入端和一控制信号输出端，该反馈信号输入端和电源输出端连接，该控制信号输出端和电压控制器的另一输入端连接；该虚拟电压下降运算单元是根据电源输出端的反馈电压和参考电压输入端的参考电压比较后，以产生一个控制信号送到电压控制器，以通过脉宽调变控制器降低电源转换器的输出电压，而执行虚拟电压下降法；
[0014]前述一个以上的直流电源模块进一步包括一电压调整单元，该电压调整单元具有一反馈电压输入端、一参考电压输入端和一调整电压输出端，该反馈电压输入端和电源输出端连接，该调整电压输出端和虚拟电压下降运算单元的调整电压输入端连接；该电压调整单元将根据反馈电压与一参考电压运算后产生一调整电压送到虚拟电压下降运算单元;
[0015]前述并联系统是由并联的各个直流电源模块分别由其虚拟电压下降运算单根据电源输出端的反馈电压和参考电压执行虚拟电压下降法，以缩小输出电流差值，实现均流目的，而执行虚拟电压下降法导致输出电压下降，则可利用直流电源模块内的电压调整单元将输出电压调整至正常状态，藉以兼顾并联系统的均流与电压调整能力。
[0016]本发明的又一目的在提供一种直流电源并联系统的控制方法，其可满足均流要求，并提闻电压调整能力。
[0017]为达成上述目的采取的主要技术手段是使前述控制方法包括以下步骤:
[0018]提供多个直流电源模块，并使各直流电源模块以其电源输入端、电源输出端相互并联；
[0019]使各直流电源模块分别执行一虚拟电压下降法，所称虚拟电压下降法，是由各直流电源模块通过改变电源输出端的反馈信号，以模拟提高输出阻抗而降低电源输出端的输出电压；
[0020]使一个以上的直流电源模块执行定电压控制，以调整电源输出端的输出电压。
[0021]前述方法是利用各直流电源模块改变电源输出端的反馈信号，以降低电源输出端的输出电压，藉此达成均流目的；由于上述均流是通过降低电源输出端的输出电压模拟输出阻抗提高，而不是在电源输出端上串接电阻，因此不会发生在电阻上消耗电力的问题；尽管电压下降法是虚拟提高输出阻抗而来，依然造成输出电压降低，因此使一个以上的直流电源模块对输出电压执行定电压控制，以增进并联系统的电压调整能力。
[0022]以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【专利附图】
【附图说明】[0023]图1是本发明并联系统第一较佳实施例的方框图；
[0024]图2是本发明并联系统第二较佳实施例的方框图；
[0025]图3是已知执行电压下降法的并联系统示意图；
[0026]图4是电压下降法中输出电流与输出阻抗的相对关系曲线图。
【具体实施方式】
[0027]以下配合附图及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
[0028]关于本发明并联系统的第一较佳实施例，请参考图1所示，其包括多个直流电源模块10A、IOB?IOn,每一直流电源模块10A、IOB?IOn分别具有一电源输入端和一电源输出端，各电源输入端相互连接以共同连接输入电源，各个直流电源模块10A、10B?10n的电源输出端也相互连接，以便共同地连接到负载，而构成一并联系统。
[0029]关于各个直流电源模块10AU0B?IOn的具体构造，以下将以其中一个直流电源模块IOA为例说明，其他直流电源模块IOBlOn具有相同构造，容不一一赘述:
[0030]该直流电源模块IOA包括一电源转换器11、一脉宽调变控制器12、一电压控制器13、一电压反馈单元14和一虚拟电压下降运算单元15 ;其中:
[0031]该电源转换器11可以是交流对直流转换器(AC/DC)，也可以是直流对直流转换器(DC/DC)，前者是使用在输入电源是交流电的场所，后者则应用在输入电源为直流电压源的场合。该电源转换器11是连接在其电源输入端和电源输出端间，该电源转换器11并具有一控制端，用来和脉宽调变控制器12连接。
[0032]该脉宽调变控制器12具有一输入端和一输出端，其输出端和前述电源转换器11的控制端连接，而通过调变脉宽(PWM)方式调整电源转换器11的输出电压；该脉宽调变控制器12的输入端是和电压控制器13连接。
[0033]该电压控制器13具有二输入端和一输出端，其输出端是和脉宽调变控制器12的输入端连接，其中一输入端是通过电压反馈单元14和电源输出端连接。
[0034]该虚拟电压下降运算单元15具有一反馈信号输入端、一参考电压输入端Vor、一调整电压输入端Vc和一控制信号输出端，该反馈信号输入端是和电源输出端连接，该控制信号输出端和电压控制器13的另一输入端连接；在本实施例中，虚拟电压下降运算单元15具有一第一运算器151及一第二运算器152，该第一、第二运算器151、152分别具有两参数端和一输出端，第一运算器151的一参数端和电源输出端连接，其输出端构成前述控制信号输出端，且连接到电压控制器13的另一输入端，第一运算器151的另一参数端和第二运算器152的输出端连接，第二运算器152的两参数端分别构成前述的参考电压输入端Vor、调整电压输入端Vc ;利用上述第一、第二运算器151、152的运算结果改变输出到电压控制器13的控制信号，进而通过脉宽调变控制器12使电源转换器11降低输出电压，以虚拟直流电源模块IOA的输出阻抗提高，以执行电压下降法，达成均流目的。
[0035]而为解决以电压下降法实现的并联系统其电压调整能力不佳的问题，本发明进一步由一个以上的直流电源模块IOA对并联系统执行定电压(CV)控制，以提升并联系统的电压调整能力。在本实施例中，是在其中一个直流电源模块IOA设有一电压调整单元20A，由该直流电源模块IOA作为一主模块(Master)对输出电压执行定电压控制，其他直流电源模块IOB?IOn则作为从模块(Slave)，而组成一主从式架构。
[0036]该电压调整单元20A具有一反馈电压输入端、一参考电压输入端Vor和一调整电压输出端，该反馈电压输入端和电源输出端连接，该调整电压输出端和虚拟电压下降运算单元15的调整电压输入端Vc连接；
[0037]在本实施例中，该电压调整单元20A包括一电压控制器21和一运算器22，该电压控制器21具有两输入端，分别和电源输出端、参考电压输入端Vor连接；该运算器22具有两参数端和一输出端，其输出端和各直流电源模块10A、10B?10n的调整电压输入端连接，其中一参数端和电压控制器21的输出端连接，另一参数端和参考电压输入端Vor连接。
[0038]在前述架构下，各直流电源模块10AU0B?IOn虽在其虚拟电压下降运算单元15的运作下降低其输出电压，以执行电压下降法并实现均流目的。然而作为主模块的直流电源模块IOA则对输出电压执行定电压控制，其电压调整单元20A的电压控制器21是参考电源输出端的反馈电压及参考电压输入端Vor的参考电压，并经运算器22运算后产生一调整电压信号，送到各直流电源模块10A、10B?10n的虚拟电压下降运算单元15，以参与对电压控制器13送出控制信号的运算，因而在并联系统的输出电压仍可获得有效控制。
[0039]关于本发明的第二较佳实施例，请参考图2所示，其在各直流电源模块10A、IOBlOn的基本组成上和前一实施例大致相同，不同处在于:本实施例中，每一个直流电源模块10A、IOB?IOn分别设有一电压调整单元20A、20B?20η，各个电压调整单元20A、20B?20η的调整电压输出端分别通过一二极管和所有直流电源模块10Α、10Β?10η的虚拟电压下降运算单元15的调整电压输入端连接。在此状况下，将构成一自动主从控制架构。在前述架构下，每一个直流电源模块10AU0B?IOn各自设有一电压调整单元20Α、20Β?20η，以便对输出电压执行控制，但实际上由那一个直流电源模块10Α、IOBlOn作为主模块进行控制，则为机动的，主要视那一个直流电源模块10Α、10Β?10η输出的调整电压最大，即取得主模块资格，其他直流电源模块IOBlOn则作为从模块。
[0040]与前一实施例相同处在于:各个直流电源模块10AU0B?IOn是在其虚拟电压下降运算单元15控制下分别执行虚拟的电压下降法，以期达到均流目的。而关于输出电压的控制是由直流电源模块10Α、10Β?10η中的一个来执行，至于由何者执行，则视那一个直流电源模块10AU0B?IOn的电压调整单元20Α、20Β?20η输出的调整电压最大，即可取得主控权，并输出调整电压给所有直流电源模块10Α、10Β?10η的虚拟电压下降运算单元15参与控制信号的运算，以提高对输出电压的调整能力。
[0041]前述各实施例主要强调通过虚拟电压下降法使各直流电源模块的输出电流差值缩小，以达成均流目的，再以其中一个直流电源模块执行定电压控制，以提高输出电压的调整能力。除此以外，由于本发明采用虚拟电压下降法可模拟各个直流电源模块具有不同的输出阻抗，当输出阻抗不同，直流电源模块分配到的输出电流也不相同，例如一直流电源模块IOA的输出阻抗是另一直流电源模块IOB的两倍，则直流电源模块IOA被分配到的输出电流则是另一直流电源模块IOB的二分之一，在此状况下，其意味着本发明将可支援相同电压但不同电流(容量)的直流电源模块相互并联，而解决现有并联系统的所有直流电源模块必须为相同规格，不同容量的直流电源模块无法再被利用所造成浪费的问题。
[0042]当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种直流电源并联系统，其特征在于，包括有多个直流电源模块，各个直流电源模块分别具有一电源输入端及一电源输出端，且各个直流电源模块分别以其电源输入端、电源输出端分别相互连接，以构成一并联架构；又每一直流电源模块包括: 一电源转换器，连接于电源输入端和电源输出端间，该电源转换器并具有一控制端； 一脉宽调变控制器，具有一输入端和一输出端，其输出端和电源转换器的控制端连接； 一电压控制器，具有二输入端和一输出端，电压控制器的输出端和脉宽调变控制器的输入端连接； 一电压反馈单元，连接在电源输出端和电压控制器的一输入端间； 一虚拟电压下降运算单兀，具有一反馈信号输入端、一参考电压输入端、一调整电压输入端和一控制信号输出端，该反馈信号输入端和电源输出端连接，该控制信号输出端和电压控制器的另一输入端连接；该虚拟电压下降运算单元是根据电源输出端的反馈电压和参考电压输入端的参考电压比较后，以产生一个控制信号送到电压控制器，以通过脉宽调变控制器降低电源转换器的输出电压，而执行虚拟电压下降法； 前述一个以上的直流电源模块进一步包括一电压调整单元，该电压调整单元具有一反馈电压输入端、一参考电压输入端和一调整电压输出端，该反馈电压输入端和电源输出端连接，该调整电压 输出端和虚拟电压下降运算单元的调整电压输入端连接；该电压调整单元将根据反馈电压与一参考电压运算后产生一调整电压送到虚拟电压下降运算单元。
2.根据权利要求1所述的直流电源并联系统，其特征在于，该虚拟电压下降运算单元具有一第一运算器及一第二运算器，该第一、第二运算器分别具有两参数端和一输出端，第一运算器的一参数端和电源输出端连接，其输出端构成前述控制信号输出端，且连接到电压控制器的另一输入端，第一运算器的另一参数端和第二运算器的输出端连接，第二运算器的两参数端分别构成前述的参考电压输入端、调整电压输入端。
3.根据权利要求2所述的直流电源并联系统，其特征在于，该电压调整单元包括一电压控制器和一运算器，该电压控制器具有两输入端，分别和电源输出端、参考电压输入端连接；该电压调整单元的运算器具有两参数端和一输出端，其输出端和各直流电源模块的调整电压输入端连接，其中一参数端和电压控制器的输出端连接，另一参数端和参考电压输入端连接。
4.根据权利要求3所述的直流电源并联系统，其特征在于，该电压转换器是一交流对直流转换器。
5.根据权利要求3所述的直流电源并联系统，其特征在于，该电压转换器是一直流对直流转换器。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的直流电源并联系统，其特征在于，每一个直流电源模块分别设有一电压调整单元，各个电压调整单元的调整电压输出端分别通过一二极管和所有直流电源模块的虚拟电压下降运算单元的调整电压输入端连接。
7.一种直流电源并联系统的控制方法，其特征在于，包括: 提供多个直流电源模块，并使各直流电源模块以其电源输入端、电源输出端相互并联； 使各直流电源模块分别执行一虚拟电压下降法，所称虚拟电压下降法是由各直流电源模块通过改变电源输出端的反馈信号，以模拟提高输出阻抗而降低电源输出端的输出电压； 使一个以上的直流电源模块执行定电压控制，以调整电源输出端的输出电压。
8.根据权利要求7所述直流电源并联系统的控制方法，其特征在于，各直流电源模块通过虚拟电压下降法模拟不同的输出阻抗，使不同容量的直流电源模块得以相互并联。
【文档编号】H02J1/10GK103972879SQ201310043523
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年2月4日 优先权日:2013年2月4日
【发明者】廖思远 申请人:固纬电子实业股份有限公司