电力转换系统及其操作方法与流程

本发明有关一种电力转换系统及其操作方法，尤指一种柔性负载比例转移的电力转换系统及其操作方法。

现有技术

由于伺服器或大型数据中心的需求越来越庞大，且需要更高可靠度、更快部署、更高功率密度的能源来维持伺服器或大型数据中心的运作稳定度。因此，电力转换系统(powertrainunit；ptu)的需求越来越被重视。

传统的电力转换系统内部通常具备监控系统，整合电力系统所有设备于一单一机柜内，其包含配电系统、空调、自动切换开关(ats)、不断电系统(ups，不间断电源)、电池、布线、通信监控等。因为搭配不断电系统，所以电力转换系统具备高度可靠的特点。

传统的电力转换系统通过自动切换开关选择性的连接市电或发电机为交流输入，在市电中断时，自动切换开关直接切换至发电机供电，会使得发电机瞬间抽载而产生突波电流，而突波电流的产生容易造成发电机故障而关机。因此，发电机容量设计至少要1.7倍的负载容量，然而却造成大幅增加设备成本。且发电机是市电中断后的重要输入源，需定期保养以确保系统可靠度，由于自动切换开关的设计，一般会选择离线测试，且必须增设发电机测试负载(loadbank)，因此，必须额外地增加发电机测试负载的成本，以及发电机测试负载耦接发电机时，增加配线的时间。

而且，若进行发电机的功能测试，负载一次性转换，突波电流易造成发电机故障而必须立刻转回市电供电，由于自动切换开关的切换速度慢，在切换过程可能造成电池额外地放电，而减少电池备援时间。以及，在用电高峰期间，具有自动切换开关的不断电系统无法将部分负载转移至发电机供电。此外，自动切换开关单点故障的风险高，若自动切换开关故障时，不断电系统将失去输入电源，而导致不断电系统的输出发生中断的状况。

因此，如何设计出一种无需安装自动切换开关的电力转换系统，且具有柔性地将负载比例转移的功能，乃为本申请创作人所要行克服并加以解决的一大课题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种电力转换系统，以克服公知技术的问题。因此，本发明电力转换系统对负载供电，且电力转换系统包括不断电(不间断电源)装置、发电机模块及控制单元。不断电装置包括：转换模块，耦接市电与直流电源，以转换市电与直流电源为总线电压；及直流-交流转换单元，耦接转换模块，且转换该总线电压而对负载供电。发电机模块耦接直流电源。控制单元耦接该转换模块。其中，控制单元根据功率命令控制转换模块，使直流电源提供的第一平均功率缓步地提高或降低；控制单元根据总线电压控制转换模块，使市电提供的第二平均功率对应第一平均功率而缓步地降低或提高。

为了解决上述问题，本发明提供一种电力转换系统的操作方法，以克服公知技术的问题。因此，本发明电力转换系统的操作方法包括：控制转换模块转换市电与直流电源为总线电压。控制直流-交流转换单元转换总线电压对负载供电。控制发电机模块提供电能至直流电源。根据功率命令控制直流电源所提供的第一平均功率缓步地提高或降低。及根据总线电压控制市电所提供的第二平均功率对应第一平均功率而缓步降低或提高。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明之目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图示仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明电力转换系统的电路方块示意图；

图2a为本发明电力转换系统的第一实施例的电力传输示意图；

图2b为本发明电力转换系统的第二实施例的电力传输示意图；

图2c为本发明电力转换系统的第三实施例的电力传输示意图；

图3a为本发明电力转换系统的第一实施例的用电量示意图；

图3b为本发明电力转换系统的第二实施例的用电量示意图；

图4a为本发明转换模块第一实施例的电路方块示意图；

图4b为本发明转换模块第一实施例的控制方块示意图；

图5为本发明转换模块第二实施例的电路方块示意图；及

图6为本发明转换模块第二实施例的控制方块示意图。

【附图标记列表】

100…电力转换系统

10…不断电装置

102、102’…转换模块

102-1…直流-直流转换单元

102-2…交流-直流转换单元

1022…第一切换桥臂

1024…第二切换桥臂

q1～q4…第一开关～第四开关

1026…第一升压单元

l1…第一电感

s1…第一功率开关

d1…第一二极体

c1…第一电容

1028…第二升压单元

l2…第二电感

s2…第二功率开关

d2…第二二极体

c2…第二电容

104…直流-交流转换单元

20…控制单元

30…直流供电模块

302…发电机模块

302-1…发电机

302-2…交流-直流转换器

304…再生能源模块

304-1…再生能源单元

304-2…直流-直流转换器

306…储能模块

200…负载

vac…市电

vdc…直流电源

vo…输出电源

vdc1…第一直流源

vdc2…第二直流源

vbus…总线电压

vbus1…第一总线电压

vbus2…第二总线电压

vp…预定输出电压

vp1…第一预定输出电压

vp2…第二预定输出电压

v1～v3…第一电源～第三电源

a…预定电源

b…冗余电力

i1～i4…第一电流～第四电流

ii…输入电流

ii1…第一输入电流

ii2…第二输入电流

cp…功率命令

pc…功率值

pc1…第一功率值

pc2…第二功率值

cit1…第一总电流命令

cit2…第二总电流命令

ci1～ci4…第一电流命令～第四电流命令

t1…用电高峰期间

t2…用电离峰期间

dc_i_mod…电流模式

ac_v_mod…电压模式

n…节点

gpc、gvc、gic、gic_dc、gic_ac…控制参数

具体实施方式

现有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：

请参阅图1，其为本发明电力转换系统的电路方块示意图。电力转换系统100接收市电vac与直流电源vdc，且将市电vac与直流电源vdc转换为输出电源vo对负载200供电。电力转换系统100包括不断电装置10与控制单元20。不断电装置10接收市电vac与直流电源vdc，且耦接负载200。控制单元20耦接不断电装置10，且控制不断电装置10转换市电vac或直流电源vdc为输出电源vo。不断电装置10包括转换模块102与直流-交流转换单元104。转换模块102耦接市电vac、直流电源vdc及控制单元20，且控制单元20控制转换模块102将市电vac或直流电源vdc转换为总线电压vbus。直流-交流转换单元104耦接转换模块102与负载200，且直流-交流转换单元104将总线电压vbus转换为输出电源vo。特此说明，控制单元20的位置不限定于不断电装置10外部或内部，只要能达到控制的目的即可。当控制单元20欲调整市电vac与直流电源vdc对负载供电的比例(以下简称负载比例)时，控制单元20通过控制转换模块102而缓步调整直流电源vdc所占的负载比例(例如，但不限于由0％缓步调整为50％)。然后，根据缓步调整直流电源vdc所占的负载比例对应地反向缓步调整市电vac所占的负载比例(例如，但不限于由100％反向缓步调整为50％)。具体而言，控制单元20根据功率命令cp控制转换模块102，使转换模块102缓步地提高或降低直流电源vdc所提供的第一平均功率，进而缓步地调整直流电源vdc所占的负载比例。功率命令cp可为外部装置所提供(例如但不限于，远端控制装置等)，或者由控制单元20探测电力转换系统100实际的运作状况而提供(图未示，例如但不限于，探测负载200、市电vac或直流电源vdc等)。

当第一平均功率被缓步地调整时，总线电压vbus对应第一平均功率的缓步变动理论上会对应的变动，但控制单元20根据总线电压vbus而对应地控制转换模块102，使转换模块102缓步地调整vac所对应的第二平均功率(对应第一平均功率的反向缓步调整)，进而使直流电源vdc所占的负载比例被缓步提高或降低时，市电vac所占的负载比例也对应地缓步降低或提高。

进一步而言，由于本发明的电力转换系统100在市电vac与直流电源vdc之间的负载切换时，利用缓步调整的柔性切换技术，因此不断电装置10的前端不需要额外耦接自动切换开关，使得不断电装置10可避免自动切换开关切换时，所产生的突波电流，且利用缓步调整的柔性切换技术可较为容易且精准地进行负载的分配(例如，但不限于精准地分配市电vac为48％，直流电源vdc为52％)。

请参阅图2a～图2c，其为本发明电力转换系统的第一实施例至第三实施例的电力传输示意图、图3a～图3b为本发明电力转换系统的第一实施例至第二实施例的用电量示意图，仍配合参阅图1，且再次参阅图2a～图3b。电力转换系统100还包括直流供电模块30，直流供电模块30耦接转换模块102，且提供直流电源vdc至转换模块102。直流供电模块30可包括发电机模块302、再生能源模块304及储能模块306。发电机模块302包括发电机302-1与交流-直流转换器302-2，交流-直流转换器302-2可为整流电路将发电机302-1所产生的电能转换为第一电源v1，且将第一电源v1提供至转换模块102。再生能源模块304包括再生能源单元304-1与直流-直流转换器304-2，直流-直流转换器304-2将再生能源单元304-1所产生的电能转换为第二电源v2，且将第二电源v2提供至转换模块102。储能模块306例如但不限于可为电池组，用以提供第三电源v3至转换模块102。特此说明，有别于传统电力转换系统的发电机是位于交流输入端，本发明发电机模块302用以提供直流电源vdc，这样的配置搭配本发明控制可解决先前技术所提到的问题。

请参阅图2a与图3a，当需求电源大于等于预定电源a时，控制单元20根据功率命令cp控制市电vac与直流电源vdc共同对负载200供电。例如但不限于，预定电源a可为用电量计算级距的分界点，当需求电源过高而导致市电vac提供的电量大于等于预定电源a时，会使得多出来的用电量必须额外付出相对较高的费用。而在需求电源较低而使市电vac提供的电量小于预定电源a时，会使得较低的用电量付出相对较低的费用。

如图3a、图3b所示，坐标纵轴p代表着功率，横轴t代表着时间。当在用电高峰期间t1(如图3a所示)，负载200的需求电源大于等于预定电源a。此时，控制单元20控制转换模块102转换发电机模块302、再生能源模块304或储能模块306提供的直流电源vdc，缓步提高直流电源vdc所占的负载比例，以及缓步降低市电vac所占的负载比例(例如但不限于，储能模块306与再生能源模块304共同提供直流电源vdc，或者储能模块306单独提供直流电源vdc)。通过市电vac与直流电源vdc在用电高峰期间t1共同对负载200供电的功能，以达到高峰节能的功效。且在发电机302-1的功能测试时，不需要额外增设发电机测试负载(loadbank)，而是直接利用控制单元20控制转换模块102进行负载比例的移转，既可完成发电机302-1的功能测试(意即，在线online测试)，因此可达成无需投资额外的发电机测试负载，而大幅降低系统建构成本的功效。

请参阅图2b与图3a，当需求电源小于预定电源a时，控制单元20控制转换模块102使市电vac对负载200供电，且控制转换模块102使市电vac对储能模块306充电。当在用电离峰期间t2(如图3a所示)，负载200的需求电源小于预定电源a。此时，控制单元20除了控制转换模块102使市电vac对负载200供电外，同时也控制转换模块102使市电vac在小于预定电源a的限制下(以虚线表示)，对储能模块306充电(如图2b所示)。

请参阅图2c与图3b，转换模块102可为双向转换模块，控制单元20可控制转换模块102使直流电源vdc通过双向转换模块转换为市电vac，且将市电vac馈送回电力公司(图未示)。如图3b所示，0％以上的电力为负载200所需求的需求电源，0％以下的电力为再生能源模块304所产生额外的冗余电力b(以虚线表示)。当再生能源模块304对负载200供电，且尚具有冗余电力b时，控制单元20控制转换模块102使冗余电力b通过双向转换模块转换为市电vac，且将由冗余电力b转换的市电vac馈送回电力公司(如图2c所示)。由于再生能源的发电量并不稳定，因此当再生能源的电力供应负载200后，有额外的冗余电力b时(如图3b所示)，除了可将额外的冗余电力b储存于储能模块306之外，还可将额外的冗余电力b通过双向转换模块转换为市电vac，且将市电vac馈送回电力公司(图未示)，以达到再生能源能够无损耗地供电力公司趸购，达到经济效益的功效。

请参阅图4a，其为本发明转换模块第一实施例的电路方块示意图，仍配合参阅图1～图3b，且再次参阅图1、图4a。转换模块102包括直流-直流转换单元102-1与交流-直流转换单元102-2。直流-直流转换单元102-1耦接直流电源vdc与直流-交流转换单元104，且交流-直流转换单元102-2耦接市电vac与直流-交流转换单元104。直流-直流转换单元102-1将直流电源vdc转换为总线电压vbus，且根据负载200的需求与控制单元20的控制而提供第一电流i1至节点n。因此，直流电源vdc所提供的第一平均功率根据输入功率等于输出功率的关系(排除转换效率的损耗)，会对应直流-直流转换单元102-1所输出的第一电流i1。交流-直流转换单元102-2将市电vac转换为总线电压vbus，且根据负载200的需求与控制单元20的控制而提供第二电流i2至节点n。因此，市电vac所提供的第二平均功率根据输入功率等于输出功率的关系(排除转换效率的损耗)，会对应交流-直流转换单元102-2的输入电流ii以及所输出的第二电流i2。当第二电流i2变动时，第二平均功率也会随着第二电流i2的变动而变动。

当控制单元20要调高直流电源vdc的负载比例时(例如，由0％提高至50％)，控制单元20根据功率命令cp缓步地提高直流-直流转换单元102-1提供的第一电流i1，进而使得第一平均功率对应地被缓步提高，可通过控制第一占空比以控制直流-直流转换单元102-1，其原理相当于控制直流-直流转换单元102-1操作于电流模式。当第一电流i1变动时，节点n上的总线电压vbus理论上会因为第一电流i1的提高而随之变动，但控制单元20会控制交流-直流转换单元102-2将节点n上的总线电压vbus维持在预定输出电压vp，进而调整交流-直流转换单元102-2所输出的第二电流i2。因此，当第一电流i1被缓步调高时，控制单元20根据总线电压vbus的变动调整第二占空比，使得交流-直流转换单元102-2输出的第二电流i2缓步地降低，进而使得第二平均功率对应地被缓步降低，且市电vac的负载比例被缓步调低(对应地由100％降低至50％)。值得一提，当控制单元20欲调低直流电源vdc的负载比例与调高的操作恰巧相反，在此不再加以赘述。

请参阅图4b，其为本发明转换模块第一实施例的控制方块示意图，仍配合参阅图1～图4a，且反复参阅图4a、图4b。如图4b所示，直流-直流转换单元102-1的控制为电流模式dc_i_mod。在电流模式dc_i_mod中，控制单元20根据功率命令cp与直流-直流转换单元102-1目前的功率值pc(通过探测得知)相减而得到功率差值。功率差值经过控制参数gpc放大及计算后，得到直流的第一电流命令ci1。第一电流命令ci1与直流-直流转换单元102-1所输出的第一电流i1(通过探测得知)相减而得到第一电流差值，且第一电流差值经过控制参数gic_dc放大后而得到第一控制量。控制单元20根据第一控制量调整直流-直流转换单元102-1的第一占空比，以调整直流-直流转换单元102-1输出的第一电流i1。

仍参阅图4b，交流-直流转换单元102-2的控制为电压模式ac_v_mod。当第一电流i1被调整时，总线电压vbus会随之变动，控制单元20将总线电压vbus与交流-直流转换单元102-2所设定输出的预定输出电压vp相减而得到电压差值。电压差值经过控制参数gvc放大及乘以弦波后(市电vac的波形为弦波)，得到交流的第二电流命令ci2。第二电流命令ci2与交流-直流转换单元102-2的输入电流ii(通过探测得知)相减而得到第二电流差值，且第二电流差值经过控制参数gic_ac放大后而得到第二控制量。控制单元20根据第二控制量调整交流-直流转换单元102-2的第二占空比，以控制交流-直流转换单元102-2的输入电流ii，进而调整输出的第二电流i2。值得一提，于本发明实施例中，交流-直流转换单元102-2具有功率因数校正功能，因此会使得输入电流ii的波形追随市电vac的电压波形，所以让电压差值乘以弦波是为了使所产生出来的第二电流命令ci2变为交流的电流命令波形。特此说明，因为交流电流会不断变动，所以本发明以平均功率的概念论述，例如第二平均功率缓步降低可以理解为交流电流的峰值渐渐降低，但形状还是大致符合弦波以维持功率因数。此外，图4b为本发明转换模块第一实施例的控制方块示意图，直流-直流转换单元102-1的控制电路和交流-直流转换单元102-2的控制电路可以统称为控制单元20。请参阅图5，其为本发明转换模块第二实施例的电路方块示意图，仍配合参阅图1～图4b，且再次参阅图1、图5。本实施例与图4a实施例的差异在于，转换模块102’包括第一切换桥臂1022、第二切换桥臂1024、第一升压单元1026及第二升压单元1028。第一切换桥臂1022包括串联的第一开关q1与第二开关q2，且市电vac耦接于第一开关q1与第二开关q2共同耦接的一端。直流电源vdc包括串联的第一直流源vdc1与第二直流源vdc2，且第一直流源vdc1与第二直流源vdc2共同耦接的一端为中点端。第二切换桥臂1024包括串联的第三开关q3与第四开关q4，且第三开关q3的一端耦接第一直流源vdc1的另一端，第四开关q4的一端耦接第二直流源vdc2的另一端。第一切换桥臂1022并联第二切换桥臂1024，使第一开关q1的另一端耦接第三开关q3的另一端，第二开关q2的另一端耦接第四开关q4的另一端。

第一升压单元1026包括第一电感l1、第一功率开关s1、第一二极体d1及第一电容c1。第一电感l1的一端耦接第三开关q3的另一端，且第一电感l1的另一端耦接第一功率开关s1与第一二极体d1的一端。第一二极体d1的另一端耦接第一电容c1的一端，且第一功率开关s1的另一端、第一电容c1的另一端及市电vac耦接直流电源vdc的中点端。第二升压单元1028包括第二电感l2、第二功率开关s2、第二二极体d2及第二电容c2，且恰与第一升压单元1026相反的耦接第四开关q4的另一端与直流电源vdc的中点端。值得一提，于本发明的一实施例中，第一开关q1至第四开关q4为硅控二极体，但不以此为限。换言之，只要可供切换的开关元件均应包含在本实施例的范畴当中。

具体而言，转换模块102’的特点在于，转换模块102’为一半操作市电vac，且另一半操作直流电源vdc的转换电路。在第一升压单元1026转换交流源的其中一半波时，第二升压单元1028同时转换直流源。当市电vac于正半周时，控制单元20控制第一切换桥臂1022切换导通第一开关q1，使市电vac的正半周通过第一开关q1提供至第一升压单元1026。控制单元20控制第一功率开关s1的切换，使第一电感l1储能或释能而产生第二电流i2，且第二电流i2对第一电容c1充电而在第一电容c1上建立第一总线电压vbus1。此市电vac半周期间，控制单元20控制第二切换桥臂1024切换导通第四开关q4，使直流电源vdc通过第四开关q4提供至第二升压单元1028。控制单元20控制第二功率开关s2的切换，使第二电感l2储能或释能而产生第四电流i4，且第四电流i4对第二电容c2充电而在第二电容c2上建立第二总线电压vbus2。第一总线电压vbus1与第二总线电压vbus2的总和即为总线电压vbus。当市电vac于负半周时，利用第一电流i1建立第一总线电压vbus1与利用第三电流i3建立第二总线电压vbus2的方式，恰与正半周相反，在此不再加以赘述。

进一步而言，由于第一升压单元1026在一个半周时，根据市电vac产生第二电流i2，在另一个半周时，根据直流电源vdc产生第一电流i1。因此，当第一电流i1变动时，第一平均功率也会随着第一电流i1的变动而变动，第一总线电压vbus1会随着第一电流i1的变动而变动。当第一总线电压vbus1变动时，控制单元20会在下一个半周调整第二电流i2，使第二平均功率也会随着第二电流i2的变动而变动。第二升压单元1028的操作亦是如此，在此不再加以赘述。

当控制单元20欲调高直流电源vdc的负载比例时(例如由0％提高至50％)，控制单元20根据功率命令cp于负半周使得第一升压单元1026提供的第一电流i1提高，进而使得第一平均功率对应地提高，第一总线电压vbus1会因为第一电流i1的变动而随之变动。当第一总线电压vbus1变动时，控制单元20会控制第一升压单元1026将第一总线电压vbus1维持在预定输出电压，进而调整第一升压单元1026于正半周时(意即为市电vac输入时)所输出的第二电流i2。因此，当第一电流i1被缓步调高时，控制单元20根据第一总线电压vbus1的变动调整第二占空比，使得第二电流i2被缓步地降低，进而使得第二平均功率对应地被缓步降低，且市电vac的负载比例被缓步调低(对应地由100％降低至50％)。值得一提，第二升压单元1028的操作亦是如此，且当控制单元20欲调低直流电源vdc的负载比例与调高的操作恰巧相反，在此不再加以赘述。

请参阅图6，其为本发明转换模块第二实施例的控制方块示意图，仍配合参阅图1～图5，且再次参阅图5、图6。转换模块102’的控制方块事实上是第一升压单元1026为独立一组的控制方块，且第二升压单元1028为独立另一组的控制方块，其方式相同，但是讯号是不一样的。而为求方便叙述，本实施例将两组控制方块合在一起叙述。如图6所示，控制单元20根据功率命令cp与第一升压单元1026于负半周时的第一功率值pc1(通过探测得知目前的功率值，于第二升压单元1028为第二功率值pc2)相减而得到第一功率差值。第一功率差值经过控制参数gpc放大及乘以方波后，得到直流的第一电流命令ci1。控制单元20将第一总线电压vbus1与第一升压单元1026所设定输出的第一预定输出电压vp1(于第二升压单元1028为第二预定输出电压vp2)相减而得到第一电压差值。第一电压差值经过控制参数gvc放大及乘以弦波后(如图所示)，得到交流的第二电流命令ci2。

如图6的波形所示，控制单元20合成第一电流命令ci1与第二电流命令ci2为第一总电流命令cit1(于第二升压单元1028为控制单元20合成第三电流命令ci3与第四电流命令ci4为第二总电流命令cit2)。第二电流命令ci2为市电vac在正半周时，对应市电vac的交流上弦波电流命令(实线表示)，第一电流命令ci1在市电负半周时，对应直流电源vdc的直流方波电流命令(实线表示)，由此控制示意图可知，两者电流命令合成即为上弦波与方波交替相间隔的第一总电流命令cit1，亦即第一升压单元1026的输入电流将会追随第一总电流命令以实现我方发明。第一总电流命令cit1与第一升压单元1026的第一输入电流ii1(通过探测得知)相减而得到第一总电流差值，且第一总电流差值经过控制参数gic放大后而得到第一控制量。控制单元20根据第一控制量调整第一升压单元1026于市电vac在负半周时的第一占空比，以调整直流电源vdc所提供的第一电流i1，以及调整第一升压单元1026于市电vac在正半周时的第二占空比，以调整市电vac所提供的第二电流i2。

值得一提的是，第二升压单元1028的控制方块操作亦是如此，图6的弦波与方波命令以虚线表示，在此不再加以赘述。此外，于本发明的实施例中，第一升压单元1026与第二升压单元1028具有功率因数校正功能，因此会使得第一输入电流ii1与第二输入电流ii2的波形追随市电vac的电压波形，所以让第一电压差值乘以弦波是为了使所产生出来的第二电流命令ci2变为交流的电流命令波形。

然而，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图示，但本发明的特征并不局限于此，其并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以随附的权利要求书为准，凡适合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，均应包括于本发明的范畴中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰均可涵盖于随附的权利要求书的范围。