CN108306409A - 一种电源模块、供电方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种电源模块、供电方法及系统,用以减少供电时功率变换次数、提高交流负载供电效率以及功率转换器件的利用率。所述电源模块,包括:交流输入端口、交流输出端口、交直流双向变换器、直流输出端口以及电池组件;其中,所述交流输入端口,用于接收交流输入;所述交流输出端口,用于向连接的交流负载供电;所述交直流双向变换器,用于在所述交流输入端口交流输入正常时,将输入的交流转换为直流输出,以及在所述交流输入端口交流输入故障时,将所述电池组件中的直流转换为交流输出;所述直流输出端口,用于向连接的直流负载供电;所述电池组件,用于在交流正常输入时充电,以及在交流输入故障时放电。
Description
技术领域
本发明涉及通信电源技术领域,尤其是涉及一种电源模块、供电方法及系统。
背景技术
在通信机房或数据中心的供电系统中,往往需要同时对直流负载(48V直流负载)和交流负载(220V交流负载)供电,而且对直流负载和交流负载供电都有不中断的可靠性要求。
现有技术中主要有以下三种供电方案,下面结合图1~图3对现有技术中的三种供电方案进行详细说明,其中,直流高压(Direct Current High Voltage,DCHV)通常是指整流模块内部的功率因素校正(Power Factor Correction,PFC)母线,电压等级为400VDC;直流低压(Direct Current Low Voltage,DCLV)通常是指整流模块输出的48V电压或者12V电压;交流负载端(Alternating Current Load,ACL)用ACL表示;DCHV2通常是指逆变器的中间母线,电压等级为400VDC。
供电方案一、如图1所示,供电系统交流输入整流模块101,整流模块101单向将交流变换为直流输出至直流母排102,同时对直流负载103供电和电池104充电;逆变器模块105从直流母排102处取电单向将直流变换为交流输出至交流负载106,对交流负载106供电,其中,整流模块101采用AC-DCHV-DCLV功率变换,逆变器模块105采用DCLV-DCHV2-AC1功率变换。
此供电方案中,交流输入正常时,通过整流模块101(AC-DCHV-DCLV)两级功率变换对直流负载103供电,通过整流模块101(AC-DCHV-DCLV)和逆变器模块105(DCLV-DCHV2-ACl)四级功率变换对交流负载106供电,交流负载106供电效率低;交流输入故障时,通过电池104对直流负载103供电,通过逆变器模块105(DCLV-DCHV2-ACl)两级功率变换对交流负载106供电,且整流模块101(AC-DCHV-DCLV)模块处于闲置状态。此方案中,整流模块101(AC-DCHV-DCLV)和逆变器模块105(DCLV-DCHV2-ACl)都是单向功率变换,功率器件利用率低,相对成本高,功率密度也较低,而且有两种功率模块,可维护性较差。
供电方案二、如图2所示,供电系统交流输入整流模块201,整流模块201单向将交流变换为直流输出至直流母排202,同时对直流负载203供电和电池204充电;采用带交流旁路功能的逆变器模块205从交流或直流母排202取电至交流负载206,对交流负载206供电,其中,整流模块101采用AC-DCHV-DCLV功率变换,逆变器模块105采用DCLV-DCHV2-AC1功率变换。
此供电方案中,交流输入正常时,通过整流模块201(AC-DCHV-DCLV)两级功率变换对直流负载203供电,通过交流旁路对交流负载206供电,逆变器模块205(DCLV-DCHV2-ACl)对交流负载206的供电提供备份,交流负载206供电效率高;交流输入故障时,通过电池204对直流负载203供电,通过逆变器模块205(DCLV-DCHV2-ACl)两级功率变换对交流负载206供电,且整流模块201(AC-DCHV-DCLV)模块处于闲置状态。此方案中,整流模块101(AC-DCHV-DCLV)和逆变器模块105(DCLV-DCHV2-ACl)都是单向功率变换,功率器件利用率低,相对成本高,功率密度也较低,而且有两种功率模块,可维护性较差。
供电方案三、供电系统交流输入,采用AC输入、DC输出和AC输出三端口模块,模块内部结构,如图3所示,交流AC输入经AC-DCHV变换301到PFC母线,通过变压器302进行一级隔离,在变压器302副边侧通过双向DCHV-DCLV变换303输出至直流母排304,对直流负载305供电和电池306充电,同时通过DCHV-AC1变换307对交流负载308供电;交流输入故障时,由电池306对直流负载305供电,从直流母排304取电经DCLV-DCHV变换303和DCHV-ACl变换307对交流负载308供电。
此供电方案中,交流输入正常时,通过AC-DCHV-DCLV两级功率变换对直流负载305供电,通过AC-DCHV-ACl两级功率变换对交流负载308供电,供电效率略高于供电方案一,但低于供电方案二;交流输入故障时,通过电池306直接对直流负载305供电,通过DCLV-DCHV-ACl两级功率变换对交流负载308供电。此方案中,虽然DCHV-DCLV变换303属于双向功率变换,但是AC-DCHV变换301和DCHV-ACl变换307仍然属于单向功率变换,功率器件利用率稍高于供电方案一和供电方案二,相对供电方案一和供电方案二成本稍低,功率密度也略高,只有一种功率模块,可维护性较好,但是交流输入正常时,交流供电的效率需要经过两级功率变换,效率较低。
现有技术中三种供电方案在对直流负载和交流负载供电时,除了供电方案二中在交流输入正常时,对交流负载供电不需要经过功率变换,以及三种方案在交流输入故障时,对直流负载供电不需要经过功率变换,其它供电过程均需要经过不同级数的功率变换,具体来说,如下表1所示。
表1
各供电方案中的总的功率级数以及功率器件利用率,如下表2所示,其中,总功率级数为供电方案中总的功率变换级数。
表2
从上述表1和表2可以看出,现有技术中三种供电方案在同时对直流负载和交流负载供电时,需要经过的功率变换次数较多,供电效率较低,而且功率转换器件的利用率较低,面对通信基站建设对供电效率和电源设备的功率密度要求越来越高,现有技术中的三种供电方案均不能很好的满足要求。
综上所述,现有供电方案,在同时对直流负载和交流负载供电时,经过的功率变换次数较多,交流负载供电效率较低,而且功率转换器件的利用率较低。
发明内容
本发明实施例提供一种电源模块、供电方法及系统,用以解决现有供电方案在同时对直流负载和交流负载供电时,功率变换次数较多、供电效率较低以及功率转换器件的利用率较低的问题,减少供电时功率变换次数、提高交流负载供电效率以及功率转换器件的利用率。
本发明实施例技术方案如下:
一种电源模块,包括:交流输入端口、交流输出端口、交直流双向变换器、直流输出端口以及电池组件;其中,所述交流输入端口,连接交流电源,用于接收交流输入;所述交流输出端口,与所述交流输入端口电连接,用于向连接的交流负载供电;所述交直流双向变换器,交流侧与所述交流输入端口和所述交流输出端口电连接,直流侧与所述直流输出端口以及所述电池组件电连接,用于在所述交流输入端口交流输入正常时,将输入的交流转换为直流输出,以及在所述交流输入端口交流输入故障时,将所述电池组件中的直流转换为交流输出;所述直流输出端口,与所述交直流双向变换器以及所述电池组件电连接,用于向连接的直流负载供电;所述电池组件,用于在交流正常输入时充电,以及在交流输入故障时放电。
另一种电源模块,包括:第一端口、第二端口、第三端口、交直流双向变换器以及电池组件;其中,所述第一端口,连接交流电源,用于接收交流输入;所述第二端口,连接交流电源,用于在所述第一端口交流输入故障的条件下,接收交流输入,或者与所述第一端口电连接,且连接交流负载,用于向所述交流负载供电;所述交直流双向变换器,交流侧与所述第一端口和所述第二端口电连接,直流侧与所述直流输出端口和所述电池组件电连接,用于将输入的交流转换为直流输出,以及在所述第二端口连接交流负载,所述第一端口交流输入故障时,将所述电池组件中的直流转换为交流输出;所述直流输出端口,与所述交直流双向变换器电连接,用于向连接的直流负载供电;所述电池组件,用于在交流正常输入时充电,以及在交流输入故障时放电。
一种供电方法,包括:检测交流输入是否正常;在交流输入正常的条件下,将交流转换为直流输出至直流负载以及电池组件,以及通过交流旁路将交流输出至交流负载;以及在交流输入故障的条件下,将所述电池组件中的直流输出至直流负载,以及将所述电池组件中的直流转换为交流输出至交流负载;其中,所述将交流转换为直流和所述将电池组件中的直流转换为交流均是在同一交直流双向变换器中进行的。
一种供电系统,包括:本发明上述实施例提供的电源模块之一。
根据本发明实施例的技术方案,在同时对直流负载和交流负载供电时,若交流输入正常,交流输出与交流输入相连接,不需要经过功率变换即可对交流负载供电,同时通过交直流双向变换器将交流转换为直流对直流负载供电,并对电池组件充电;若交流输入故障,电池组件放电,直接对直流负载供电,同时通过交直流双向变换器将直流转换为交流对交流负载供电,也即通过交直流双向变换器对输入的交流进行转换,在交流输入正常时对直流负载和交流负载供电,同时通过交直流双向变换器对电池组件输出的直流进行转换,在交流输入故障时对直流负载和交流负载供电,保证了供电的可靠性,同时,在交流输入正常对直流负载供电需要经过两级功率变换,在交流输入故障时对交流负载供电需要经过两级功率变换,无闲置功率器件,与现有供电方案在同时对直流负载和交流负载供电时,功率变换次数较多、交流负载供电效率较低以及功率转换器件的利用率较低相比,减少供电时功率变换次数、提高交流负载供电效率以及功率转换器件的利用率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为现有技术中一种通信基站供电方案的原理示意图;
图2为现有技术中另一种通信基站供电方案的原理示意图;
图3为现有技术中又一种通信基站供电方案的原理示意图;
图4为本发明实施例提供的一种电源模块的结构示意图;
图5为本发明实施例提供的另一种电源模块的结构示意图;
图6为本发明实施例提供的一种供电方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本申请的实施例进行说明,应当理解,此处所描述的实施例仅用于说明和解释本申请,并不用于限定本申请。
针对现有供电方案在同时对直流负载和交流负载供电时,功率变换次数较多、供电效率较低以及功率转换器件的利用率较低的问题,本发明实施例提供了一种电源模块、供电方法及系统,在该电源模块中,通过交直流双向变换器对输入的交流进行转换,在交流输入正常时对直流负载和交流负载供电,同时通过交直流双向变换器对电池组件输出的直流进行转换,在交流输入故障时对直流负载和交流负载供电,保证了供电的可靠性,同时,在交流输入正常对直流负载供电需要经过两级功率变换,在交流输入故障时对交流负载供电需要经过两级功率变换,无闲置功率器件,与现有供电方案在同时对直流负载和交流负载供电时,功率变换次数较多、交流负载供电效率较低以及功率转换器件的利用率较低相比,减少供电时功率变换次数、提高交流负载供电效率以及功率转换器件的利用率。
值得说明的是,本发明实施例提供的电源模块、供电方法及系统,不仅适用于单相交流电,同样也适用于三相交流电。
下面对本申请实施例进行详细说明。
(一)、本发明实施例首先提供了一种电源模块
本发明实施例提供的电源模块,如图4所示,包括:
交流输入端口401、交流输出端口402、交直流双向变换器403、直流输出端口404以及电池组件405;其中,
交流输入端口401,连接交流电源,用于接收交流输入;
交流输出端口402,与交流输入端口电连接,用于向连接的交流负载供电;
交直流双向变换器403,交流侧与交流输入端口401和交流输出端口402电连接,直流侧与直流输出端口404以及电池组件405电连接,用于在交流输入端口401交流输入正常时,将输入的交流转换为直流输出,以及在交流输入端口401交流输入故障时,将电池组件405中的直流转换为交流输出;
直流输出端口404,与交直流双向变换器403以及电池组件405电连接,用于向连接的直流负载供电;
电池组件405,用于在交流正常输入时充电,以及在交流输入故障时放电。
较为优选地,本发明实施例提供的电源模块还包括:第一滤波器406和第二滤波器407;
第一滤波器406,连接在交流输入端口401与交直流双向变换器403之间,用于对交流输入端口401接收的交流输入进行滤波;
第二滤波器407,与交流输出端口402电连接,用于对输出的交流进行滤波。
较为优选地,本发明实施例提供的电源模块中,交直流双向变换器403包括:交流与直流高压双向变换器以及直流高压与直流低压双向变换器。
本发明实施例提供的电源模块中,在交流输入端口401交流输入正常时,通过交流旁路对交流输出端口402连接的交流负载供电,通过交直流双向变换器403经过两级功率变换,将交流输入端口401输入的交流转换为直流,对直流输出端口404连接的直流负载供电,同时对电池组件405充电。而在交流输入端口401交流输入故障时,电池组件405放电,直接对直流输出端口404连接的直流负载供电,通过交直流双向变换器403经过两级功率变换,将电池组件405输出的直流转换为交流,对交流输出端口402连接的交流负载供电,保证供电可靠性,而且提高了交流负载供电效率以及功率器件利用率,具体来说,本发明实施例提供的电源模块,与现有技术中的三种供电方案进行对比,如表3所示,交流输入正常时,交流负载供电效率较高,交流输入故障时,交流负载供电效率与现有技术中三种供电方案相当。
表3
但是,本发明实施例提供的电源模块在供电时,功率器件的利用率却远高于现有技术中的供电方案,具体来说,本发明实施例提供的电源模块中,通过交直流双向变换器对输入的交流进行转换,在交流输入正常时对直流负载和交流负载供电,同时通过交直流双向变换器对电池组件输出的直流进行转换,在交流输入故障时对直流负载和交流负载供电,也即交直流双向变换器,在交流输入正常时,将交流转换为直流,在交流输入故障时,将直流转换为交流,功率器件利用率较高,而且整个电源模块的总功率级数为两级,具体来说,如表4所示。
表4
从表3和表4中可以看出,本发明实施例提供的电源模块,在同时对直流负载和交流负载供电时,若交流输入正常,交流输出与交流输入相连接,不需要经过功率变换即可对交流负载供电,同时通过交直流双向变换器将交流转换为直流对直流负载供电,并对电池组件充电;若交流输入故障,电池组件放电,直接对直流负载供电,同时通过交直流双向变换器将直流转换为交流对交流负载供电,也即通过交直流双向变换器对输入的交流进行转换,在交流输入正常时对直流负载和交流负载供电,同时通过交直流双向变换器对电池组件输出的直流进行转换,在交流输入故障时对直流负载和交流负载供电,保证了供电的可靠性,同时,在交流输入正常对直流负载供电需要经过两级功率变换,在交流输入故障时对交流负载供电需要经过两级功率变换,无闲置功率器件,与现有供电方案在同时对直流负载和交流负载供电时,功率变换次数较多、交流负载供电效率较低以及功率转换器件的利用率较低相比,减少供电时功率变换次数、提高交流负载供电效率以及功率转换器件的利用率。
(二)基于相同的发明构思,本发明实施例还提供了另一种电源模块
图5示出了本发明实施例提供的另一种电源模块,如图5所示,包括:
第一端口501、第二端口502、第三端口503、交直流双向变换器504以及电池组件505;其中,
第一端口501,连接交流电源,用于接收交流输入;
第二端口502,连接交流电源,用于在第一端口501交流输入故障的条件下,接收交流输入,或者与第一端口501电连接,且连接交流负载,用于向交流负载供电;
交直流双向变换器504,交流侧与第一端口501和第二端口502电连接,直流侧与第三端口503和电池组件505电连接,用于将输入的交流转换为直流输出,以及在第二端口502连接交流负载,第一端口501交流输入故障时,将电池组件505中的直流转换为交流输出;
第三端口503,与交直流双向变换器504电连接,用于向连接的直流负载供电;
电池组件505,用于在交流正常输入时充电,以及在交流输入故障时放电。
较为优选地,本发明实施例提供的电源模块,还包括:第一滤波器506和第二滤波器507;
第一滤波器506,连接在第一端口501与交直流双向变换器504之间,用于对第一端口501接收的交流输入进行滤波;
第二滤波器507,连接在第二端口502与交直流双向变换器504之间,用于在第二端口502连接交流电源时,对第二端口502接收的交流输入进行滤波;以及在第二端口502连接交流负载时,对输出的交流进行滤波。
较为优选地,本发明实施例提供的电源模块中,交直流双向变换器504包括:交流与直流高压双向变换器以及直流高压与直流低压双向变换器。
本发明实施例提供的电源模块中,第二端口502可以输出交流对交流负载供电,也可以连接交流电源用作交流输入,但是本领域技术人员应当理解的是,第二端口502不能支持同时交流输入和输出。
作为较为具体的实施例,在第二端口502连接交流负载时,也即第二端口用作交流输出端口,输出交流对交流负载供电时,此种情况下,与本发明实施例提供的第一种电源模块的工作方式相似,具体来说,在第一端口501交流输入正常时,通过交流旁路对第二端口502连接的交流负载供电,通过交直流双向变换器504经过两级功率变换,将第一端口501输入的交流转换为直流,对第三端口503连接的直流负载供电,同时对电池组件505充电。而在第一端口501交流输入故障时,电池组件505放电,直接对第三端口503连接的直流负载供电,通过交直流双向变换器504经过两级功率变换,将电池组件505输出的直流转换为交流,对第二端口502连接的交流负载供电,保证供电可靠性。
作为另一较为具体的实施例,在第二端口502连接交流电源时,本实施例提供的电源模块通过双交流输入为直流负载供电,其中,第一端口和第二端口均连接交流电源,均可作为交流输入,具体实施时,可以由其中一个作为交流输入,另一个作为交流输入备份,提高直流负载供电的可靠性。例如:由第一端口501接收交流输入,第二端口502作为第一端口501的备份,在第一端口交流输入故障时,由第二端口502接收交流输入。
需要说明的是,在第二端口502连接交流电源时,本实施例提供的电源模块中可以不连接电池组件505,以节省电池费用。
(三)基于相同的发明构思,本发明实施例还提供了一种供电方法
图6示出了本发明实施例提供的一种供电方法,如图6所示,包括:
步骤601,检测交流输入是否正常;
具体实施时,检测交流输入是否正常,也即检测是否存在交流输入,具体检测方法可以采用现有技术中的方法,此处不再赘述。
步骤602,在交流输入正常的条件下,将交流转换为直流输出至直流负载以及电池组件,以及通过交流旁路将交流输出至交流负载;以及在交流输入故障的条件下,将电池组件中的直流输出至直流负载,以及将电池组件中的直流转换为交流输出至交流负载;其中,将交流转换为直流和将电池组件中的直流转换为交流均是在同一交直流双向变换器中进行的。
较为优选地,该方法还包括:对输入的交流以及输出至交流负载的交流进行滤波。
较为优选地,交直流双向变换器包括:交流与直流高压双向变换器以及直流高压与直流低压双向变换器。
(四)基于相同的发明构思,本发明实施例还提供了一种供电系统
本发明实施例提供的供电系统包括本发明实施例提供的电源模块之一,用于对直流负载和/或交流负载供电。
综上所述,根据本发明实施例的技术方案,通过交直流双向变换器对输入的交流进行转换,在交流输入正常时对直流负载和交流负载供电,同时通过交直流双向变换器对电池组件输出的直流进行转换,在交流输入故障时对直流负载和交流负载供电,保证了供电的可靠性,同时,在交流输入正常对直流负载供电需要经过两级功率变换,在交流输入故障时对交流负载供电需要经过两级功率变换,无闲置功率器件,减少供电时功率变换次数、提高交流负载供电效率以及功率转换器件的利用率。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种电源模块,其特征在于,包括:
交流输入端口(401)、交流输出端口(402)、交直流双向变换器(403)、直流输出端口(404)以及电池组件(405);其中,
所述交流输入端口(401),连接交流电源,用于接收交流输入;
所述交流输出端口(402),与所述交流输入端口(401)电连接,用于向连接的交流负载供电;
所述交直流双向变换器(403),交流侧与所述交流输入端口(401)和所述交流输出端口(402)电连接,直流侧与所述直流输出端口(404)以及所述电池组件(405)电连接,用于在所述交流输入端口(401)交流输入正常时,将输入的交流转换为直流输出,以及在所述交流输入端口(401)交流输入故障时,将所述电池组件(405)中的直流转换为交流输出;
所述直流输出端口(404),与所述交直流双向变换器(403)以及所述电池组件(405)电连接,用于向连接的直流负载供电;
所述电池组件(405),用于在交流正常输入时充电,以及在交流输入故障时放电。
2.根据权利要求1所述的电源模块,其特征在于,还包括:第一滤波器(406)和第二滤波器(407);
所述第一滤波器(406),连接在所述交流输入端口(401)与所述交直流双向变换器(403)之间,用于对所述交流输入端口(401)接收的交流输入进行滤波;
所述第二滤波器(407),与所述交流输出端口(402)电连接,用于对输出的交流进行滤波。
3.根据权利要求1或2所述的电源模块,其特征在于,所述交直流双向变换器(403)包括:交流与直流高压双向变换器以及直流高压与直流低压双向变换器。
4.一种电源模块,其特征在于,包括:
第一端口(501)、第二端口(502)、第三端口(503)、交直流双向变换器(504)以及电池组件(505);其中,
所述第一端口(501),连接交流电源,用于接收交流输入;
所述第二端口(502),连接交流电源,用于在所述第一端口(501)交流输入故障的条件下,接收交流输入,或者与所述第一端口(501)电连接,且连接交流负载,用于向所述交流负载供电;
所述交直流双向变换器(504),交流侧与所述第一端口(501)和所述第二端口(502)电连接,直流侧与所述第三端口(503)和所述电池组件(505)电连接,用于将输入的交流转换为直流输出,以及在所述第二端口(502)连接交流负载,所述第一端口(501)交流输入故障时,将所述电池组件(505)中的直流转换为交流输出;
所述第三端口(503),与所述交直流双向变换器(504)电连接,用于向连接的直流负载供电;
所述电池组件(505),用于在交流正常输入时充电,以及在交流输入故障时放电。
5.根据权利要求4所述的电源模块,其特征在于,还包括:第一滤波器(506)和第二滤波器(507);
所述第一滤波器(506),连接在所述第一端口(501)与所述交直流双向变换器(504)之间,用于对所述第一端口(501)接收的交流输入进行滤波;
所述第二滤波器(507),连接在所述第二端口(502)与所述交直流双向变换器(504)之间,用于在所述第二端口(502)连接交流电源时,对所述第二端口(502)接收的交流输入进行滤波;以及在所述第二端口(502)连接交流负载时,对输出的交流进行滤波。
6.根据权利要求4或5所述的电源模块,其特征在于,所述交直流双向变换器(504)包括:交流与直流高压双向变换器以及直流高压与直流低压双向变换器。
7.一种供电方法,其特征在于,包括:
检测交流输入是否正常;
在交流输入正常的条件下,将交流转换为直流输出至直流负载以及电池组件,以及通过交流旁路将交流输出至交流负载;以及在交流输入故障的条件下,将所述电池组件中的直流输出至直流负载,以及将所述电池组件中的直流转换为交流输出至交流负载;
其中,所述将交流转换为直流和所述将电池组件中的直流转换为交流均是在同一交直流双向变换器中进行的。
8.根据权利要求7所述的供电方法,其特征在于,该方法还包括:
对输入的交流以及输出至交流负载的交流进行滤波。
9.根据权利要求7所述的供电方法,其特征在于,所述交直流双向变换器包括:交流与直流高压双向变换器以及直流高压与直流低压双向变换器。
10.一种供电系统,其特征在于,包括:如权利要求1-3中任一项所述的电源模块或者如权利要求4-6中任一项所述的电源模块。
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