CN103618368B - 一种高压直流供电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高压直流供电系统，包括：第一整流设备、第二整流设备、双向直流电源模块、电源模块和直流母线。可见本申请所提供的技术方案中，采用直流母线供电的方式，电源模块的输出电流通过双向直流电源模块直接向所述直流母线进行供电，控制所述直流母线的直流电压保持不变，使接入直流母线的负载设备安全可靠运行，可见本申请所提供的技术方案采用直流母线供电方式，不存在相位、相序问题，支持热插拔模式，只要预留好机架位置，新上负载设备直接并入直流母线即可工作，扩容维护方便。

Description

一种高压直流供电系统

技术领域

本申请涉及供电系统技术领域，更具体地说，涉及一种高压直流供电系统。

背景技术

随着信息技术和数据业务的快速发展，特别是IDC（InternetDataCenter，互联网数据中心）数据机房业务的快速发展，IDC数据机房设备对供电的安全性、可靠性的要求也越来越高。

现有技术中IDC数据机房一般采取UPS系统（UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply，不间断电源系统）对IDC数据机房设备进行供电。在UPS系统供电系统中，当市电正常时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定交流电压，同时市电经整流后对电池充电，当市电欠压或突然掉电时，电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。

但是，所述UPS系统如果要输出稳定的电路，则必须保持交流电相位、相序、频率一致，如果不一致会导致电网紊乱，但是如果需要保持交流电相位、相序、频率一致则必然造成所述UPS系统的扩容困难。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种高压直流供电系统，使负载扩容方便。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种高压直流供电系统，所述系统包括：

第一整流设备、第二整流设备、双向直流电源模块、电源模块和直流母线；

所述第一整流设备和第二整流设备的输入端与市电相连，所述第一整流设备和第二整流设备的输出端与直流母线相连；

所述双向直流电源模块的输入端与直流母线相连，输出端与电源模块相连；

其中，所述第一整流设备包括：

输入端与市电相连的可调变压器；

输入端与可调变压器输出端相连的交流滤波设备；

输入端与所述交流滤波设备的输出端相连的整流桥；

输入端与所述整流桥相连的直流滤波设备，所述直流滤波设备的输出端与直流母线相连；

其中所述电源模块包括N个串联的电池组，所述N为不小于1的正整数。

优选的，上述高压直流供电系统中，所述整流桥包括：三相整流桥；

所述三相整流桥包括：第一开关单元，与第一开关单元串联的第二开关单元；

第三开关单元，与第三开关单元串联的第四开关单元；

第五开关单元，与第五开关单元串联的第六开关单元；

第一电容，所述第一电容的两端与所述直流滤波器的两个输出端相连；

所述串联后的第一开关单元和第二开关单元、串联后的第三开关单元和第四开关单元、串联后的第五开关单元和第六开关单元、电容相互并联；

所述第一开关单元和第二开关单元的公共端、第三开关单元和第四开关单元的公共端、第五开关单元和第六开关单元的公共端分别与所述交流滤波器的三个输出端相连。

优选的，上述高压直流供电系统，还包括：控制器；

所述控制器包括：

输入端与所述交流滤波单元的输入端相连的电压检测器；

输入端与所述交流滤波单元的输出端相连的电流检测器；

六个输出端分别与所述六个开关单元的控制端相连的驱动电路；

输入端与所述直流滤波单元输出端相连的直流电压检测器；

第一输入端与所述电压检测器输出端相连的运算控制器，所述运算控制器的第二输入端与所述电流检测器的输出端相连，所述运算控制器的第三输入端与直流电压检测器的输出端相连，所述运算控制器的输出端与所述驱动电路相连。

优选的，上述高压直流供电系统中，所述开关单元包括：

开关管，与所述开关管反向并联的二极管。

优选的，上述高压直流供电系统中，所述运算器，用于依据所述电压检测器、电流检测器和直流电压检测器检测到的信号输出脉冲宽度调制信号至所述驱动电路；

所述驱动电路依据所述脉冲宽度调制信号控制所述开关管的通断。

优选的，上述高压直流供电系统中，所述系统还包括：

电源管理系统，用于实时获取所述电源模块的运行参数和运行状态。

优选的，上述高压直流供电系统中，还包括：中央监控单元；

所述中央监控单元通过控制器局域网络总线与第一整流设备、第二整流设备、双向直流电源模块、电源模块和电源管理系统进行通讯。

优选的，上述高压直流供电系统中，所述中央监控单元，用于获取所述电源模块的运行参数和运行状态，依据所述电源模块的运行参数和运行状态发送第一控制指令至所述电源管理系统、发送第二控制指令至所述双向直流电源模块。

优选的，上述高压直流供电系统中，所述双向直流电源模块包括：

第七开关单元，所述第七开关单元的第一端与直流母线的正极相连；

第一端与所述第七开关单元的第二端相连的第八开关单元，所述第八开关单元的第二端与所述直流母线的负极相连；

第一端与所述第七开关单元第二端相连的电抗；

正极与所述电抗第二端相连、负极与第八开关单元的第二端相连的第二电容，所述第二电容与所述电源模块并联。

优选的，上述高压直流供电系统中，所述电源管理系统，包括：

N个电压检测模块，所述N电压检测模块通过控制器局域网络总线分别与所述N个电池组相连，用于检测所述N个电池组的电压；

电源模块参数检测单元，所述电源模块参数检测单元第一端通过控制器局域网络总线与所述N个电压检测模块相连，第二端与所述双向直流电源模块相连，用于获取并整合所述N个电压检测模块检测到的电池组的电压、检测所述电源模块的电压和充/放电电流，检测每个电池组的荷电态和健康态；

数据传输单元，通过控制器局域网络总线与所述电源模块参数检测单元和中央监控单元相连，用于获取整合后的N个电池组的电压、荷电态、健康态、电源模块的电压和电源模块的充/放电电流发送至中央监控单元；

所述中央监控单元依据获取到的N个电池组的电压、荷电态、健康态、电源模块的电压和电源模块的充/放电电流生成第一控制指令和第二控制指令，将所述第一控制指令通过所述数据传输单元发送至所述电压检测单元，将所述第二控制指令通过所述数据传输单元发送至所述双向直流电源模块。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开的高压直流供电系统，采用直流母线供电的方式，电源模块的输出电流通过双向直流电源模块直接向所述直流母线进行供电，控制所述直流母线的直流电压保持不变，使接入直流母线的负载设备安全可靠运行，可见本申请所提供的技术方案采用直流母线供电方式，不存在相位、相序问题，支持热插拔模式，只要预留好机架位置，新上负载设备直接并入直流母线即可工作，扩容维护方便。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种高压直流供电系统的结构图；

图2为本申请实施例提供的第一整流设备的结构图；

图3为本申请实施例提供的三相整流桥的结构图；

图4为本申请实施例中提供的所述控制器的结构图；

图5为本申请实施例提供的双向直流电源模块的结构图；

图6为本申请实施例中所述电源管理系统和中央处理器的结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供一种高压直流供电系统，用于解决现有技术中所述UPS系统存在扩容困难的问题。

图1为本申请实施例提供的一种高压直流供电系统的结构图。

图2为本申请实施例提供的第一整流设备的结构图。

参见图1和图2，本实施例提供了一种高压直流供电系统，所述系统包括：

第一整流设备1、第二整流设备2、双向直流电源模块3、电源模块4和直流母线5；

所述第一整流设备1和第二整流设备2的输入端与市电相连，所述第一整流设备1和第二整流设备2的输出端与直流母线5相连；

所述双向直流电源模块3的输入端与直流母线5相连，输出端与电源模块5相连；

其中，所述第一整流设备1包括：

输入端与市电相连的可调变压器101，用于将市电变为所述高压直流供电系统所需的交流电；

输入端与可调变压器101输出端相连的交流滤波设备102，所述交流滤波设备102，用于对所述可调变压器101输出的交流电进行滤波，减小谐波电流；

输入端与所述交流滤波设备102的输出端相连的整流桥103，所述整流桥103用于对滤波后的交流电进行整流，将所述高压直流供电系统所需的交流电转换为直流电；

输入端与所述整流桥103相连的直流滤波设备104，所述直流滤波设备104的输出端与直流母线5相连，所述直流滤波设备104用于对所述整流器输出的直流电进行滤波，输出稳定的直流电压给直流母线；

其中所述电源模块4包括N个串联的电池组，所述N为不小于1的正整数。

其中，所述第一整流设备用于对市电和所述高压直流供电系统起到隔离作用，将所述市电变为所述高压直流供电系统所需的直流电压。当高压直流供电系统正常工作时，所述第一整流设备作为所述高压直流供电系统的主供电设备，将市电变换为所述高压直流供电系统所需的直流电压输入至直流母线，所述第二整流设备处于预热状态，当第一整流设备运行出现故障时，启动所述第二整流设备，将市电变换为所述高压直流供电系统所需的直流电压输入至直流母线，稳定所述直流母线的直流电压，当所述第一整流设备故障排除后切出所述第二整流设备。

当市电停电时，所述双向直流电源模块控制所述电源模块放电，并且将所述电源模块输出的电压转换为所述高压直流供电系统所需的电压。

可见本实施例所提供的技术方案中，采用直流母线供电的方式，电源模块的输出电流通过双向直流电源模块直接向所述直流母线进行供电，控制所述直流母线的直流电压保持不变，使接入直流母线的负载设备安全可靠运行，可见本申请所提供的技术方案采用直流母线供电方式，不存在相位、相序问题，支持热插拔模式，只要预留好机架位置，新上负载设备直接并入直流母线即可工作，扩容维护方便。

可以理解的是，本申请实施例中的所述第二整流设备的结构可以与所述第一整流设备相同，也可以为不可控整流设备。

图3为本申请实施例提供的三相整流桥的结构图。

参见图3，可以理解的是，本申请上述实施例中的所述整流桥可以包括三相整流桥；

所述三相整流桥包括：第一开关单元V1，与第一开关单元V1串联的第二开关单元V2；

第三开关单元V3，与第三开关单元V3串联的第四开关单元V4；

第五开关单元V5，与第五开关单元V5串联的第六开关单元V6；

第一电容C1，所述第一电容C1的两端与所述直流滤波器104的两个输出端相连；

所述串联后的第一开关单元V1和第二开关单元V2、串联后的第三开关单元V3和第四开关单元V4、串联后的第五开关单元V5和第六开关单元V6、第一电容C1相互并联；

所述第一开关单元V1和第二开关单元V2的公共端、第三开关单元V3和第四开关单元V4的公共端、第五开关单元V5和第六开关单元V6的公共端分别与所述交流滤波器102的三个输出端相连。

可以理解的是，所述三相整流桥采用电流内环、电压外环的控制策略没利用脉冲宽度调制信号对各个开关单元进行控制，使功率因数接近为1。

图4为本申请实施例中提供的所述控制器的结构图。

可以理解的是，参见图4，本申请中的所述高压直流供电系统还包括，与所述三相整流桥相连的控制器105；

所述控制器105包括：

输入端与所述交流滤波单元102的输入端相连的电压检测器1051，用于检测所述交流滤波单元的输入电压；

输入端与所述交流滤波单元102的输出端相连的电流检测器1052，用于检测所述交流滤波单元的输出电流；

输入端与所述直流滤波单元输出端相连的直流电压检测器1053，用于焦策所述直流滤波单元的输出电流；

第一输入端与所述电压检测器1051输出端相连的运算控制器1054，所述运算控制器1054的第二输入端与所述电流检测器1052的输出端相连，所述运算控制器1054的第三输入端与直流电压检测器1053的输出端相连，所述运算控制器1054，用于依据所述电压检测器1051、电流检测器1052和直流电压检测器1053检测到的信号输出脉冲宽度调制信号；

六个输出端分别与所述六个开关单元的控制端相连的驱动电路1055，所述驱动电路1055的输入端与所述运算控制器1054的输出端相连，所述驱动电路用于获取所述脉冲宽度调制信号控制所诉6个开关单元的通断，使功率因数接近为1。

可以理解的是，所述开关单元可以包括开关管，和与所述开关管反向并联的二极管。

可以理解的是，为了能够实时检测每个电池组的电压、电流、荷电状态和健康状态，本申请所述高压直流供电系统还可以包括：电池管理系统，用于实时获取所述电源模块的运行参数和运行状态，所述运行参数可以包括每个电池组的电压和电流，所述电源模块的运行状态可以包括每个电池组的电荷状态和健康状态。

可以理解的是，所述双向直流电源模块和所述电源模块之间还可以包括熔断器，用于对所述电源模块进行包括。

可以理解的是，本申请上述实施例中的高压直流供电系统还可以包括中央监控单元；

所述中央监控单元通过控制器局域网络总线与第一整流设备、第二整流设备、双向直流电源模块、电源模块和电源管理系统进行通讯，用于采集各个设备、模块和系统的运行参数，依据预设规则对所述运行参数进行运算，下发先关指令，以保证各个系统的优化运行，提高供电系统的可靠性。

当然，所述中央监控单元，可以用于获取所述电源模块的运行参数和运行状态，依据所述电源模块的运行参数和运行状态发送第一控制指令至所述电源管理系统、发送第二控制指令至所述双向直流电源模块，所述电源管理系统获取到所述第一控制指令后，通过切断电池组的接触器使所述过放或过充的电池组得到保护，所述双向直流电源模块获取到所述第二控制指令后，所述双向直流电源模块对电池组进行恒流充电或者恒流放电。

图5为本申请实施例提供的双向直流电源模块的结构图。

可以理解的是，参见图5，本申请中的所述双向直流电源模块可以包括：

第七开关单元V7，所述第七开关单元V7的第一端与直流母线5的正极相连；

第一端与所述第七开关单元V7的第二端相连的第八开关单元V8，所述第八开关单元V8的第二端与所述直流母线5的负极相连；

第一端与所述第七开关单元V7第二端相连的电抗T；

正极与所述电抗T第二端相连、负极与第八开关单元V8的第二端相连的第二电容C2，所述第二电容C2与所述电源模块4并联。

当需要对所述电源模块进行充电时，第八开关管V8关断，通过控制所述第七开关管V7的占空比实现恒流、恒压、浮充三阶段充电方式。

当需要对所述电源模块放电时，第七开关管V7关断，通过控制所述第八开关管V8的占空比实现升压，所述电源模块输出的电流经第七开关管V7的旁路二极管输出到所述直流母线。

图6为本申请实施例中所述电源管理系统和中央处理器的结构图。

参见图6，所述电源管理系统6，包括：

N个电压检测模块601，所述N电压检测模块601通过控制器局域网络总线分别与所述N个电池组相连，用于检测所述N个电池组的电压；

电源模块参数检测单元602，所述电源模块参数检测单元602第一端通过控制器局域网络总线与所述N个电压检测模块601相连，第二端与所述双向直流电源模块3相连，用于获取并整合所述N个电压检测模块601检测到的电池组的电压、检测所述电源模块4的电压和充/放电电流，检测每个电池组的荷电态和健康态；

数据传输单元603，通过控制器局域网络总线与所述电源模块参数检测单元602和中央监控单元7相连，用于获取整合后的N个电池组的电压、荷电态、健康态、电源模块的电压和电源模块的充/放电电流发送至中央监控单元7；

所述中央监控单元7依据获取到的N个电池组的电压、荷电态、健康态、电源模块的电压和电源模块3的充/放电电流生成第一控制指令和第二控制指令，将所述第一控制指令通过所述数据传输单元603发送至电压检测模块601，所述电压检测模块601通过切断电池组的接触器使所述过放或过充的电池组得到保护，将所述第二控制指令通过所述数据传输单元603发送至所述双向直流电源模块3，所述双向直流电源模块3依据所述第二控制指令对电池组进行恒流充电或者恒流放电。

可以理解的是，本申请中的多个高压直流供电系统中可以共用一个中央监控单元，中央监控单元可以通过获取到的每个电源模块的参数信息和运行状态控制不同电源模块输出不同的电流，同时，提高蓄电池组之间的一致性，延长电池的使用寿命。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种高压直流供电系统，其特征在于，所述系统包括：

第一整流设备、第二整流设备、双向直流电源模块、电源模块和直流母线；

所述第一整流设备和第二整流设备的输入端与市电相连，所述第一整流设备和第二整流设备的输出端与直流母线相连；

所述双向直流电源模块的输入端与直流母线相连，输出端与电源模块相连；

其中，所述第一整流设备包括：

输入端与市电相连的可调变压器；

输入端与可调变压器输出端相连的交流滤波器；

输入端与所述交流滤波器的输出端相连的整流桥；

输入端与所述整流桥相连的直流滤波器，所述直流滤波器的输出端与直流母线相连；

其中所述电源模块包括N个串联的电池组，所述N为不小于1的正整数；

所述双向直流电源模块和所述电源模块之间包括熔断器，用于对所述电源模块进行保护；

所述系统还包括：

电源管理系统，用于实时获取所述电源模块的运行参数和运行状态；

所述系统还包括：中央监控单元；

所述中央监控单元通过控制器局域网络总线与第一整流设备、第二整流设备、双向直流电源模块、电源模块和电源管理系统进行通讯；

所述中央监控单元，用于获取所述电源模块的运行参数和运行状态，依据所述电源模块的运行参数和运行状态发送第一控制指令至所述电源管理系统、发送第二控制指令至所述双向直流电源模块；

其中，所述电源管理系统用于获取到所述第一控制指令后，通过切断电池组的接触器使过放或过充的电池组得到保护。

2.根据权利要求1所述高压直流供电系统，其特征在于，所述整流桥包括：三相整流桥；

所述三相整流桥包括：第一开关单元，与第一开关单元串联的第二开关单元；

第三开关单元，与第三开关单元串联的第四开关单元；

第五开关单元，与第五开关单元串联的第六开关单元；

第一电容，所述第一电容的两端与所述直流滤波器的两个输入端相连；

所述串联后的第一开关单元和第二开关单元、串联后的第三开关单元和第四开关单元、串联后的第五开关单元和第六开关单元、所述第一电容相互并联；

所述第一开关单元和第二开关单元的公共端、第三开关单元和第四开关单元的公共端、第五开关单元和第六开关单元的公共端分别与所述交流滤波器的三个输出端相连。

3.根据权利要求2中的所述高压直流供电系统，其特征在于，所述系统还包括：运算控制器；

所述运算控制器包括：

输入端与所述交流滤波器的输入端相连的电压检测器；

输入端与所述交流滤波器的输出端相连的电流检测器；

六个输出端分别与所述六个开关单元的控制端相连的驱动电路；

输入端与所述直流滤波器输出端相连的直流电压检测器；

第一输入端与所述电压检测器输出端相连的运算控制器，所述运算控制器的第二输入端与所述电流检测器的输出端相连，所述运算控制器的第三输入端与直流电压检测器的输出端相连，所述运算控制器的输出端与所述驱动电路相连。

4.根据权利要求2中的所述高压直流供电系统，其特征在于，所述第一开关单元直至所述第六开关单元均包括：

开关管，与所述开关管反向并联的二极管。

5.根据权利要求3中的所述高压直流供电系统，其特征在于，所述运算控制器，用于依据所述电压检测器、电流检测器和直流电压检测器检测到的信号输出脉冲宽度调制信号至所述驱动电路；

所述驱动电路依据所述脉冲宽度调制信号控制所述开关管的通断。

6.根据权利要求1中的所述高压直流供电系统，其特征在于，所述双向直流电源模块包括：

第七开关单元，所述第七开关单元的第一端与直流母线的正极相连；

第一端与所述第七开关单元的第二端相连的第八开关单元，所述第八开关单元的第二端与所述直流母线的负极相连；

第一端与所述第七开关单元第二端相连的电抗；

正极与所述电抗第二端相连、负极与第八开关单元的第二端相连的第二电容，所述第二电容与所述电源模块并联。

7.根据权利要求1中的所述高压直流供电系统，其特征在于，所述电源管理系统，包括：

N个电压检测模块，所述N个电压检测模块通过控制器局域网络总线分别与所述N个电池组相连，用于检测所述N个电池组的电压；

电源模块参数检测单元，所述电源模块参数检测单元第一端通过控制器局域网络总线与所述N个电压检测模块相连，第二端与所述双向直流电源模块相连，用于获取并整合所述N个电压检测模块检测到的电池组的电压、检测所述电源模块的电压和充/放电电流，检测每个电池组的荷电态和健康态；

数据传输单元，通过控制器局域网络总线与所述电源模块参数检测单元和中央监控单元相连，用于获取整合后的N个电池组的电压、荷电态、健康态、电源模块的电压和电源模块的充/放电电流发送至中央监控单元；

所述中央监控单元依据获取到的N个电池组的电压、荷电态、健康态、电源模块的电压和电源模块的充/放电电流生成第一控制指令和第二控制指令，将所述第一控制指令通过所述数据传输单元发送至所述电压检测模块，将所述第二控制指令通过所述数据传输单元发送至所述双向直流电源模块。