CN106160203A - 一种机架自主储能不停电供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机架自主储能不停电供电系统，包括机柜，其特征在于，所述机柜的机架上配置有AC/DC开关电源冗余模块化阵列；所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输入端与交流输入变配电的输出端相连，输出端与IT设备的DC/DC变换模块相连；所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输出端还配置有作为过渡备用能源的电容储能冗余模块化阵列。本发明使得数据中心供电在可靠性和运行效率上得到提高，并且降低建设成本。

Description

一种机架自主储能不停电供电系统
技术领域
本发明涉及数据中心供电技术领域，特别是涉及一种机架自主储能不停电供电系统。
背景技术
传统数据中心供电系统是以UPS供电系统为典型特征的不停电供电系统，如图1所示，其能源配置包括：可连续供电的主能源(市电，作为主要的连续输入交流电源)、可连续供电的备用能源(柴油发电机组，也简称“油机”。市电电网故障时，保证连续输入交流供电)、主备能源转换期间保证IT设备连续不间断供电的过渡备用能源(蓄电池，市电故障后，在油机起动及与市电切换期间，通常在15s内，通过传统AC/DC和DC/AC双变换UPS，维持向IT设备负载不间断供电)。
在不停电供电产生的初期，由于选用蓄电池作为系统过渡备用能源，蓄电池是直流能源，把它配置在交流供电系统中，蓄电池充电需要AC/DC变换，蓄电池供电需要DC/AC逆变，这就是传统UPS供电系统体系结构产生的过程，通常称为双转换UPS系统，如图2所示。
从图2可以看出，传统UPS供电系统当前要解决的问题归纳起来有三点：
(1)抑制系统中谐波电流的产生和治理问题。包括：加大零线规格和前端设备(变压器、油机、配电开关、转换开关等)容量，以便降低谐波电流影响；改为采用6脉冲整流前加有源滤波器，或改为采用12脉冲整流+11次无源滤波器，或改为采用PFC高频整流方案等。
(2)提高系统可用性。包括：提高设备可靠性，设备降容使用；对系统采用双总线冗余配置，对设备采用冗余配置；配置模块化UPS；提高设备智能监测和管理功能；采用集成化系统设计，解决系统中各类设备阻抗和连接方式的匹配问题，最大限度地减少安装和维护过程中的人为错误等。
(3)提高系统的适应性。包括：采用模块化设计，局部系统有扩容功能，减少系统运行初期设备购置成本和运行成本；采用标准化设计，简化系统设计和建造流程，为系统安装和可能的变更、移动和扩容提供可能性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机架自主储能不停电供电系统，使得数据中心供电在可靠性和运行效率上得到提高，并且降低建设成本。
本发明的发明人发现，现在的数据中心供电系统模式产生于50年前，存在的问题是由供电模式和系统方案决定的，很多问题是固有的，是方案本身无法解决的，随着IT技术的进步和对供电系统要求的不断提高，传统的系统为能勉强满足不断提高的使用需求，出现不断复杂化，造成结构臃肿、成本迅速攀升、效率低下、可靠性难以有效提高的趋势和困境。
但是，以下两点变化为传统UPS供电方案的变革提供了条件：
(1)柴油发电机组成为系统必备的可连续运行的主备用能源；
(2)备用蓄电池的功能由不停电供电的主要备用能源，变为用于市电故障后，备用柴油发电机组起动时间内，负责向负载供电的过渡备用能源，后备时间大幅度缩减，最短时间为柴油发电机组起动时间15s左右。
因此，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种机架自主储能不停电供电系统，包括机柜，所述机柜的机架上配置有AC/DC开关电源冗余模块化阵列；所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输入端与交流输入变配电的输出端相连，输出端与IT设备的DC/DC变换模块相连；所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输出端还配置有作为过渡备用能源的电容储能冗余模块化阵列。
所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列通过热插拔的方式安装在机架的配电背板上。
所述电容储能冗余模块化阵列中每个模块均包括储能单元电容模块、电容充电控制模块和电容升压DC/DC模块，所述电容充电控制模块一端与所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输出端相连，另一端与所述储能单元电容模块相连，所述电容充电控制模块两端并联有所述电容升压DC/DC模块；所述电容充电控制模块在所述储能单元电容模块充电时打开，在所述储能单元电容模块充满电或放电时关闭。
所述储能单元电容模块通过N个锂离子电容器串联而成，并附加均衡电路(在满载情况下，储能电容单元模块输出电压下降至20％的时间≧30s)。
所述电容充电控制模块为由一只绝缘栅双极型晶体管组成的电容充电控制电路。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过改变过渡备用能源(蓄电池)在系统中的配置位置，(由集中配置在交流系统中，改为分散配置在IT设备机架直流系统中，)从根本上去掉在主电路中的传统UPS中的AC/DC和DC/AC变换，进而去掉整个传统的UPS系统，使得数据中心供电在提高可靠性、提高运行效率、降低建设成本等方面，都取得了巨大的效果。
附图说明
图1是现有技术中数据中心供电系统能源配置图；
图2是现有技术中双转换UPS系统产生过程示意图；
图3是本发明与传统数据中心UPS系统配置比较示意图；
图4是机架自主储能不停电供电系统组成示意图；
图5是AC/DC开关电源和电容储能两种单元模块的功能示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种机架自主储能不停电供电系统，包括机柜，所述机柜的机架上配置有AC/DC开关电源冗余模块化阵列；所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输入端与交流输入变配电的输出端相连，输出端与IT设备的DC/DC变换模块相连；所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输出端还配置有作为过渡备用能源的电容储能冗余模块化阵列。
由此可见，本发明改变过渡备用能源(蓄电池)在传统数据中心供电系统中的配置位置，由集中配置在交流系统中，改为分散配置在IT设备机架直流系统中，从根本上去掉在主电路中的传统UPS中的AC/DC和DC/AC变换，进而去掉整个传统的UPS系统，这样就可去掉传统UPS供电系统中最薄弱的AC/DC(充电)和DC/AC(电池输出)环节。
图3是本发明与传统UPS系统的系统配置比较示意图。机架自主储能不停电供电系统的核心要点是：通过改变供电系统中过渡备用能源(蓄电池)的配置位置，把传统蓄电池集中配置在交流系统中，改为分散配置在IT机架设备开关电源如12V直流输出端，借用IT设备开关电源完成电压调控和通过增加过渡储能(LIC)功能，来实现机架自主储能不停电供电系统。
由机架自主储能不停电供电系统组成的数据中心供电系统表示在图4中(其中：机柜机架IT设备开关电源输出以直流12V、模块功率1.2kW为例；也可根据需要采用24V、模块功率最大5kW或48V、模块功率最大10kW，不影响本发明设计思想)。
由图4可以看出，整个供电系统所包含的内容和配置特点：
交流输入集中配置，包括输入变压器、油机、ATS转换开关、总配电等，去掉了传统的UPS供电系统；
IT设备(图4中所示为服务器)去掉传统12V输出开关电源，保留低压DC/DC变换模块；
在机柜的机架中配置AC/DC 12V开关电源N+1冗余模块化阵列；在开关电源DC12V输出端配置电容储能N+1冗余模块化阵列；AC/DC开关电源模块化阵列和电容储能模块化阵列都安装在标准IT设备机架中，每部分都有配电背板，各模块单元都可在背板上热插拔更换。
机架自主储能不停电供电系统包括AC/DC开关电源和电容储能两个模块化阵列，两个模块化阵列中的单元模块的功能表示在图5中。
开关电源单元模块基本功能如下：输入电压：AC 220V，50HZ；输出稳定电压：DC12V；输出最大电流：100A；输出功率：1.2kW；峰值功率：额定输出+30％(充电功率)。
所述电容储能冗余模块化阵列中每个模块均包括储能单元电容模块、电容充电控制模块和电容升压DC/DC模块，所述电容充电控制模块一端与所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输出端相连，另一端与所述储能单元电容模块相连，所述电容充电控制模块两端并联有所述电容升压DC/DC模块；所述电容充电控制模块在所述储能单元电容模块充电时打开，在所述储能单元电容模块充满电或放电时关闭。
其中，储能单元电容模块通过三个锂离子电容器(LIC)串联而成，并附加均衡电路，其最高浮充电压：11.4V(每只最高电压3.8V)。所述电容充电控制模块为由一只绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的电容充电控制电路，充电时通导，电容充满后关闭，电容放电时关闭。所述电容充电控制模块最大输出电流：100A；输出稳定电压：12V；最高输入电压：11.4V。
本实施方式中过渡备用能源采用锂离子电容器(LIC)代替传统的铅酸蓄电池。锂离子电容器(LIC)是一种新型高性能储能器件，具有功率密度大、充电迅速、循环寿命长、安全可靠等突出特点，特别适合用于短时间高功率输出、长寿命、高可靠性要求等场合，是二十一世纪理想环保型储能器件之一。由于传统的双电层电容器(EDLC)能量密度较低(一般为5～8Wh/kg)，一定程度上限制了其应用推广，因此不断追求更高比能量已经成为推动超级电容器技术发展永恒的动力，在该领域LIC代表了高比能量超级电容器技术发展的最前沿和热门的方向。LIC与双电层电容器相比，LIC在保持高比功率、长寿命、快速充电、高可靠等特性的前提下，大幅度提高了比能量，表现出了良好的应用前景。
本实施方式中所涉及的LIC是以先进材料技术为基础，在一个电解池中实现了锂离子电池和超级电容器原理和技术的结合，达到了能量密度大于30Wh/kg，功率密度大于3000W/kg，循环寿命大于10万次的性能，同时具有安全可靠、能量转化效率高、使用温度范围宽等特性，具备了国际先进水平。
将LIC应用于机架自主储能不停电系统，在停电时提供柴油机组启动前的30s～1min的直流供电，确保数据中心不间断的电力供应。由于兼顾高比能量、高比功率和长循环寿命等特点，与其它类型电源相比，LIC应用于机架自主储能不停电供电系统具有显著的优势(参见表1)：包括安全可靠、免维护、寿命长、大电流放电能力强、体积重量小、布置容易、能量转化效率高、使用温度范围宽等，从而大幅度提高整体使用效能。
表1是LIC与其它类型电源的比较
不难发现，在数据中心供电系统中，去掉传统的UPS供电系统，并用LIC替代铅酸电池，就从根本上克服了传统数据中心UPS供电系统的固有缺陷，极大的改善了供电系统性能。采用机架自主储能不停电供电系统架构后，数据中心供电系统在提高可靠性、提高系统效率、降低建设成本、提高适应性等方面，都将是一种重大的变革。表2是机架自主储能不停电供电系统与传统UPS的性能比较，从表2可知，机架自主储能不停电供电系统的可靠性得到提高：从根本上去掉了原供电系统中最薄弱环节(即传统UPS双变换)。机架自主储能不停电供电系统降低了成本：传统UPS系统成本降为0，整个交流供电系统成本下降70％；机架自主储能不停电供电系统提高了运行效率：整个交流供电系统的效率从75％提高到97％。
表2是机架自主储能UPS供电系统与传统UPS的性能比较

Claims (5)

1.一种机架自主储能不停电供电系统，包括机柜，其特征在于，所述机柜的机架上配置有AC/DC开关电源冗余模块化阵列；所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输入端与交流输入变配电的输出端相连，输出端与IT设备的DC/DC变换模块相连；所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输出端还配置有作为过渡备用能源的电容储能冗余模块化阵列。
2.根据权利要求1所述的机架自主储能不停电供电系统，其特征在于，所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列通过热插拔的方式安装在机架的配电背板上。
3.根据权利要求1所述的机架自主储能不停电供电系统，其特征在于，所述电容储能冗余模块化阵列中每个模块均包括储能单元电容模块、电容充电控制模块和电容升压DC/DC模块，所述电容充电控制模块一端与所述AC/DC开关电源冗余模块化阵列的输出端相连，另一端与所述储能单元电容模块相连，所述电容充电控制模块两端并联有所述电容升压DC/DC模块；所述电容充电控制模块在所述储能单元电容模块充电时打开，在所述储能单元电容模块充满电或放电时关闭。
4.根据权利要求3所述的机架自主储能不停电供电系统，其特征在于，所述储能单元电容模块通过N个锂离子电容器串联而成，并附加均衡电路。
5.根据权利要求3所述的机架自主储能不停电供电系统，其特征在于，所述电容充电控制模块为由一只绝缘栅双极型晶体管组成的电容充电控制电路。
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