CN106941276A - 分散式的基于模块的dc数据中心 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分散式的基于模块的DC数据中心。根据一个方面，本发明的实施例提供了一种分布式电力系统，该分布式电力系统包括DC总线、至少一个DC UPS和至少一个电力模块，该至少一个DC UPS被配置成向DC总线提供来源于在输入AC电力和备用DC电力中的至少一者的DC电力，使得在DC总线上的DC电压被维持于标称电平；该至少一个电力模块被配置成监控在DC总线上的DC电压、响应于确定在DC总线上的DC电压小于阈值电平而将来自储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力并且向DC总线提供经稳压的DC电力。

Description

分散式的基于模块的DC数据中心
发明背景
发明领域
本发明总体涉及用于运行DC数据中心的系统和方法。
相关技术的论述
用于计算机、通信和其他电子设备的集中式数据中心已被使用了很多年。典型的集中式数据中心包含需要电力、冷却和与通信设施的连接的设备(例如，服务器，网络设备或者其他设备)的很多外壳或机架。
使用电力设备(诸如，不间断电源(UPS))为数据中心机架中的敏感负载和/或关键负载(诸如，计算机系统和其他数据处理系统)提供经稳压的、不间断的电力是已知的。已知的不间断电源包括在线式UPS、离线式UPS、线路交互式UPS及其他UPS。在线式UPS提供了经调节的AC电力，并且在AC电力的主要来源中断时提供了备用AC电力。离线式UPS通常不提供输入AC电力的调节，但是确实在主AC电源中断时提供备用AC电力。线路交互式UPS类似于离线式UPS之处在于当发生停电的时候，它们都切换到电池电源，但线路交互式UPS通常还包括用于稳压由UPS提供的输出电压的多抽头变压器。
概述
根据本发明的方面涉及分布式电力系统，该分布式电力系统包括DC总线、至少一个DC UPS以及至少一个电力模块，该DC总线被配置成耦合于至少一个第一外部DC负载；该至少一个DC UPS具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端被配置成耦合于AC电源并且从AC电源接收输入AC电力，第二输入端被配置成耦合于备用电源并且从备用电源接收备用DC电力，并且输出端被配置成耦合于DC总线，该至少一个DC UPS被配置成向DC总线提供来源于输入AC电力和备用DC电力中的至少一者的DC电力，使得在DC总线上的DC电压被维持在标称电平；该至少一个电力模块被配置成耦合于储能设备并且耦合于DC总线、监控在DC总线上的DC电压、响应于确定在DC总线上的DC电压小于阈值电平而将来自储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力，并且向DC总线提供经稳压的DC电力。
根据一个实施例，分布式电力系统还包括DC/DC变换器，该DC/DC变换器被配置成耦合于可再生能量电源、从可再生能量电源接收DC电力、将来自可再生能量电源的DC电力变换成经稳压的DC电力，并且向DC总线提供来源于可再生能量电源的经稳压的DC电力以将在DC总线上的DC电压维持在标称电平。在另一个实施例中，分布式电力系统还包括至少一个DC/AC变换器，该DC/AC变换器被配置成耦合于DC总线和至少一个AC负载、将来自DC总线的DC电力变换成经稳压的AC电力，并且向至少一个AC负载提供经稳压的AC电力。
根据另一个实施例，响应于确定在DC总线上的DC电压大于阈值电平，该至少一个电力模块还被配置成将来自DC总线的DC电力变换成经稳压的DC电力，并且向储能设备提供经稳压的DC电力以为储能设备充电。在一个实施例中，该至少一个电力模块包括第一电力模块以及第二电力模块，第一电力模块被配置成耦合于第一类型的储能设备并且耦合于DC总线、监控在DC总线上的DC电压、响应于确定在DC总线上的DC电压小于第一阈值电平而将来自第一类型的储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力并且向DC总线提供经稳压的DC电力；第二电力模块被配置成耦合于第二类型的储能设备并且耦合于DC总线、监控在DC总线上的DC电压、响应于确定在DC总线上的DC电压小于第二阈值电平而将来自第二类型的储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力并且向DC总线提供经稳压的DC电力。
根据一个实施例，第一阈值电平大于第二阈值电平。在另一个实施例中，第一类型的储能设备是快速放电类型的储能设备，并且其中，第二类型的储能设备是缓慢放电类型的储能设备。在一个实施例中，第一储能设备是在电容器和飞轮中的一种。在另一个实施例中，第二储能设备是在蓄电池和燃料电池中的一种。
根据另一个实施例，该至少一个电力模块被配置成在没有与至少一个DC UPS进行通信时运行。在一个实施例中，分布式电力系统还包括DC/DC变换器，该DC/DC变换器被配置成耦合于第二外部DC负载、从DC总线接收DC电力、将来自DC总线的DC电力变换成经稳压的DC电力，并且向第二外部DC负载提供来源于DC总线的经稳压的DC电力。
根据本发明的另一方面涉及用于控制DC数据中心的方法，该方法包括以下动作：由至少一个DC UPS从AC电源接收输入AC电力；由至少一个DC UPS从备用电源接收备用DC电力；由至少一个DC UPS向DC总线提供来源于输入AC电力和备用DC电力中的至少一者的DC电力，使得在DC总线上的DC电压被维持于标称电平；由耦合于至少一个储能设备的至少一个电力模块监控在DC总线上的DC电压；由至少一个电力模块响应于确定在DC总线上的DC电压小于阈值电平，将来自至少一个储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力；并且由至少一个电力模块向DC总线提供经稳压的DC电力。
根据一个实施例，该方法还包括以下动作：由至少一个电力模块响应于确定在DC总线上的DC电压大于阈值电平，将来自DC总线的DC电力变换成经稳压的DC电力；并且由至少一个电力模块向储能设备提供经稳压的DC电力，以为储能设备充电。在一个实施例中，由至少一个电力模块监控包括：由耦合于第一类型的储能设备的第一电力模块和耦合于第二类型的储能设备的第二电力模块监控在DC总线上的DC电压；变换包括：由第一电力模块响应于确定在DC总线上的DC电压小于第一阈值电平而将来自第一类型的储能设备的DC电力变换成第一经稳压的DC电力，并且由第二电力模块响应于确定在DC总线上的DC电压小于第二阈值电平而将来自第二类型的储能设备的DC电力变换成第二经稳压的DC电力；并且提供包括：由第一电力模块响应于确定在DC总线上的DC电压小于第一阈值电平而向DC总线提供第一经稳压的DC电力，并且由第二电力模块响应于确定在DC总线上的DC电压小于第二阈值电平而向DC总线提供第二经稳压的DC电力。
根据另一个实施例，该方法还包括以下动作：采用耦合于DC总线和至少一个AC负载的至少一个DC/AC变换器将来自DC总线的DC电力变换成经稳压的AC电力；并且向至少一个AC负载提供经稳压的AC电力。在一个实施例中，该方法还包括以下动作：采用耦合于DC总线和可再生能量源的至少一个DC/DC变换器将来自可再生能量源的DC电力变换成经稳压的DC电力；并且向DC总线提供来源于可再生能量源的经稳压的DC电力，以将在DC总线上的DC电压维持于阈值电平。
根据一个实施例，该方法还包括以下动作：采用耦合于DC总线和至少一个外部DC负载的至少一个DC/DC变换器将来自DC总线的DC电力变换成经稳压的DC电力；并且向至少一个外部DC负载提供来源于DC总线的经稳压的DC电力。在一个实施例中，该方法还包括向至少一个外部DC负载提供来自DC总线的DC电力的动作。在至少一个实施例中，由至少一个DC UPS向DC总线提供DC电力、监控在DC总线上的DC电压、由至少一个电力模块将来自至少一个储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力以及向DC总线提供经稳压的DC电力的动作是在该至少一个DC UPS和该至少一个电力模块之间没有通信的情况下被执行的。
根据本发明的至少一个方面涉及分布式电力系统，该分布式电力系统包括：DC总线，该DC总线被配置成耦合于至少一个外部DC负载；至少一个DC UPS，该至少一个DC UPS具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端被配置成耦合于AC电源并且从AC电源接收输入AC电力，第二输入端被配置成耦合于备用电源并且从备用电源接收备用DC电力，并且输出端被配置成耦合于DC总线，该至少一个DC UPS被配置成向DC总线提供来源于输入AC电力和备用DC电力中的至少一者的DC电力；至少一个电力模块，该至少一个电力模块被配置成耦合于储能设备并且耦合于DC总线，并且向DC总线提供来源于储能设备的经稳压的DC电力；以及用于在该至少一个DC UPS和该至少一个电力模块之间没有通信的情况下，在至少一个DC UPS的电网故障状况期间将在DC总线上的DC电压维持于期望电平的装置。
附图简述
附图并不旨在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同的或者几乎相同的部件用相似的数字来标示。出于清楚的目的，并非每个部件都可在每个图中被标记出。在附图中：
图1是根据本发明的方面的分散式的基于模块的DC数据中心的框图；
图2是根据一个实施例的分散式的基于模块的DC数据中心在正常运行状况期间的框图；
图3是示出根据一个实施例的用于运行DC/DC变换器模块的过程的过程流程图；
图4是根据一个实施例的分散式的基于模块的DC数据中心在电网故障状况期间的框图；
图5是根据一个实施例的分散式的基于模块的DC数据中心在电网故障状况期间的框图；
图6是根据一个实施例的分散式的基于模块的DC数据中心在恢复状况期间的框图；
图7是示出根据一个实施例的用于运行DC/DC变换器模块的过程的过程流程图；以及
图8是根据本发明的方面的分散式的基于模块的DC数据中心的框图。
详细描述
本文所讨论的方法和系统的示例并不将其应用限于下面描述中阐述的或者在附图中示出的组件的结构以及布置的细节。方法和系统能够在其他实施例中实施，并且能够以各种方式实践或执行。本文提供的特定实现的示例仅用于说明性目的而并不旨在限制。具体来说，结合任何一个或者多个示例论述的动作、部件、元件以及特征不旨在排除任何其他的示例中的类似作用。
此外，本文所用的措辞和术语也是出于描述的目的，而不应视为具有限制。对于本文的系统和方法的示例、实施例、部件、元件或者动作的指的是单数的任何参考，也可以包含包括复数的实施例，并且对于本文的任何实施例、部件、元件或者动作复数的任何参考，也可以包含仅包括单数的实施例。单数形式或者复数形式的引用并不旨在限制目前公开的系统或者方法、它们的部件、动作或者元件。本文使用“包括”、“包含”、“具有”、“含有”和“涉及”及其变型旨在包括其后列举的项目和其等价物以及额外的项目。“或”的引用可解释为包括一切的，使得使用“或”所描述的任何术语可以指示所描述的术语的单个、多于一个以及全部中的任何一种。另外，在本文和通过引用并入的文献之间用法不一致的情况下，在并入的特征中的术语用法作为对本文中的术语用法的补充；对于对立的区别，本文中的术语用法控制。
如以上论述的，UPS通常用于向数据中心中的敏感负载和/或关键负载提供AC电力。这种UPS系统通常或者是向数据中心设备供电的独立单元，或者以并联方式耦合以提供增强的电力和/或冗余。
分散式的基于模块的DC数据中心被提供为包括至少一个DC UPS系统，该DC UPS系统被配置成将来自AC电源的AC电力变换成DC电力，并且经由DC总线向DC数据中心中的负载提供DC电力。分散式的基于模块的DC数据中心的DC UPS系统提供了AC UPS系统通常不能实现的好处。除了通常比AC UPS系统更高效以外，DC UPS系统能够在不需要相间负载平衡的情况下，支持向数据中心模块化地添加额外的DC部件(例如，储能设备或者其他能量源)。根据至少一个实施例，因为DC UPS系统或者DC部件不必考虑数据中心中的其他部件的相信息，所以即使在部件之间的通信中断或者丢失的时候，DC UPS系统和DC部件也可以提供全部功能。
图1是根据本文描述的方面的分布式电力系统100的框图。分布式电力系统100包括DC总线102、DC UPS 104、DC/AC变换器106、第一DC/DC变换器110A、第二DC/DC变换器110B、第三DC/DC变换器110C和第四DC/DC变换器110D。
DC UPS 104经由DC接口耦合于DC总线102，并且DC UPS 104被配置成经由AC接口耦合于AC公用电源(例如，主电源)。DC/AC变换器106经由DC接口耦合于DC总线102，并且DC/AC变换器106被配置成经由AC接口耦合于AC供电的负载。在DC/DC变换器110A-110D中的每个DC变换器均经由第一DC接口耦合于DC总线102。根据至少一个实施例，至少一个DC负载108也可以耦合于DC总线102。
根据一个实施例，DC负载108是在单一数据中心机架内的服务器或者其他类型的数据中心设备，并且DC总线102耦合于机架内的负载108。在另一个实施例中，DC负载108是在多个数据中心机架各处的服务器或者其他类型的数据中心设备，并且DC总线102耦合在多个数据中心机架之间以及耦合于每个负载108。在其他实施例中，DC总线102耦合于被包括在任何数量的不同的数据中心机架内的任何数量和/或类型的负载108或者其他类型的DC模块。
如在图1中显示的，DC/DC变换器110A-110D中的每个DC/DC变换器还被配置成经由第二DC接口耦合于在负载、能量源和/或储能设备中的至少一者。例如，第一DC/DC变换器110A的第二DC接口耦合于能量源116。在一个实施例中，能量源116是可再生能量源(例如，太阳能量源，水力发电能量源等)；然而，在其他实施例中，能量源116可以是一些其他类型的可再生的或者不可再生的能量源。
第二DC/DC变换器110B的第二DC接口耦合于储能设备120。在一个实施例中，储能设备120是“快速”储能设备(即，诸如超级电容器、飞轮等相对于其他储存设备很快地放出所储存的能量的储能设备)；然而，在其他实施例中，储能设备120可以是一些其他类型的储能设备。第三DC/DC变换器110C的第二DC接口耦合于储能设备118。在一个实施例中，储能设备118是“缓慢”储能设备(例如，诸如蓄电池、燃料电池等相对于其他储存设备缓慢地放出所储存的能量的储能设备)；然而，在其他实施例中，储能设备118可以是一些其他类型的储能设备。第四DC/DC变换器110D的第二DC接口耦合于DC负载122。
在DC UPS 104、DC/AC变换器106和DC/DC变换器110A-110D中的每个均能够在某些运行状况下对DC总线102汲取电力和/或供电。例如，在一个实施例中，DC UPS 104包括AC/DC变换器，并且DC UPS 104被配置成从AC公用电源汲取AC电力、(采用AC/DC变换器)将AC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC总线102提供所变换的DC电力。DC UPS 104还可以包括备用电源124(例如，蓄电池)，并且响应于AC公用电源的故障，DC UPS 104可以将来自备用电源124的DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC总线102提供所变换的DC电力。DC/AC变换器106被配置成从DC总线102汲取DC电力、将DC电力变换成AC电力，并且向AC负载提供所变换的AC电力。
DC/AC变换器110A-D基于不同的运行状况和耦合于DC/DC变换器110A-D的第二DC接口的设备的类型，可操作地从DC总线102汲取电力或者向DC总线102供电。例如，第一DC/DC变换器110A可操作以从可再生能量源116接收DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC总线102提供经稳压的DC电力。第二DC/DC变换器110B可操作以从“快速”储能设备120接收DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC总线102提供经稳压的DC电力。第二DC/DC变换器110B还可操作以从DC总线102接收DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向“快速”储能设备120提供经稳压的DC电力，以为设备120再充电。第三DC/DC变换器110C可操作以从“缓慢”储能设备118接收DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC总线102提供经稳压的DC电力。第三DC/DC变换器110C还可操作以从DC总线102接收DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向“缓慢”储能设备118提供经稳压的DC电力，以为设备118再充电。第四DC/DC变换器110D可操作以从DC总线102接收DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC负载122提供经稳压的DC电力。
根据至少一个实施例，DC/DC变换器110A-110D在空闲状态下还可操作以不从DC总线102汲取电力或者不向DC总线102供电。DC负载108是以与DC总线102上的电压基本相同的DC电压运行的负载。因此，DC负载108直接连接于DC总线102，并且DC负载108可操作以从DC总线102直接汲取电力。
虽然图1显示在DC/DC变换器110A-D中的每个DC/DC变换器均连接于特定的DC源、负载或者储能设备，但是这种特定的连接不是必需的。连接于DC/DC变换器110A-D的前述DC源、负载和/或储能设备的任何组合都是可能的。所示出的实施例仅代表系统100的各个可能的连接中的一些连接。
DC UPS 104和DC/DC变换器110A-110D运行以维持DC总线102上的期望电压(即，足以对耦合于DC总线102的任何DC负载108供电的电压)。例如，在正常运行模式中，DC UPS104向DC总线102提供(来源于AC公用电源或者耦合于DC UPS 104的备用电源124的)DC电力，并且第一DC/DC变换器110A向DC总线102提供(来源于可再生的能量源116的)DC电力。DCUPS 104和第一DC/DC变换器110A运行以维持DC总线102上的期望电压。如果DC UPS 104不能向DC总线102提供必需的DC电力(例如，因为AC公用电源的故障或者因为在备用电源124上的电荷太低)，那么在DC/DC变换器110B-110C中的至少一者运行以弥补DC UPS 104的任何不足。例如，响应于在DC总线102上的电压下降(例如，因为DC UPS 104的故障)，在DC/DC变换器110B-110C中的至少一个DC/DC变换器可以运行，以向DC总线102提供来源于对应的能量源或者储能设备的DC电力，以使在DC总线102上的电压电平恢复到期望的电平。
根据一个实施例，DC UPS 104、DC/AC变换器106和DC/DC变换器110A-D被配置成进行通信。例如，在至少一个实施例中，分布式电力系统100包括通信模块114，通信模块114通信性地耦合于DC UPS 104、DC/AC变换器106和DC/DC变换器110A-D，并且通信模块114被配置成促进在系统100的不同部件之间的通信。通信模块114可操作以向系统100的各个部件发送并且从系统100的各个部件接收状态信息(例如，储能设备是否正在如预期地充电或者放电、能量源当前是否正在提供电力、是否已发生了电网故障情况等)。通过允许在系统100的不同部件之间进行通信，系统100的部件可以基于由每个部件发送和接收的信息而一起工作，以维持DC总线102上的期望电压。
根据一个实施例，系统100还包括显示器112。在一个实施例中，显示器112包括网络管理卡(NMC)，网络管理卡允许显示器112与通信模块114进行通信并且接收关于系统100的各个部件的状态信息。基于从通信模块114接收的状态信息，显示器112提供了用户界面，该用户界面可操作以允许分布式电力系统100的操作者监控并且管理所安装的部件的安装。显示器112被配置成显示关于所安装的部件中的每个部件的状态的信息。操作者还可以使用显示器112向所安装的部件指定某些信息或者指令，诸如，例如，如在图2-6中的示例性的放电过程中示出的，当几个储存的能量源连接于系统的时候的优先放电的序列。
根据另一个实施例，在系统100不包括通信模块114的情况下或者在部件之一与通信模块114之间的至少一个通信链路已出现故障或者已中断的情况下，系统100的部件不能直接进行通信。在这一实施例中，在系统内的每个部件(即，在DC UPS 104、DC/AC变换器106和DC/DC变换器110A-D中的每个)均独立监控DC总线102，并且基于对DC总线102的监控，确定每个各自的部件是否应当向DC总线102提供电力或者从DC总线102汲取电力。如以上论述的，因为DC部件不需要考虑在系统中的其他部件的相信息，所以系统100的部件的这种独立的运行是可能的。
图2是示出在正常运行状况下的分布式电力系统100的部分200的框图。如图2中显示的，在正常运行状况下，AC电力是由DC UPS 104从AC公用电源汲取的，并且被变换成处于期望电平的DC电力，并且如通过箭头202指示地被传递到DC总线102。同样在正常运行状况下，来自可再生能量源116的DC电力是由第一DC/DC变换器110A接收的，并且被变换成处于期望电平的DC电力，并且如通过箭头206指示地被传递到DC总线102。DC UPS 104和第一DC/DC变换器110A一起工作，以维持DC总线102上的期望的DC电压。在示出的实施例中，DC负载108连接于DC总线102，并且DC负载108如通过箭头204示出地从DC总线102汲取电力。下面参考图3更详细地论述在图2中显示的系统100的运行。
图3是根据本文描述的至少一个实施例的用于运行电力系统100的过程300的流程图。在框302处，DC UPS 104运行，以向DC总线102提供(来源于AC公用电源或者来源于备用电源124的)DC电力，并且第一DC/DC变换器110A运行，以向DC总线102提供(来源于由可再生能量源116供应的DC电力的)DC电力。DC UPS 104和第一DC/DC变换器110A经由通信模块114交换状态信息(例如，与DC输出电力相关的信息)，并且基于交换的信息而一起工作，以维持DC总线102上的期望的DC电压。期望的DC电压电平处于足以对耦合于DC总线102的任何DC负载108、经由DC/AC变换器106耦合于DC总线102的任何AC负载、和/或经由第四DC/DC变换器110D耦合于DC总线102的任何DC负载供电的电平。
在框304处，对(与第一DC/DC变换器110A组合的)DC UPS 104是否能够向DC总线102提供足够的DC电力使得在DC总线102上的DC电压可以维持于期望电平进行确定。例如，根据其中系统100的部件经由通信模块114可操作地进行通信的一个实施例，DC UPS 104监控从AC公用电源接收的电力和/或备用电源124的电荷水平。响应于确定DC UPS 104能够向DC总线102提供足够的DC电力，DC UPS 104经由通信模块114通知系统100中的其他部件：正在向DC总线102提供必需的电力。
在框306处，响应于接收来自DC UPS 104的、DC UPS 104向DC总线102提供必需的电力的通知，DC/DC变换器110B-C(即，耦合于储能设备118、120的DC/DC变换器)确定每个对应的储能设备118、120是否充满电。在框308处，响应于确定储能设备118、120没有充满电，对应于没有充满电的储能设备118、120的DC/DC变换器110B-C运行，以从DC总线102汲取DC电力、将DC电力变换成处于适当的充电电平的DC电力，并且向储能设备118、120提供所变换的DC电力，以为储能设备118、120充电。DC/DC变换器110B-C还可以向DC UPS 104提供信息(例如，从总线102汲取的DC电力的电平)，使得不管DC/DC变换器110B-C从DC总线102汲取的DC电力，DC UPS 104也可以运行，以维持DC总线102上的期望的电压电平。一旦已开始充电，或者如果所有储能设备均充满电，则过程300返回到框304处。
在框310处，响应于确定DC UPS 104没有向DC总线102提供必需的电力(例如，因为来自AC公用电源的电力中断或者在备用电源124上的电荷不足)，DC UPS 104经由通信模块114向连接于储能设备118、120的每个DC/DC变换器110B-C发送通知：DC UPS 104不能向DC总线102供应必需的DC电力。
在框312处，由DC/DC变换器110B-C中的每个DC/DC变换器做出评估，以识别该DC/DC变换器连接的各自的储能设备118、120是否能够向DC总线102供应必需的电力，以将DC总线102上的电压维持于期望电平(例如，对应的储能设备是否具有向DC总线102供应必需的电力的足够的储存的能量)。每个各自的DC/DC变换器向其他DC/DC变换器中的每个DC/DC变换器发送评估结果。
在框314处，响应于在框312处生成的评估结果(即，在DC/DC变换器110B-C中的每个DC/DC变换器是否均能够向DC总线102供电)，连接于已充电的储能设备的每个DC/DC变换器110B-C均确定其连接的各自的储能设备是否是优先序列中的下一个。根据至少一个实施例，优先序列指定“快速”储能设备应当在“缓慢”储能设备之前放电。在一个可选的实施例中，优先序列指定“缓慢”储能设备应当在“快速”储能设备之前放电。根据其他实施例，可以以一些其他适当的方式来限定优先序列。根据一个实施例，优先序列是由系统100自动确定的，而在其他实施例中，优先序列是由用户预先限定的。
通过经由通信模块114与系统100的其他部件进行通信，每个部件均意识到耦合于DC总线102的其他部件的存在和类型，并且正因如此，每个部件均可以根据优先序列来确定部件是否应向DC总线102提供电力。响应于确定DC/DC变换器110B-C连接于按照优先序列并非是下一个储能设备的储能设备，DC/DC变换器110B-C不向DC总线102提供DC电力(并且或者保持空闲或者继续从DC总线102汲取电力)。否则，响应于确定DC/DC变换器110B-C连接于按照优先序列是下一个储能设备的储能设备，相应的DC/DC变换器运行，以向DC总线102供应必需的电力，以将在DC总线102上的电压维持于期望的电平。过程300从框314返回到框304。
返回到图2，DC/DC变换器110B-C可操作地执行过程300。如先前提到的，在图2中，DC UPS 104正在(与第一DC/DC变换器110A组合)向DC总线102供应来自AC公用电源的足够的电力(304是)，并且在连接于DC/DC变换器110B的快速储能设备120和连接于第三DC/DC变换器110C的缓慢储能设备118中的每个储能设备均是充满电的(306是)。因此，DC/DC变换器110B-C不向DC总线102供电或者从DC总线102汲取电力。
图4是示出在电网故障状况下的分布式电力系统100的部分200的框图。在一个实施例中，当向DC UPS 104提供AC电力的AC公用电源已出现故障、并且耦合于DC UPS 104的备用电源124不可用或者不足以将在DC总线102上的电压维持于期望的电平的时候，存在电网故障状况。作为结果，在电网故障状况期间，DC UPS 104不能向DC总线102提供必需的DC电力，以(与第一DC/DC变换器110A组合)将在DC总线102上的电压维持于期望的电平。如在图4中显示的，在电网故障状况期间，当DC UPS 104不能向DC总线102供应足够的电力的时候(304否)，由第一DC/DC变换器110A(例如，其显示为箭头402)以及由第二DC/DC变换器110B(例如，其显示为箭头406)向DC总线102提供DC电力。在示出的实施例中，在电网故障状况期间，DC负载108继续从DC总线102汲取DC电力(例如，其显示为箭头404)。
更具体来说，如以上参考图3描述的，响应于确定DC UPS 104不能向DC总线102提供必需的电力，在框310处，DC UPS 104经由通信模块114向连接于储能设备118、120的每个DC/DC变换器110B-C发送通知：DC UPS 104不能向DC总线102供应必需的DC电力。在图4中显示的实施例中，快速储能设备120和缓慢储能设备118均紧接在电网故障状况之前充满电。正因如此，在框312处，响应于接收来自DC UPS 104的通知，快速储能设备120和缓慢储能设备118均被识别为能够向DC总线102供应能量。
在其中优先序列指定快速储能设备应当在缓慢储能设备之前放电的实施例中，在框314处，连接于快速储能设备120的第二DC/DC变换器110B运行，以向DC总线102供应来源于快速储能设备120的电力，如通过箭头406指示的，同时连接于缓慢储能设备118的第三DC/DC变换器110C保持处于空闲状态(即，第三DC/DC变换器110C不从DC总线102汲取电力或者向DC总线102供电)。
根据一个实施例，来自快速储能设备120的DC电力足以将DC总线102上的电压维持于期望的电平，直到DC UPS 104能够再次向DC总线102提供必需的DC电力为止。例如，如果AC电力的故障时间相对短，那么来自快速储能设备120的能量可以快速响应，以足够将DC总线102上的电压维持于期望的电平，直到DC UPS 104能够再次向DC总线102提供必需的电力为止。在框304处，一旦DC UPS 104确定DC UPS 104能够再次(与第一DC/DC变换器110A结合)向DC总线102提供必需的电力，以将DC总线102上的电压维持于期望的电平，则DC UPS104向系统100的每个部件传递通知：DC UPS 104正在向DC总线102提供必需的电力，并且过程300返回到框306。
然而，根据一个实施例，对于快速储能设备120来说，AC电力的故障时间可能太长，以至于不足够将DC总线102的电压维持于期望的电平。例如，在DC UPS 104能够向DC总线102提供必需的DC电力之前，快速储能设备120可能完全放电。在这一实施例中，在框312处，第二DC/DC变换器110B向系统100的其他部件发送通知：对应的快速储能设备120不能够向DC总线102提供DC电力。基于限定的优先序列，并且响应于接收来自第二DC/DC变换器110B的这一通知，在框314处，第三DC/DC变换器110C可以确定对应的缓慢储能设备118按照优先序列是下一个储能设备，并且第三DC/DC变换器110C可以运行以向DC总线102提供来源于缓慢储能设备118的DC电力。
例如，图5是在电网故障状况期间的分布式电力系统100的部分200的框图，其中，由第一DC/DC变换器110A(例如，其显示为箭头506)以及由第三DC/DC变换器110C(例如，其显示为箭头502)向DC总线102提供DC电力。如以上描述的，在电网故障状态下，DC UPS 104不能向DC总线102供电(304否)。DC UPS 104在步骤310处将状态信息发送到DC/DC变换器110B-C。在图5中显示的实施例中的步骤312处，快速储能设备120被识别为因为例如快速储能设备120已向DC总线102放出在快速储能设备120中包含的所有能量，所以不能供应能量。
因此，在步骤314处，虽然先前提到的优先序列使快速储能设备(例如，快速储能设备120)在缓慢储能设备(例如，缓慢储能设备118)之前优先放电，但是如果快速储能设备120不能供电，那么缓慢储能设备118将向DC总线102供电，如通过箭头502显示地。DC负载108继续如通过箭头504指示地从DC总线102汲取电力。假如从可再生能量源116接收的电力没有中断，则DC/DC变换器110A将继续向DC总线102供电，如通过箭头506指示地。
在框304处，一旦DC UPS 104确定DC UPS 104能够再次(与第一DC/DC变换器110A结合)向DC总线102提供必需的电力，以将DC总线102上的电压维持于期望的电平，则DC UPS104向系统100的每个部件传递通知：DC UPS 104正在向DC总线102提供必需的电力，并且过程300返回到框306。一旦DC UPS能够再次向DC总线102提供必需的电力，任何没有充满电的储能设备仍然可以再充电。
例如，图6是示出在恢复状况期间的分布式电力系统100的部分200的框图。根据一个实施例，在恢复状况中，DC UPS 104向DC总线102供应足够的电力(304是)，但是快速储能设备120和/或缓慢储能设备118尚未充满电(306否)，例如，在已发生电网故障状况之后。因此，在恢复状况期间，DC UPS 104(与第一DC/DC变换器110A组合)向DC总线102提供足够的电力(如箭头602所示)，以对耦合于DC总线的任何DC负载108供电以及向每个没有充满电的储能设备118、120提供必需的充电电力。在框308处，第二DC/DC变换器110B从DC总线102汲取足够的DC电力(例如，其显示为箭头608)，以为快速储能设备120充电，并且第三DC/DC变换器110C从DC总线102汲取足够的DC电力(例如，其显示为箭头610)，以为缓慢储能设备118充电。DC电力还由DC负载108汲取(例如，其显示为箭头606)。在DC/DC变换器110B-C中的每个DC/DC变换器均将继续从DC总线102汲取电力，直到在DC/DC变换器110B-C中的每个DC/DC变换器连接的各自的储能设备充满电为止，导致处于通过图2示出的正常运行状况。
如先前提到的，图3示出用于运行系统100的过程300的一个实施例，其中，系统的部件经由通信模块114有效地通信。然而，在其他实施例中，经由通信模块114的通信可能被中断、故意忽略、或者以其他方式导致不可操作。根据至少一个实施例，提供了用于运行在系统100的部件之间没有通信时的系统100的可选的过程。
例如，图7示出用于在紧急模式期间运行储能设备的示例过程流700。根据一个实施例，紧急模式是在其中在系统100的部件之间经由通信模块114的通信被损害、不可用、中断、暂时或永久地省略等的状况。可以以以上描述的(耦合于任何类型的储能设备，例如，快速的、缓慢的等)DC/DC变换器110B-C中的任何DC/DC变换器来实施以下描述的过程700。
在框702处，通过DC UPS 104和第一DC/DC变换器110A向DC总线102提供DC电力。DCUPS 104和第一DC/DC变换器110A运行，以将DC总线102上的电压维持于标称电平(例如，380V)。
在框704处，耦合于储能设备118、120的DC/DC变换器110B-C从DC总线102读取参数(例如，电压、电流等)。在框706处，DC/DC变换器110B-C做出关于参数是否低于阈值的确定。例如，阈值可以是低于与DC总线102关联的标称参数值(例如，380伏)的参数值(例如，370伏)。阈值可以由例如用户指定，而在其他实施例中，系统可以自动计算阈值的值。
另外，对于不同的DC/DC变换器，阈值可以不同。耦合于第一类型的储能设备(例如，快速放电类型的储能设备)的DC/DC变换器可以具有第一阈值，并且耦合于第二类型的储能设备(例如，缓慢放电类型的储能设备)的DC/DC变换器可以具有第二阈值。例如，耦合于快速储能设备120的第二DC/DC变换器110B可能具有370V的阈值的值(例如，这指示在其中DC UPS 104和第一DC/DC变换器110A不能将在DC总线102上的电压维持于380V的标称电压的电网故障情况)，同时，耦合于缓慢储能设备118的第三DC/DC变换器110C可能具有360V的阈值的值(例如，这指示在其中第二DC/DC变换器110B不能应对DC UPS 104和第一DC/DC变换器110A的不足的电网故障情况)。
响应于确定参数值不低于阈值，过程继续到框708。在框708处，DC/DC变换器110B-C确定关于其连接的储能设备(例如，快速储能设备120、缓慢储能设备118等)是否充满电。响应于确定DC/DC变换器110B-C连接的储能设备充满电，过程继续到框704。否则，过程继续到框710，由此，未充电的储能设备经历充电过程。为了为储能设备118、120充电，储能设备118、120连接的DC/DC变换器110B-C运行，以从DC/DC变换器110B-C连接的DC总线102汲取电力并且向未充满电的储能设备供应电力。过程随后继续进行到框704。
响应于确定参数值低于阈值，过程继续到框712。在框712处，DC/DC变换器110B-C确定关于该DC/DC变换器连接的储能设备118、120是否能够向DC总线102供电(例如，储能设备是否具有向DC总线102供电的足够的能量)。响应于确定储能设备具有向DC总线供电的充足的能量，过程继续到框714。否则，过程继续到框704。在框714处，经由DC/DC变换器110B-C连接于DC总线102的储能设备118、120向DC总线102供电。过程继续到框704。
通过监控DC总线102的参数，并且在参数低于对应于耦合于DC总线的储能设备的类型的指定阈值的时候向DC总线提供DC电力，每个DC/DC变换器均可以在没有与系统100的其他部件的通信时，独立地确定关联的储能设备何时应向DC总线102提供DC电力以将在DC总线102上的DC电压维持于期望的电平。
图8示出根据一个实施例的分布式电力系统800的框图。分布式电力系统800包括DC总线802、DC UPS 804、一个或多个DC/DC变换器806以及一个或多个AC供电的负载808(例如，一个或多个AC电力机架)。根据一个实施例，DC总线802耦合于DC UPS 804、一个或多个DC/DC变换器806以及一个或多个AC供电的负载808中的每一个。在一个或多个DC/DC变换器806中的每个DC/DC变换器均耦合于负载(例如，DC供电的负载)、能量源(例如，可再生能量源)和/或储能设备(例如，燃料电池、蓄电池、飞轮、超级电容器等)。DC UPS 804耦合于公用主电源，并且在一些示例中，DC总线802可以经由一个或多个DC/DC变换器耦合于DC供电的负载、AC供电的负载、或者DC供电的负载和AC供电的负载的组合。
在一个实施例中，在一个或多个AC供电的负载808中的每个均包括DC/AC变换器810。在正常运行下，DC UPS 804可操作以从公用主电源接收AC电力、将AC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC总线802供应经稳压的DC电力。DC/AC变换器810可操作以从DC总线802汲取DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的AC电力，并且向DC/AC变换器810耦合的AC供电的负载供应经稳压的AC电力。
根据一些实施例，DC/DC变换器806被配置成如以上参考在图1中显示的DC/DC变换器110A-D描述地运行。例如，在其中DC/DC变换器806耦合于DC总线802和负载(例如，DC供电的负载)的情况中，DC/DC变换器806可操作以从DC总线802汲取DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向负载供应经稳压的DC电力。在其他示例中，DC/DC变换器806可以耦合于DC总线802和可再生能量源116(例如，太阳能量源、水电能量源等)，并且DC/DC变换器806可以从可再生能量源116汲取DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC总线802供应经稳压的DC电力。在又其它示例中，DC/DC变换器806可以耦合于储能设备。因此，DC/DC变换器806可被配置成从DC总线802汲取电力、向DC总线802供电和/或保持处于空闲状态，由此DC/DC变换器806不从DC总线802汲取电力或者不向DC总线802供电。例如，DC/DC变换器806可操作以从储能设备接收DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC总线802提供经稳压的DC电力。DC/DC变换器806还可操作以从DC总线802接收DC电力、将DC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向储能设备提供经稳压的DC电力，以为设备再充电。
如以上描述的，系统100包括被配置成在正常运行模式中一起工作以将在DC总线102上的DC电压维持于期望电平的DC UPS 104和(耦合于可再生能量电源116的)第一DC/DC变换器110A。然而，在至少一个其他实施例中，系统100不包括耦合于可再生能量电源116的第一DC/DC变换器110A，并且仅有DC UPS 104被配置成在正常运行模式中向DC总线102供应DC电力。
如以上同样描述的，系统100包括单一DC UPS 104；然而，在其他实施例中，系统100可以包括任何数量的DC UPS 104，该DC UPS 104被配置成在正常运行模式中从AC公用电源接收AC电力、将AC电力变换成处于期望电平的DC电力，并且向DC总线102提供所变换的DC电力。
如以上描述的，DC UPS 104被配置成向DC总线102提供来源于AC电源或者备用电源的电力。然而，在至少一个实施例中，至少一个DC UPS104还被配置成从DC总线102汲取电力，以对在UPS 104内的电路(例如，控制器)供电(即，充当耦合于DC总线102的负载)。
如以上描述的，系统100包括四个DC/DC变换器110A-D；然而，在其他实施例中，系统100可以包括任何数量的DC/DC变换器，每个DC/DC变换器均耦合于对应的能量源、储能设备或者负载。系统100还可以包括任何数量的DC/AC变换器106和DC负载108。
根据本文描述的实施例，DC总线102可以具有任何的长度，并且系统100的每个部件(例如，DC UPS 104、DC/DC变换器110A-D、DC/AC变换器106、DC负载108等)可以沿着DC总线102的长度在任何点连接于DC总线102。例如，第一DC/DC变换器110A可以耦合于在DC总线102上邻近可再生能量源116的点，同时第三DC/DC变换器110C可以耦合于在DC总线102上邻近缓慢储能设备118的点。
本文描述的实施例提供了分散式的基于模块的DC数据中心，该DC数据中心包括至少一个DC UPS系统，该DC UPS系统被配置成将来自AC电源的AC电力变换成DC电力，并且向DC总线提供DC电力。分散式的基于模块的DC数据中心的DC UPS系统提供了AC UPS系统通常不能实现的好处。除了通常比AC UPS系统更高效以外，DC UPS系统可以在不需要相间负载平衡的情况下，支持向DC总线模块化地添加额外的DC部件(例如，储能设备或者其他能量源)。根据至少一个实施例，因为DCUPS系统或者DC部件不必考虑数据中心中的其他部件的相信息，所以即使在部件之间的通信中断或者丢失的时候，DC UPS系统和DC部件也可以提供全部功能。
至此已经描述了本发明的至少一个实施例的若干方面，应当理解，对于本领域技术人员来说容易想到各种变形、修改和改进。这种替换、修改以及改善旨在成为本公开的一部分，并且旨在在本发明的精神和范围内。因此，前文的描述和附图仅仅是示例性的。

Claims (20)

1.一种分布式电力系统，包括：
DC总线，其被配置成耦合于至少一个第一外部DC负载；
至少一个DC UPS，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端被配置成耦合于AC电源并且从所述AC电源接收输入AC电力，所述第二输入端被配置成耦合于备用电源并且从所述备用电源接收备用DC电力，并且所述输出端被配置成耦合于所述DC总线，所述至少一个DC UPS被配置成向所述DC总线提供来源于在所述输入AC电力和所述备用DC电力中的至少一者的DC电力，使得在所述DC总线上的DC电压被维持于标称电平；以及
至少一个电力模块，其被配置成耦合于储能设备并且耦合于所述DC总线、监控在所述DC总线上的DC电压、响应于确定在所述DC总线上的DC电压小于阈值电平而将来自所述储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力并向所述DC总线提供所述经稳压的DC电力。
2.根据权利要求1所述的分布式电力系统，还包括DC/DC变换器，所述DC/DC变换器被配置成耦合于可再生能量电源、从所述可再生能量电源接收DC电力、将来自所述可再生能量电源的所述DC电力变换成经稳压的DC电力，并且向所述DC总线提供来源于所述可再生能量电源的所述经稳压的DC电力，以将在所述DC总线上的DC电压维持于所述标称电平。
3.根据权利要求1所述的分布式电力系统，还包括至少一个DC/AC变换器，所述至少一个DC/AC变换器被配置成耦合于所述DC总线和至少一个AC负载、将来自所述DC总线的DC电力变换成经稳压的AC电力，并且向所述至少一个AC负载提供所述经稳压的AC电力。
4.根据权利要求1所述的分布式电力系统，其中，响应于确定在所述DC总线上的DC电压大于所述阈值电平，所述至少一个电力模块还被配置成将来自所述DC总线的DC电力变换成经稳压的DC电力，并且向所述储能设备提供所述经稳压的DC电力，以为所述储能设备充电。
5.根据权利要求4所述的分布式电力系统，其中，所述至少一个电力模块包括：
第一电力模块，其被配置成耦合于第一类型的储能设备并且耦合于所述DC总线、监控在所述DC总线上的DC电压、响应于确定在所述DC总线上的DC电压小于第一阈值电平而将来自所述第一类型的储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力并向所述DC总线提供所述经稳压的DC电力；以及
第二电力模块，其被配置成耦合于第二类型的储能设备并且耦合于所述DC总线、监控在所述DC总线上的DC电压、响应于确定在所述DC总线上的DC电压小于第二阈值电平而将来自所述第二类型的储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力并向所述DC总线提供所述经稳压的DC电力。
6.根据权利要求5所述的分布式电力系统，其中，所述第一阈值电平大于所述第二阈值电平。
7.根据权利要求6所述的分布式电力系统，其中，所述第一类型的储能设备是快速放电类型的储能设备，并且其中，所述第二类型的储能设备是缓慢放电类型的储能设备。
8.根据权利要求7所述的分布式电力系统，其中，所述第一储能设备是在电容器和飞轮中的一种。
9.根据权利要求7所述的分布式电力系统，其中，所述第二储能设备是在蓄电池和燃料电池中的一种。
10.根据权利要求1所述的分布式电力系统，其中，所述至少一个电力模块被配置成在没有与所述至少一个DC UPS进行通信的状况下运行。
11.根据权利要求1所述的分布式电力系统，还包括DC/DC变换器，所述DC/DC变换器被配置成耦合于第二外部DC负载、从所述DC总线接收DC电力、将来自所述DC总线的DC电力变换成经稳压的DC电力，并且向所述第二外部DC负载提供来源于所述DC总线的所述经稳压的DC电力。
12.一种用于控制DC数据中心的方法，所述方法包括以下动作：
由至少一个DC UPS从AC电源接收输入AC电力；
由所述至少一个DC UPS从备用电源接收备用DC电力；
由所述至少一个DC UPS向DC总线提供来源于在所述输入AC电力和所述备用DC电力中的至少一者的DC电力，使得在所述DC总线上的DC电压被维持于标称电平；
由耦合于至少一个储能设备的至少一个电力模块监控在所述DC总线上的DC电压；
由所述至少一个电力模块响应于确定在所述DC总线上的DC电压小于阈值电平，将来自所述至少一个储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力；并且
由所述至少一个电力模块向所述DC总线提供所述经稳压的DC电力。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括以下动作：
由所述至少一个电力模块响应于确定在所述DC总线上的DC电压大于所述阈值电平，将来自所述DC总线的DC电力变换成经稳压的DC电力；并且
由所述至少一个电力模块向所述储能设备提供所述经稳压的DC电力，以为所述储能设备充电。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，由所述至少一个电力模块监控包括：
由耦合于第一类型的储能设备的第一电力模块和耦合于第二类型的储能设备的第二电力模块监控在所述DC总线上的DC电压；
其中，变换包括：由所述第一电力模块响应于确定在所述DC总线上的DC电压小于第一阈值电平而将来自所述第一类型的储能设备的DC电力变换成第一经稳压的DC电力，并且由所述第二电力模块响应于确定在所述DC总线上的DC电压小于第二阈值电平而将来自所述第二类型的储能设备的DC电力变换成第二经稳压的DC电力；并且
其中，提供包括：由所述第一电力模块响应于确定在所述DC总线上的DC电压小于所述第一阈值电平而向所述DC总线提供所述第一经稳压的DC电力，并且由所述第二电力模块响应于确定在所述DC总线上的DC电压小于所述第二阈值电平而向所述DC总线提供所述第二经稳压的DC电力。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括以下动作：
采用耦合于所述DC总线和至少一个AC负载的至少一个DC/AC变换器将来自所述DC总线的DC电力变换成经稳压的AC电力；并且
向所述至少一个AC负载提供所述经稳压的AC电力。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括以下动作：
采用耦合于所述DC总线和可再生能量源的至少一个DC/DC变换器将来自所述可再生能量源的DC电力变换成经稳压的DC电力；并且
向所述DC总线提供来源于所述可再生能量电源的所述经稳压的DC电力，以将在所述DC总线上的DC电压维持于所述阈值电平。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括以下动作：
采用耦合于所述DC总线和至少一个外部DC负载的至少一个DC/DC变换器将来自所述DC总线的DC电力变换成经稳压的DC电力；并且
向所述至少一个外部DC负载提供来源于所述DC总线的所述经稳压的DC电力。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括向至少一个外部DC负载提供来自所述DC总线的DC电力的动作。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，由所述至少一个DC UPS向DC总线提供DC电力、监控在所述DC总线上的DC电压、由所述至少一个电力模块将来自所述至少一个储能设备的DC电力变换成经稳压的DC电力以及向所述DC总线提供所述经稳压的DC电力的动作是在所述至少一个DC UPS和所述至少一个电力模块之间没有通信的情况下被执行的。
20.一种分布式电力系统，包括：
DC总线，其被配置成耦合于至少一个外部DC负载；
至少一个DC UPS，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端被配置成耦合于AC电源并且从所述AC电源接收输入AC电力，所述第二输入端被配置成耦合于备用电源并且从所述备用电源接收备用DC电力，并且所述输出端被配置成耦合于所述DC总线，所述至少一个DC UPS被配置成向所述DC总线提供来源于在所述输入AC电力和所述备用DC电力中的至少一者的DC电力；
至少一个电力模块，其被配置成耦合于储能设备并且耦合于所述DC总线，并且向所述DC总线提供来源于所述储能设备的经稳压的DC电力；以及
用于在所述至少一个DC UPS和所述至少一个电力模块之间没有通信的情况下在所述至少一个DC UPS的电网故障状况期间将在所述DC总线上的DC电压维持于期望电平的装置。
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