CN108370175B - 具有动态电源指示的数据中心配电系统 - Google Patents

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Abstract

一种数据中心配电系统包含配置成将至少一个第一电源耦合到负载的至少一个开关和配置成将至少一个第二电源耦合到所述负载的至少一个转换器。所述系统进一步包含配置成实施状态机的控制电路，所述状态机控制所述至少一个开关和所述至少一个转换器以使用所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源的可变电源指示冗余地向所述负载提供电力。所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源的所述电源指示的变化能够响应于控制输入而使所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源之间的优先级关系变化。

Description

具有动态电源指示的数据中心配电系统
技术领域
本发明主题涉及电力系统，并且更具体地说，涉及数据中心电力系统。
背景技术
数据中心通常会使用冗余式电力系统。通常，可以使用一种或多种不间断电源(UPS)来从主要公用电源提供电力，其中冗余(即，备用、辅助)电力由UPS从例如电池的辅助电源提供。可以使用自动转接开关(ATS)以在主要公用电源和局部柴油电动机/发电机组之间切换。响应于主要公用电源出故障，数据中心中的设备可能会暂时由UPS从电池供电，直到公用电源恢复。在公用电源的中断延长的情况下，可启动局部发电机，并且ATS可将负载转接到发电机，直到公用服务恢复。一些数据中心还利用额外的电源，例如飞轮、光伏面板和燃料电池。
发明内容
本发明主题的一些实施例提供一种数据中心配电系统，包含配置成将至少一个第一电源耦合到负载的至少一个开关和配置成将至少一个第二电源耦合源负载的至少一个转换器。系统进一步包含配置成实施状态机的控制电路，所述状态机控制至少一个开关和至少一个转换器以使用至少一个第一电源和至少一个第二电源的可变电源指示冗余地向负载提供电力。
至少一个第一电源和至少一个第二电源的电源指示的变化可使至少一个第一电源和至少一个第二电源之间的优先级关系变化。例如，状态机可限定至少一个主要电源和至少一个辅助电源之间的转变，所述至少一个辅助电源配置成响应于主要电源出故障而向负载提供电力，并且控制电路可配置成响应于控制输入而使至少一个第一电源和至少一个第二电源作为主要电源和辅助电源的指示变化。至少一个辅助电源可包含多个辅助电源，并且控制电路可配置成响应于控制输入而使所述多个辅助电源之间的优先级变化。
在一些实施例中，至少一个第一电源可包含至少一个AC电源，且至少一个第二电源可包含至少一个DC电源。至少一个开关可包含至少一个静态开关，且至少一个转换器可包含至少一个AC/DC转换器。在其它实施例中，至少一个第一电源可包含至少一个DC电源，且至少一个第二电源可包含至少一个AC电源。
额外实施例提供一种不间断电源(UPS)，其包含：第一和第二静态开关，其配置成将相应的第一和第二AC电源耦合到负载；DC/DC转换器，其具有配置成耦合到DC电源的第一端口；以及反相器，其具有耦合到DC/DC转换器的第二端口的第一端口和配置成耦合到负载的第二端口。第一和第二静态开关、DC/DC转换器和反相器可集成在单个组件中。UPS进一步包含配置成实施状态机的控制电路，所述状态机控制第一和第二静态开关、DC/DC转换器和反相器以使用第一和第二AC电源和DC电源的可变电源指示冗余地向负载提供电力。
根据一些实施例的方法包含：提供数据中心配电系统，其包含配置成将至少一个第一电源耦合到负载的至少一个开关和配置成将至少一个第二电源耦合到负载的至少一个转换器；操作状态机，所述状态机控制至少一个开关和至少一个转换器以使用至少一个第一电源和至少一个第二电源的电源指示冗余地向负载提供电力；以及响应于控制输入而使电源指示变化。至少一个第一电源和至少一个第二电源的电源指示的变化可使至少一个第一电源和至少一个第二电源之间的优先级关系变化。
附图说明
图1是说明根据一些实施例的系统的示意图。
图2是说明根据一些实施例的实施为集成UPS组件的数据中心电源系统的示意图。
图3是说明根据其它实施例的数据中心电源系统的操作的状态图。
图4是说明说明根据一些实施例的使用模块实施的数据中心电源系统的示意图。
图5是说明根据一些实施例的数据中心电源系统的操作的流程图。
图6是说明根据其它实施例的数据中心电源系统的示意图。
图7是说明根据其它实施例的数据中心电源系统DC分配的示意图。
具体实施方式
现将参看附图描述本发明主题的具体示范性实施例。然而，此本发明主题可用许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于在本文中阐述的实施例；相反地，提供这些实施例是为了使本公开将是透彻且完整的，并且这些实施例将把本发明主题的范围完整地传达给所属领域的技术人员。在图式中，相同的标号指代相同物件。应理解，当物件被称为“连接”或“耦合”到另一物件时，它可直接连接或耦合到另一物件，或可存在中间物件。如本文中所使用，术语“和/或”包含相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
本文中使用的术语仅是为了描述特定实施例，且并不意图限制本发明主题。如本文所使用，除非另外明确地陈述，否则单数形式“一”和“所述”意在还包含复数形式。应进一步理解，术语“包含(includes/including)”、“包括(comprises/comprising)”在本说明书中使用时，指定所陈述特征、整数、步骤、操作、项和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、项、部件和/或其群组的存在或添加。
除非另外定义，否则本文中所使用的所有术语(包含技术和科技术语)具有本发明主题所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。应进一步理解，如在常用词典中所定义的那些术语的术语应解释为具有与其在相关技术和本说明书的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确地定义，否则将不会以理想化或过分正式意义进行解释。
图1说明根据本发明主题的一些实施例的数据中心电源系统100。系统100包含配置成将相应的电源10耦合到负载20的一个或多个开关110。一个或多个转换器120配置成将相应的电源10耦合到负载20。一个或多个开关110和一个或多个转换器120受控制器130控制，所述控制器130配置成实施冗余状态机132，所述冗余状态机132控制一个或多个开关110和一个或多个转换器120以基于限定电源10之间的优先级关系的电源指示而冗余地向负载20提供电力。控制器130进一步配置成实施电源指示器134，所述电源指示器134响应于控制输入而改变各种电源的指示，从而使通过冗余状态机132实施的优先级关系变化，以使得在使用公共状态机的同时，从电源10冗余地提供电力的方式可以改变。控制输入可包含多种不同类型的信息中的任一种，例如，电源10的可用性量度、计划表(例如，数据、日时间等)和/或与使用电源10中的各个电源相关联的成本。
本发明主题的一些实施例可改变常规范例，根据常规范例，在数据中心中冗余地提供电力。具体来说，常规数据中心通常根据通过UPS操作的惯例建立的固定优先级排序操作，例如，主电力通常由公用电网提供，其中备电由局部电源提供，例如电池或局部柴油发动机-发电机组。相比之下，所说明的实施例可提供UPS类功能性，同时支持各种电源的优先级的动态重限定，而不改变基础冗余控制架构。因此，例如，根据一个电源指示，例如燃料电池或光伏子阵的电源可用作“辅助”电源。为了提供电源的不同优先级排序，它的指示可变成“主要”电源，且先前指示为主要电源的电源，例如公用电网，可指示为“辅助电源”，以使得当燃料电池出现故障或以其它方式不可用时，可以使用公用电网来提供备电。实体作为主要和辅助的指示可基于一个或多个控制输入而变化，例如各种电源的可用性量度、天气条件、成本及其组合。使用根据一些实施例的动态电源指示使得可以使用具有标准化冗余布置的设备，此标准化冗余布置可易于调适成用于不同应用，从而提供优于传统的固定UPS布置的潜在优势。
图2说明根据其它实施例的实施此类特征的系统。系统采用集成UPS系统200的形式，其包含第一静态开关210a和第二静态开关210b(例如，基于双向SCR的切换单元)，它们中的相应静态开关配置成将相应的AC电源10a、10b耦合到负载20。UPS系统200进一步包含DC/AC转换器，所述DC/AC转换器包含：DC/DC转换器220，其具有配置成耦合到DC电源10c的第一端口；以及反相器230，其具有耦合到DC/DC转换器220的第二端口的第一端口和配置成耦合到负载20的第二端口。DC/DC转换器220和反相器230可使用例如数个不同开关模式转换器电路中的任一个来实施。
控制器240控制静态开关210a、210b、DC/DC转换器220和反相器230。控制器240配置成实施冗余状态机242，所述冗余状态机242操作静态开关210a、210b、DC/DC转换器220和反相器230以根据电源10a、10b、10c之间建立的优先级来为负载20提供电力冗余。控制器240还实施电源指示器244，所述电源指示器244使供冗余状态机242使用的电源10a、10b、10c的指示变化，以使得电源10a、10b、10c之间的优先级关系可以改变。
图3说明可通过冗余状态机242提供的状态转变的实例。在第一状态310中，负载20由指示的主要电源供电。当主要电源不能符合第一预定准则时，状态机242将系统转变到第二状态320，其中第一指示的备用系统为负载10供电。如果主要电源之后满足第一准则，那么状态机242使系统回到第一状态310，其中主要电源再次为负载20供电。如果当在第二状态320中时，第一备用电源不能符合预定准则，那么状态机242转变成第三状态330，其中使用第二备用电源为负载供电。系统可从这一第三状态330转变回第一状态310或第二状态320，这取决于主要电源和第一备用电源的状态。应了解，提供图3中所说明的操作是出于说明的目的，所述操作在本发明主题的各种实施例中可为不同的。
可通过图2的系统200提供的动态冗余的实例通过表1说明：
表1
指示 配置#1 配置#2 配置#3 配置#4
主要 AC电源#1 DC电源 AC电源#2 AC电源#2
备用#1 DC电源 AC电源#1 DC电源 AC电源#1
备用#2 AC电源#2 AC电源#2 AC电源#1 DC电源
在各个配置1到4中，第一备用电源(备用#1)可为当主要电源出故障时最先连接到负载的辅助电源，且第二备用电源(备用#2)可为当第一备用电源出故障时连接到负载的辅助电源。应了解，电源的“故障”一般是指电源不能满足一个或多个预定准则，并且可包含例如电压降低、频偏、过多噪声含量、不充足的剩余容量(例如，电荷、燃料等)等等。
如上文所解释，控制器240可响应于一个或多个控制输入而在这些不同的电源指示之间转变。控制输入可包含数种不同类型的信息中的任一种，例如关于使用各个电源的相对成本和各个电源的相对可用性的信息。用于控制电源优先级的其它输入可包含其它参数，例如，被服务的负载的关键性。例如，尽管电源的某一优先级排序可提供最佳操作成本，但是出于负载的某一关键性和/或处于电源的某一可用性，此类优先级排序可能不被接受，从而促使转变到提供更高安全程度的优先级排序。然而，如果可用性和/或关键性改变，那么系统可转变到提供更佳性价比的优先级排序。
集成UPS系统200可用数种不同方式实施。例如，开关210a、210b、DC/DC转换器220、反相器230和控制器240可含于单个壳体内，所述壳体例如被设计成安装在数据中心电气室中。开关210a、210b、DC/DC转换器220、反相器230和/或控制器可实施为配置成安装于框架或其它结构中的模块，以使得模块的数目和/或容量可发生变化以适应特定应用。控制器240可实施为单个集中式控制器和/或可分布在其它模块之间，例如开关210a、210b、DC/DC转换器220和反相器230。应理解，一般来说，这些部件可使用模拟和数字电路的各种布置实施，包含微处理器、微控制器或其它数据处理装置。
根据其它实施例，在功能上类似于图2中所说明的系统的系统可用非集成的模块化方式实施。参考图4，系统400可包含第一静态开关模块410a和第二静态开关模块410b(例如，基于双向SCR的切换单元)，它们中的相应静态开关模块配置成将相应的AC电源10a、10b耦合到负载20。UPS系统400进一步包含DC/AC转换器模块420，所述DC/AC转换器模块420具有配置成耦合到DC电源10c的第一端口和配置成耦合到负载20的第二端口。控制器模块430配置成实施冗余状态机432，所述冗余状态机432操作静态开关410a、410b和DC/AC转换器模块420以根据电源10a、10b、10c之间建立的优先级来为负载40提供电力冗余。控制器模块430还实施电源指示器434，所述电源指示器434使供冗余状态机432使用的状态机中电源10a、10b、10c的指示变化。可为物理上接近或以较大间隔分布的模块410a、410b、420和430可使用例如以太网或CAN链路的通信链路而与彼此通信。在一些实施例中，控制器模块430的功能中的全部或一些可分布在其它模块410a、410b、420之间。
图5是说明可通过例如图2和4中所说明的那些系统的系统执行的操作的流程图。(框510)识别冗余状态机的电源实体，并从指示的“主要”电源向负载供电(框520)。响应于指示的主要电源出故障，从指示的辅助电源向负载供电(框530、540)。如果主要电源恢复，那么再次由主要电源向负载供电(框550、520)。如果检测到需要改变电源指示的事件，那么可改变电源指示(框560、570)。接着可使用新的电源指示恢复操作。
根据其它实施例，可使用除图2和4中所示的开关和转换器以外类型的电源的连接件。例如，参考图6，系统600可包含配置成将相应的AC电源10a、10b耦合到负载20的第一静态开关610a和第二静态开关610a。系统600还可包含将负载耦合到DC电源10c的DC/AC转换器630。系统600可进一步包含配置成将第三AC电源10d耦合到负载20的AC/AC转换器620。AC/AC转换器620可包含例如双转换链，其包含整流器和反相器的级联组合，并且可用于实施电力质量调节和/或变频。在一些实施例中，AC/AC转换器630可包含可执行此类功能的其它电路，例如双向离子变频器(cycloconverter)。控制器640配置成控制开关610a、610b和转换器620、630，从而实施使用由电源指示器644提供的动态电源指示的冗余状态机742。
根据又其它实施例，可在DC配电系统中使用类似技术。例如，参考图7，系统700可包含配置成将相应的DC电源10a、10b耦合到负载20的第一开关710a和第二开关710a。系统700还可包含将负载耦合到例如公用电源的AC电源10c的AC/DC转换器730。系统700可进一步包含配置成将第三DC电源10d耦合到负载20的DC/DC转换器720。控制器740配置成控制开关710a、710b和转换器720、730，从而实施使用由电源指示器744提供的动态电源指示的冗余状态机742。
在图式和说明书中，已经公开本发明主题的示范性实施例。虽然采用特定术语，但是它们仅以一般和描述性意义来使用，而不是为了限制，本发明主题的范围由所附权利要求书限定。

Claims (13)

1.一种数据中心配电系统，包括：
配置成将至少一个第一电源耦合到负载的至少一个开关；
配置成将至少一个第二电源耦合到所述负载的至少一个转换器；以及
配置成实施状态机的控制电路，所述状态机控制所述至少一个开关和所述至少一个转换器以冗余地向所述负载提供电力，其中，所述控制电路被配置成响应于控制输入而使所述状态机中使用的针对所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源的优先级指示变化，从而使得所述状态机施加至所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源的优先级变化，其中，当所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源中的一个符合两个主要电源准则时，所述优先级指示识别所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源中的一个作为主要电源，并且当所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源中的另一个符合两个主要电源准则的仅一个时，所述优先级指示识别所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源中的另一个作为辅助电源以替代所述主要电源。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述辅助电源包括多个辅助电源，并且其中所述控制电路配置成响应于所述控制输入而使所述多个辅助电源之间的优先级变化。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制输入包括成本和/或计划表。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个转换器包括DC/DC转换器和反相器的级联组合。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个开关和所述至少一个转换器包括第一和第二开关及一个转换器，所述开关和转换器与所述控制电路集成在单个组件中。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个第一电源包括至少一个AC电源，并且其中所述至少一个第二电源包括至少一个DC电源。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个第一电源包括至少一个DC电源，并且其中所述至少一个第二电源包括至少一个AC电源。
8.一种不间断电源，包括：
配置成将相应的第一和第二AC电源耦合到负载的第一和第二静态开关；
具有配置成耦合到DC电源的第一端口的DC/DC转换器；
具有耦合到所述DC/DC转换器的第二端口的第一端口和配置成耦合到负载的第二端口的反相器，所述第一和第二静态开关、所述DC/DC转换器和所述反相器集成在单个组件中；以及
配置成实施状态机的控制电路，所述状态机控制所述第一和第二静态开关、所述DC/DC转换器和所述反相器以冗余地向所述负载提供电力，其中所述控制电路被配置成响应于控制输入而使所述状态机使用的针对所述第一和第二AC电源和所述DC电源的优先级指示变化，从而使得由所述状态机施加的针对所述第一和第二AC电源和所述DC电源的优先级变化，其中，当所述第一AC电源、所述第二AC电源和所述DC电源中的至少一个符合两个主要电源准则时，所述优先级指示识别所述第一AC电源、所述第二AC电源和所述DC电源中的至少一个作为主要电源，并且当所述第一AC电源、所述第二AC电源和所述DC电源中的至少另一个符合两个主要电源准则的仅一个时，所述优先级指示识别所述第一AC电源、所述第二AC电源和所述DC电源中的至少另一个作为辅助电源以替代所述主要电源。
9.根据权利要求8所述的不间断电源，其中所述控制输入包括成本和/或计划表。
10.一种方法，包括：
提供数据中心配电系统，其包括配置成将至少一个第一电源耦合到负载的至少一个开关和配置成将至少一个第二电源耦合到所述负载的至少一个转换器；
操作状态机，所述状态机控制所述至少一个开关和所述至少一个转换器以使用所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源的优先级指示冗余地向所述负载提供电力；以及
响应于控制输入而使所述状态机使用的针对所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源的优先级指示变化，从而使得由所述状态机施加的针对所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源的优先级变化，其中，当所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源中的一个符合两个主要电源准则时，所述优先级指示识别所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源中的一个作为主要电源，并且当所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源中的另一个符合两个主要电源准则的仅一个时，所述优先级指示识别所述至少一个第一电源和所述至少一个第二电源中的另一个作为辅助电源以替代所述主要电源。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述控制输入包括成本和/或计划表。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个第一电源包括至少一个AC电源，并且其中所述至少一个第二电源包括至少一个DC电源。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个第一电源包括至少一个DC电源，并且其中所述至少一个第二电源包括至少一个AC电源。
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