CN108923409A - 直流供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直流供电系统，其特征在于，包括至少一第一输入源和一第二输入源、移相变压器组、整流器组和监控模块；移相变压器组用于将第一输入源或第二输入源输入的中压交流电转换为低压交流电后输出；整流器组用于将所对应的移相变压器输出的低压交流电整流为低压直流电后输出；变压器组和整流器组均设置于一供电箱/柜中，或移相变压器组和整流器组分别设置于两相邻供电箱/柜中；监控模块对移相变压器组和整流器组的工作状态进行监控。通过采用本发明的直流供电系统，将移相变压器、整流器和监控模块有机整合成模块化系统，降低线路传输损耗和布线成本，通过监控模块对系统中各个模块组件进行实时监控，提高系统运行稳定性。

Description

直流供电系统
技术领域
本发明涉及供配电技术领域，特别涉及一种直流供电系统。
背景技术
大型数据中心的功率容量一般在几十MW级别，因为其负载的特点，大型数据中心的供配电对可靠性要求很高，以保证整个机房在AC电网故障或异常时，均能够可靠供电。同时也要求具有很高的供电效率，以减少机房在运维时的费用。
当前常用的数据中心供配电系统的架构是：电网结合发电机、采用AC UPS(含电池)或DC UPS(含电池)给数据中心设备供电。为了进一步提高供电的可靠性，发电机、UPS以及配电单元均需要考虑冗余设计。
现有的方案中，数据中心供配电系统的输入均和工频变压器组相连，工频变压器组和整流器组相连，工频变压器组和整流器组分散在机房相距较远的位置，有时甚至在不同楼层，在冗余配置上十分复杂，两者之间的布线也十分复杂，线路长度过长，造成线路成本和损耗均很高，整个供电系统在效率和可靠性上有所欠缺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流供电系统，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的上述技术问题，减少变压器组和整流器组之间的线路复杂程度，降低线路成本和损耗，提高供电系统的稳定性和可靠性。
本发明的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的第一个方面，提供一种直流供电系统，包括：
至少一第一输入源和一第二输入源；
移相变压器组，包括至少一个移相变压器，所述第一输入源和所述第二输入源分别通过一第一开关和一第二开关与所述移相变压器组相连，所述移相变压器用于将第一输入源和/或第二输入源输入的中压交流电转换为低压交流电后输出；
整流器组，包括至少一个整流器，所述整流器用于将所对应的移相变压器输出的低压交流电整流为低压直流电后输出；所述移相变压器组和所述整流器组均设置于一供电箱/柜中，或所述移相变压器组和所述整流器组分别设置于两相邻供电箱/柜中，两相邻供电箱/柜之间的距离小于1米；
监控模块，所述监控模块包括移相变压器监控单元和整流器监控单元，所述变压器监控单元用于获取所述移相变压器组的温度监测数据、电压监测数据和电流监测数据中的至少一种，所述整流器监控单元用于获取所述整流器的电压、电流和温度监测数据中的至少一种。
可选地，所述监控模块和所述整流器组设置于一供电箱/柜中。
可选地，包括两个变压器组和两个整流器组，所述两个变压器组分别为第一移相变压器组和第二移相变压器组，所述两个整流器组分别为第一整流器组和第二整流器组；
所述第一开关第一端与所述第一输入源相连，所述第一开关第二端与所述第二开关第二端相连，所述第二开关的第一端与所述第二输入源相连；
第三开关，所述第三开关的第一端与所述第一开关第二端相连，所述第三开关第二端与所述第一移相变压器组相连；
第四开关，所述第四开关的第一端与所述第一开关第二端相连，所述第四开关第二端与所述第二移相变压器相连；
通过控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关，使得所述第一移相变压器组用于将所述第一输入源或所述第二输入源的中压交流电转换成低压交流电后输出，所述第二移相变压器组用于将所述第一输入源或所述第二输入源的中压交流电转换成低压交流电后输出；
所述第一整流器组用于将所述第一移相变压器组输出的低压交流电整流为低压直流电后输出；所述第二整流器组用于将所述第二移相变压器组输出的低压交流电整流为低压直流电后输出。
可选地，还包括配电单元，所述配电单元用于将所述整流器输出的低压直流电分配至各个负载。
可选地，所述监控模块和所述配电单元设置于一供电箱/柜中。
可选地，所述监控模块还包括配电监控单元，所述配电监控单元用于获取所述配电单元的空开状态和/或熔丝状态。
可选地，还包括蓄电池，所述蓄电池的充放电端与所述配电单元电连接；
所述配电单元与所述整流器连接的端口有低压直流电输入，且所述蓄电池的剩余电量小于预设阈值时，所述配电单元通过所述蓄电池的充放电端对所述蓄电池充电；
所述配电单元与所述整流器连接的端口无低压直流电输入时，所述配电单元通过所述蓄电池的充放电端获取所述蓄电池中的电能并分配至各个负载。
可选地，所述监控模块还包括蓄电池监控单元，所述蓄电池监控单元用于监控所述蓄电池的电压并监控蓄电池充放电的电流。
可选地，所述监控模块还包括配电监控单元和蓄电池监控单元，所述移相变压器组、整流器组、配电单元、蓄电池和监控模块均设置于同一所述供电箱/柜中；
所述供电箱/柜的电源输出端口与所述配电单元的输出端相连接。
可选地，所述供电箱/柜的壳体上还设置有报警信号端口，所述报警信号端口与所述监控模块相连接。
通过采用本发明的直流供电系统，将移相变压器组、整流器组和监控模块集成在一起，以模块化地方式将中压市电或其他输入源以更高效和更可靠的方式转为数据中心所需的直流电；减少各个模块组件之间的线路复杂程度，降低线路成本和损耗；通过监控模块对系统中各个模块组件的工作状态进行监控，提高供电系统的稳定性和可靠性。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1为本发明一实施例的一种直流供电系统的结构示意图；
图2为本发明另一实施例的直流供电系统的结构示意图；
图3为本发明又一实施例的直流供电系统的结构示意图；
图4为本发明再一实施例的直流供电系统的结构框图。
附图标记：
实施例1
A01 市电输入源
A02 柴油发电机输入源
M01 工频变压器组
M02 整流器组
M03 负载
实施例2～4
A1 第一输入源 K1 第一开关
A2 第二输入源 K2 第二开关
M1 移相变压器组 K31 第三开关的第一子开关
M11 第一移相变压器组 K32 第三开关的第二子开关
M12 第二移相变压器组 K41 第四开关的第一子开关
M2 整流器组 K42 第四开关的第二子开关
M21 第一整流器组 M5 蓄电池
M22 第二整流器组
M3 监控模块
M4 负载
M41 第一负载
M42 第二负载
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的结构、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、部件或者操作以避免模糊本发明的各方面。
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种直流供电系统，以模块化的方式将中压交流电或其他输入源以更高效和更可靠的方式转为数据中心所需的直流电。中压交流电电压在6kV至35kV之间。
如图1所示，为一种采用DC UPS的冗余设计的供电系统的示意图。其中A01表示电网提供的输入电源，A02表示柴油发电机提供的输入电源，电网结合发电机提供可靠的10kVac中压母线网，中压母线网下游采用工频变压器组M01将中压交流电转换为380Vac/400Vac的交流电，然后通过整流器组M02将交流电转换为270Vdc或380Vdc的直流电，然后分配至负载M03，此处整流器组采用包括电池的DC UPS，电池直接并在DC母线上，以保证供电的不间断性。同一个负载，分别有2路DC母线来提供电力(1+1冗余)，以提高供电可靠性。在此实施例中，工频变压器组和整流器组分散在机房相距较远的位置，有时甚至在不同楼层，在冗余配置上十分复杂，整个供电系统在效率和可靠性上有所欠缺，因此下方提出了一种模块化的方式。
如图2所示，本发明另一实施例提供了一种直流供电系统，包括：
第一输入源A1和第二输入源A2，输入中压交流电；
移相变压器组M1，包括至少一个移相变压器，所述第一输入源A1和所述第二输入源A2分别通过一第一开关K1和一第二开关K2与所述移相变压器组M1相连，所述移相变压器用于将第一输入源A1和/或第二输入源A2输入的中压交流电转换为低压交流电后输出；
整流器组M2，包括至少一整流器，所述整流器用于将所对应的移相变压器输出的低压交流电整流为低压直流电后输出，因此，一个移相变压器和一个整流器共同组成了一个功率转换模块，可以实现将一路中压交流电转换为低压直流电后输出；
监控模块M3，所述监控模块M3包括移相变压器监控单元和整流器监控单元，所述变压器监控单元用于获取所述移相变压器组M1的温度监测数据、电压监测数据和电流监测数据中的至少一种，所述整流器监控单元用于获取所述整流器M2的电压、电流和温度监测数据中的至少一种。
本发明选择移相变压器M1，作为供电系统中将中压交流电转换为低压交流电的组件，相比于现有技术中采用的工频变压器M01，可以进一步提高转换过程中的功率因数。由于每个移相变压器副边有6个绕组，接线十分复杂，如果与整流器距离很远，则两者之间的走线十分繁杂，线路过长，从而会造成线路的成本和损耗过高。
因此，在本发明中，将移相变压器组M1和整流器组M2模块化，并进一步将所述移相变压器组M1和所述整流器组M2均设置于一供电箱或供电柜中，或所述移相变压器组M1和所述整流器组M2分别设置于两相邻供电箱或供电柜中，且两相邻供电箱或供电柜之间的距离小于1米。通过将移相变压器组M1和整流器组M2模块化后有机整合成一个完整的系统，从中压交流电的输入到低压直流电的输出为一个整体，从而降低了线路布局的复杂程度，大大缩短了线路长度，减少了线路成本和损耗。同时，由于走线更为简单，也提高了整体直流供电系统的稳定性和安全性，可以显著提高直流供电系统的效率和可靠性。
在该实施例中，每个负载M4的直流供电线路都有两路，而该两路分别来自于两个功率变换模块，相当于1+1冗余，进一步有效提高了对负载供电的可靠性。
第一输入源A1和第二输入源A2可以根据需要选择不同的电源输入。在一实施方式中，第一输入源A1为来自电网的市电输入源，第二输入源A2为来自柴油发电机的输入源。并且通过第一开关K1可以实现市电输入源的接入和切断，通过第二开关K2可以实现柴油发电机输入源的接入和切断。柴油发电机输入源可以作为市电输入源的备用电源，进一步有效提高了对负载供电的可靠性。
在另一实施方式中，第一输入源A1为来自电网1的市电输入源1，第二输入源A2为来自电网2的市电输入源2，即可以采用来自不同电网的市电电源相互备份，在使用时，选择一个当前时段更加稳定的电网经过该直流供电系统后为负载供电，另一个作为备用，进一步有效提高了对负载供电的可靠性。
此处仅为一种实施方式，在实际应用中，可以进一步增加输入源的数量，或选择其他类型的输入源，提供更加有效可靠的中压交流输入源，均属于本发明的保护范围之内。
另外，该实施例中，为了示例，仅示出了一个负载，并为该负载配置了一套冗余功率转换模块，然而在应用中，负载的数量可以根据需要进行配置，并且可以根据需要的变化进行增减，每个负载的冗余配置也可以不同，例如为每个负载设置一套冗余功率转换模块或设置多套冗余功率转换模块均是可以的，均属于本发明的保护范围之内。
进一步地，采用本发明的直流供电系统，也可以实现十分方便地扩容。如图3所示，为本发明又一实施例的直流供电系统的结构示意图，其相比于前一个实施例，区别在于进一步对负载进行了扩容。此处，在一个负载M41的基础上，新增加一个负载M42。为每个负载配置一个功率转换模块(移相变压器+整流器)即可实现该负载的直流供电。第一开关K1的第一端的第一端与第一输入源A1相连接，第一开关K1的第二端与第二开关K2的第二端相连接，第二开关K2的第一端与第二输入源A2相连接，第三开关的第一子开关K31的第一端与第一开关K1的第二端相连接，第三开关的第一子开关K31的第二端与移相变压器M11的输入端相连接，移相变压器M11的输出端通过整流器M21后为负载M41供电。第四开关K41的第一端与第一开关K1的第二端相连接，第四开关的第一子开关K41的第二端与移相变压器M12的输入端相连接，移相变压器M12的输出端通过整流器M22后为负载M42供电，第三开关的第一子开关K31和第四开关的第一子开关K41实现了两个负载的功率转换模块与输入源之间的电流通断控制。进一步地，为了实现供电系统的冗余配置，提高供电的可靠性和稳定性，每个负载还设置了一个冗余的功率转换模块。如图中示出的，移相变压器M13和整流器M23组成了负载M41的备用功率转换模块，移相变压器M14和整流器M24组成了负载M42的备用功率转换模块，并且通过第三开关的第二子开关K32和第四开关的第二子开关K42控制此两处备用功率转换模块与输入源之间的电流通断。具体地，第三开关的第二子开关K32的第一端与第二开关K2的第二端相连接，第三开关的第二子开关K32的第二端与移相变压器M13的输入端相连接，因此第三开关的第二子开关K32控制输入源与负载M41的备用功率转换模块之间的电流通路。第四开关的第二子开关K42的第一端与第二开关K2的第二端相连接，第四开关的第二子开关K42的第二端与移相变压器M14的输入端相连接，因此第四开关的第二子开关K42控制输入源与负载M42的备用功率转换模块之间的电流通路。
在该实施例中，为了简单说明，仅示出了两个负载，并且每个负载设置了两个功率转换模块(一个主用，一个备用)。在实际应用中，负载的数量可以根据实际需要或供电系统的供电能力进行配置，只需要对应增加功率转换模块的数量即可，并且每个负载的功率转换模块的数量也可以根据需要配置。负载M41的功率转换模块包括第一移相变压器组(包括至少一个移相变压器，该实施例中为移相变压器M11和移相变压器M13)和第一整流器组(包括与第一移相变压器组的变压器一一对应的整流器，该实施例中移相变压器M21和M23)，并且负载M41的功率转换模块通过第三开关与输入源相连接，第三开关可以是单独的一个开关，控制第一移相变压器组与输入源之间的电流通断，也可以是与第一移相变压器组中的移相变压器一一对应的多个开关(该实施例中为第三开关的第一子开关K31和第三开关的第二子开关K32)，分别控制对应的移相变压器与输入源之间的电流通断，同样地，负载M42的功率转换模块包括第二移相变压器组(包括至少一个移相变压器，该实施例中为移相变压器M12和移相变压器M14)和第二整流器组(包括与第二移相变压器组的变压器一一对应的整流器，该实施例中为整流器M22和整流器M24)，并且负载M42的功率转换模块通过第四开关与输入源相连接，第四开关可以为单独的一个开关，控制第二移相变压器组与输入源之间的电流通断，也可以是与第二移相变压器组中的移相变压器一一对应的多个开关(该实施例中为第四开关的第一子开关K41和第四开关的第二子开关K42)，分别控制对应的移相变压器与输入源之间的电流通断。
在一实施例中，相比于前两个实施例，区别在于，在直流供电系统中进一步增加了配电单元和蓄电池M5。其中，配电单元用于将整流器组输出的低压直流电分配至各个负载，配电单元与整流器组相连。蓄电池M5的充放电端与配电单元电连接，配电单元与整流器连接的端口有低压直流电输入，且蓄电池M5的剩余电量小于预设阈值时，配电单元可以通过蓄电池M5的充放电端对蓄电池充电。而当配电单元与整流器连接的端口无低压直流电输入时，配电单元通过蓄电池M5的充放电端获取蓄电池中的电能，并分配至各个负载。因此，配电单元有两种工作模式：输入源供电模式和蓄电池供电模式，并且在输入源供电模式下，可以由输入源对欠电的蓄电池进行充电。蓄电池M5可以实现在输入源没有电能输入时，为各个负载紧急供电，保证各个负载的工作稳定性，并且也可以在输入源输入电压不稳定时，通过蓄电池M5为负载提供稳定的电流，等输入源输入电压恢复稳定后，配电单元再切回至输入源供电模式。
如图4所示，为本发明再一实施例的直流供电系统的结构框图。在该实施例中，监控模块进一步包括配电单元监控单元，用于获取所述配电单元的空开状态和/或熔丝状态，实现对配电单元的工作状态进行实时监控。监控模块进一步包括蓄电池监控单元，用于监控蓄电池的电压，并监控蓄电池充放电的电流，从而对蓄电池的剩余电量和工作状态进行监控。
进一步地，所述配电单元和所述监控模块可以设置于一个供电箱或供电柜中。再进一步地，所述配电单元、蓄电池、移相变压器组、整流器组和监控模块均设置于同一个供电箱或供电柜中。从而实现了整体直流供电系统的集成化和模块化，并且通过监控模块实现整个直流供电系统的状态监控，实现对调压整流部分的电压、电流和开关机进行实时控制，确保整个系统给数据中心提供准确可靠的电力。
更进一步地，在所述供电箱或所述供电柜的壳体上还设置有报警信号端口，所述报警信号端口与所述监控模块相连接，当所述监控模块所测量得到的参数超出了预设阈值范围之外时，可以通过所述报警信号端口向外发出报警信号。
综上所述，通过采用本发明的直流供电系统，将移相变压器组、整流器组和监控模块集成在一起，以模块化地方式将中压市电或其他输入源以更高效和更可靠的方式转为数据中心所需的直流电；减少各个模块组件之间的线路复杂程度，降低线路成本和损耗；通过监控模块对系统中各个模块组件的工作状态进行监控，提高供电系统的稳定性和可靠性。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种直流供电系统，其特征在于，包括：
至少一第一输入源和一第二输入源；
移相变压器组，包括至少一个移相变压器，所述第一输入源和所述第二输入源分别通过一第一开关和一第二开关与所述移相变压器组相连，所述移相变压器用于将第一输入源和/或第二输入源输入的中压交流电转换为低压交流电后输出；
整流器组，包括至少一个整流器，所述整流器用于将所对应的移相变压器输出的低压交流电整流为低压直流电后输出；所述移相变压器组和所述整流器组均设置于一供电箱/柜中，或所述移相变压器组和所述整流器组分别设置于两相邻供电箱/柜中，两相邻供电箱/柜之间的距离小于1米；
监控模块，所述监控模块包括移相变压器监控单元和整流器监控单元，所述变压器监控单元用于获取所述移相变压器组的温度监测数据、电压监测数据和电流监测数据中的至少一种，所述整流器监控单元用于获取所述整流器的电压、电流和温度监测数据中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的直流供电系统，其特征在于，所述监控模块和所述整流器组设置于一供电箱/柜中。
3.根据权利要求1所述的直流供电系统，其特征在于，包括两个变压器组和两个整流器组，所述两个变压器组分别为第一移相变压器组和第二移相变压器组，所述两个整流器组分别为第一整流器组和第二整流器组；
所述第一开关第一端与所述第一输入源相连，所述第一开关第二端与所述第二开关第二端相连，所述第二开关的第一端与所述第二输入源相连；
第三开关，所述第三开关的第一端与所述第一开关第二端相连，所述第三开关第二端与所述第一移相变压器组相连；
第四开关，所述第四开关的第一端与所述第一开关第二端相连，所述第四开关第二端与所述第二移相变压器相连；
通过控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关，使得所述第一移相变压器组用于将所述第一输入源或所述第二输入源的中压交流电转换成低压交流电后输出，所述第二移相变压器组用于将所述第一输入源或所述第二输入源的中压交流电转换成低压交流电后输出；
所述第一整流器组用于将所述第一移相变压器组输出的低压交流电整流为低压直流电后输出；所述第二整流器组用于将所述第二移相变压器组输出的低压交流电整流为低压直流电后输出。
4.根据权利要求1所述的直流供电系统，其特征在于，还包括配电单元，所述配电单元用于将所述整流器输出的低压直流电分配至各个负载。
5.根据权利要求4所述的直流供电系统，其特征在于，所述监控模块和所述配电单元设置于一供电箱/柜中。
6.根据权利要求4所述的直流供电系统，其特征在于，所述监控模块还包括配电监控单元，所述配电监控单元用于获取所述配电单元的空开状态和/或熔丝状态。
7.根据权利要求4所述的直流供电系统，其特征在于，还包括蓄电池，所述蓄电池的充放电端与所述配电单元电连接；
所述配电单元与所述整流器连接的端口有低压直流电输入，且所述蓄电池的剩余电量小于预设阈值时，所述配电单元通过所述蓄电池的充放电端对所述蓄电池充电；
所述配电单元与所述整流器连接的端口无低压直流电输入时，所述配电单元通过所述蓄电池的充放电端获取所述蓄电池中的电能并分配至各个负载。
8.根据权利要求7所述的直流供电系统，其特征在于，所述监控模块还包括蓄电池监控单元，所述蓄电池监控单元用于监控所述蓄电池的电压并监控蓄电池充放电的电流。
9.根据权利要求1所述的直流供电系统，其特征在于，所述监控模块还包括配电监控单元和蓄电池监控单元，所述移相变压器组、整流器组、配电单元、蓄电池和监控模块均设置于同一所述供电箱/柜中；
所述供电箱/柜的电源输出端口与所述配电单元的输出端相连接。
10.根据权利要求9所述的直流供电系统，其特征在于，所述供电箱/柜的壳体上还设置有报警信号端口，所述报警信号端口与所述监控模块相连接。
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