CN110165733A - 用于数据中心备用的二级电池解决方案 - Google Patents

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Abstract

公开了用于数据中心备用的二级电池解决方案。本发明涉及包括备用电源的方法、系统和装置。在一个方面，一种方法包括提供多个第一电池设备，每个第一电池设备相应地电耦合到多个服务器机架中的相应服务器机架，并且具有针对电力异常向相应机架提供电力长达第一持续时间的相应容量。提供第二电池设备，第二电池设备电耦合到所述多个服务器机架，具有针对电力异常向所述多个相应服务器机架提供电力长达第二持续时间的容量，其中所述第二持续时间长于所述第一持续时间。电力异常是主电力从额定电源电压和频率中的一个或多个偏离。

Description

用于数据中心备用的二级电池解决方案
本申请是分案申请，原案的申请号是201611100191.4，申请日是2016年12月2日，发明名称是“用于数据中心备用的二级电池解决方案”。
技术领域
本申请文件涉及备用电源。
背景技术
提供商经常使用数据中心设施来向用户提供互联网服务。数据中心(例如服务器群组)通常包含数千个服务器处理设备。在数据中心内，处理设备布置在机架中，并且每个机架可以包含数十个服务器。假设单个机架所需的功率可能在50kW的数量级，并且在数据中心中可能有数百个机架，则数据中心需要数兆瓦级的功率需求并不罕见。
数据中心设施根据使用特定数据中心的企业的停机时间成本、数据中心的拥有成本以及其他因素在关键级别上变化。通常，数据中心设施包括冗余电力系统，以在电力异常(例如，公用事业提供方断电，不稳定的公用事业电力等)的情况下向服务器提供电力。数据中心设施在电力异常期间利用机架内电池和柴油发电机提供备用电力。机架内电池的尺寸尽可能小以覆盖短持续时间的电力异常，并使电池的成本和尺寸最小化。柴油发电机设计成用于为更长持续时间的电力异常提供电力。确定在电力异常期间由哪个电源提供电力是取决于电力异常的持续时间。
发明内容
一般来说，本申请文件中描述的主题的一个创新方面可以体现在包括以下动作的方法中：提供多个第一电池设备，每个第一电池设备相应地电耦合到多个服务器机架中的相应服务器机架，并且具有针对电力异常向相应机架提供电力长达第一持续时间的相应容量。提供第二电池设备，第二电池设备电耦合到所述多个服务器机架，并且具有针对电力异常向所述多个相应服务器机架提供电力长达第二持续时间的容量，其中所述第二持续时间长于所述第一持续时间。电力异常是主电力从额定电源电压和频率中的一个或多个偏离。该方面的其他实施例包括被配置成可执行该方法的在计算机存储设备上编码的对应系统、装置和计算机程序。
可实施本申请文件中描述主题的特定实施例来实现以下优点中的一个或多个。公用事业等级的二级电池用清洁能源为数据中心提供电力。可以根据历史电力异常数据来确定第二级电池的容量。根据历史电力异常数据来确定第二级电池容量使得能够充分地设定电池尺寸，从而减小成本和未使用的资源。通常，第二级电池不需要启动时间。因此，第二级电池能够接近瞬时提供电力，从而相对于备用柴油发电机所需的容量，机架电池的容量能被降低。利用第二级电池还可以提供零排放解决方案，用于提供长期备用电力。运行柴油发电机来提供补充负载包括在柴油发电机运行期间将污染物排放到空气中。在高峰需求期间，公用事业等级的电池系统可以将电力反向提供给电力网以实现额外的成本节省。此外，公用事业等级的电池系统可以通过提供补充电力来将电力反向提供给电力网用于电力网频率调节，以校正电力网频率失衡。最后，因为柴油发电机系统尺寸必须针对数据中心的峰值容量而制定，而不考虑可能的停电持续时间，所以柴油发电机系统常常被设计过度，在其中只要有可用的燃料，柴油发电机就可以提供电力。然而，基于历史停电和持续时间的公用事业等级电池的尺寸制定使得公用事业等级的电池的容量能够适应数据中心特定的和可能的需要，这降低了与系统相关联的成本，所述系统在其他情况下浪费了不太可能被用于特定数据中心的容量。
参考附图，在下文中，陈述本申请文件描述的该主题的一个或多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求，该主题的其他特征、方面和优点将变得清楚易懂。
附图说明
图1是示出具有并入的二级电池系统的数据中心设施的框图；
图2是描述用于操作二级电池系统的过程的流程图；
图3是描述用于确定电池设备的第二持续时间和容量的过程的流程图；
图4是描述用于从公用事业去除负载并从二级电池系统提供补充电力的过程的流程图；
各个附图中相同的参考标记和名称指示相同的元件。
具体实施方式
系统提供了备用电力系统，该备用电力系统包括响应于电力异常而对负载(例如，工业负载，数据中心，服务器机架等)供电达各种持续时间的二级电池系统。通常，第一级电池能够针对较短持续时间(例如，1分钟，5分钟，10分钟等)的电力异常提供电力。第二级电池设备可向负载提供电力长达比第一级电池支持的持续时间长的电力异常持续时间(例如，1小时，3小时，1天等)，所述第二级电池设备可以是具有数兆瓦容量的公用事业等级(utility grade)电池。
该系统使第二电池能够在第一电池的电力容量用尽之前向负载提供电力。因此，系统被配置为在不中断向负载提供电力的情况下向负载提供备用电力。可以通过维护异常历史数据库来生成电力异常简档。异常历史数据库可以包括关于系统经历的每个历史电力异常的持续时间的信息。第二电池设备的容量可以利用电力异常简档并基于电力异常的持续时间来确定。第二电池设备的容量被设计成使得第二电池设备提供电力的持续时间比电力异常简档内的所有持续时间都长。
图1是具有二级电池系统的数据中心设施100的框图。设施100可以占据建筑物内的一个或多个房间或占据基本上整个建筑物。设施100足够大以安装大量(例如，数十或数百或数千)AC设备，例如计算机装备的机架120和共同构成负载的其他负载。后者的示例包括电机，冷却器，AC照明设备等。
安装的计算机的机架120布置成行且由过道分开。每个机架120包括多个处理设备。通常，每个处理设备包括主板，主板上安装有各种计算机相关的组件。设施100包括其它计算机和路由设备(未示出)以将设施耦合到诸如互联网的网络。
设施100还耦合到AC馈送114，该AC馈送114提供来自公用事业提供方50的电力，以给机架120供电。尽管示出了一个三相馈送，但是下面描述的特征也可以应用于由两相或多相馈送，以向设施提供电力。在一些实施方案中，AC馈送114利用AC电力馈送分支112-1,112-2等耦合到每个机架岛(isle of racks)上。
每个机架包括将AC电力转换成DC电力以由机架120使用的AC-DC转换器(未示出)。由于每个机架120可以容纳例如多达100个处理设备，因此每个机架120单独可以消耗大约50kW数量级的功率。
设施100还可以包括AC负载103，其利用从AC馈送114接收的AC电力。AC负载103包括集成到设施100中的各种AC负载。例如，AC负载103可以包括照明、安全系统、其它计算机和路由设备(未示出)、电机、冷却器和作为设施基础设施一部分的其他负载。
二级电池系统在电力异常的情况下为设施提供备用电源。电力异常是主电力从额定电源电压和频率中的一个或多个偏离。例如，电力异常可以包括电力停止、超过电力线上阈值的电压下降、传递到设施100的电量的减少、以及任何其他电力干扰等。
将要描述的示例电力拓扑结构仅是说明性的，并且也可以使用其他适当的电力分布拓扑结构。在一些实施方案中，二级电池系统包括：第一电池设备202，每个第一电池设备在相应的机架120中；第二电池设备204；逆变器206；开关207；和电力控制系统208。
每个第一电池设备相应地电耦合到多个服务器机架120中的相应服务器机架120，并且具有相应的容量，以针对达到第一持续时间的电力异常向相应的机架120提供电力。例如，在电力异常的情况下，每个第一电池202向其相应的服务器机架120提供电力长达第一持续时间。通常，第一持续时间是较短持续时间(例如，1分钟，5分钟，10分钟等)，该第一持续时间被选择用于处置暂时的电力异常，其中失去电力持续不超过第一持续时间的时间段。
电力控制系统208通过监测线路输入115来监测电力异常。如果持续时间开始接近第一持续时间，则电力控制系统208在第一持续时间到期之前借助控制线路118利用开关207将数据中心100与电力馈送114隔离，并从第二电池设备204和逆变器206提供电力。第二电池设备204具有下述容量：该容量针对长达第二持续时间(例如，1小时，3小时，1天等)的电力异常向多个相应的服务器机架120和AC负载103提供电力。
比第一持续时间长的第二持续时间被选择为使得第二持续时间足够长以针对可能经历的长期电力异常而向数据中心设施100提供电力。这通常需要第二电池设备204具有至少1兆瓦小时的电池容量。以下参考图3和图4将描述如何选择第二持续时间。
在一些实施方案中，第二电池设备204可以是具有至少1兆瓦小时容量的锂离子电池系统。也可以使用其他类型的电池。
逆变器206将由电池204提供的DC电力转换为AC电力以向数据中心100提供必要的电力。在一些实施方案中，第二电池设备204也向其他AC负载103供电。
在一些实施方案中，电力控制系统208包括用于对第二电池设备充电的电池充电器。通常，第二电池204由电力馈送114和集成到电力控制系统中的充电系统充电。然而，也可以使用其他充电源和拓扑结构。
一旦电力馈送114上的电力处于正常操作参数内，电力控制系统208将再次借助控制线路118利用开关207从电力馈送114恢复供电。
图2是描述操作二级电池系统200的过程300的流程图。
该过程确定电力异常的发生(302)。电力异常可以由电力控制系统208使用各种仪器(例如，电压监测传感器，电流监测传感器和其他类似机制等)来确定。当由公用事业提供的输入电力不在可接受的操作范围(例如，指定电压的+/-5％等)内时，则确定发生了电力异常。
一旦确定电力异常发生时，电力控制系统208将监测电力异常的持续时间，并且确定在第一时间段到期之前异常仍然在发生。例如，如果第一持续时间是1分钟，则电力控制系统208可以在30秒后确定异常是否仍然存在。
如果异常仍然存在，则电力控制系统2208在第一持续时间内启用第二电池设备204，以向多个相应的服务器机架120提供电力(306)。例如，电力控制系统208可以激活将数据中心100与电力馈送114隔离的开关207，并且启用第一电池202向机架120和AC负载103提供电力。在一些实施方案中，第一电池202可以集成到电路中，使得当电力控制系统208已经确定电力异常发生时，第一电池202在没有激活开关的情况下就自动向设施100提供电力。
其他条件可用于启用来自第二电池系统204的电力。例如，对于检测到的任何电力异常，电力控制系统208可以自动地将数据中心100切换到第二电池设备204。
第一持续时间的选择部分地基于使第二电池设备204向多个相应的服务器机架120提供电力的所确定的响应时间。例如，如果电力控制系统208和开关207需要30秒来启用第二电池设备204向设施提供电力，则第一电池202的第一持续时间可以被选择为至少30秒，例如45秒或者超过30秒的一些其他时间，以确保第一电池202在第二电池设备204向数据中心100提供电力之前不会耗尽。因此，第一电池设备202的第一持续时间被选择为至少足够长，以使得能够耦合到第二电池设备204的电力，其确保备用电力在没有中断的情况下被传递到设施。
第二持续时间的选择可以部分地基于异常的历史分析。基于历史分析，根据量化超过第二持续时间的电力异常似然性的似然性阈值(likelihood threshold)来选择第二持续时间。例如，如果数据中心100被设计为使得第二电池设备204的容量的似然性为0.1％，则根据历史模型，第二持续时间可能仅以0.1％的比率发生。根据第二持续时间，可以确定第二电池设备204的容量。
在一些实施方案中，电力控制系统208跟踪并记录电力异常，以创建和维持包括历史统计的电力异常简档。替代地，如果可能，可以由公用事业提供方提供电力异常简档。在一些实施方案中，可以基于由电力异常简档提供的历史统计来确定第二电池设备204的容量。
图3是描述用于确定电池设备的第二持续时间和对应容量的过程350的流程图。过程350可以在电力控制系统中或任何适当的数据处理装置中进行。
过程350确定多个服务器机架的功耗统计(352)。例如，可以确定数据中心的服务器机架的功耗(或者，替代地，整个数据中心本身的功耗)。统计可以由公用事业提供方提供，或者由数据中心100测量。例如，在预定时间内消耗的功率可以用于确定能量评级，例如X kW/H或Y MW/H等。
选择第一似然性阈值(354)，并且该过程基于历史统计确定第二持续时间(356)，该第二持续时间具有的发生似然性等于第一似然性阈值。第一似然性阈值可以是基于历史统计的发生电力异常持续特定时间长度的似然性的测量。例如，假设由公用事业提供方提供(或由数据中心100确定)的电力异常简档指示电力异常持续给定持续时间D超过1小时的似然性由以下回归方程表示：
P(D)＝(0.4*exp(D))-1
假设数据中心被设计为仅具有0.1％的机会耗尽被完全充电的第二电池系统的容量。因此，第一似然性阈值为0.1％，这又对应于大约7.82小时的持续时间。因此，当第一似然性阈值为0.1％时，第二电池系统的设计者将选择至少7.82小时或更长的第二持续时间。
过程350基于建模第二持续时间(modeled second duration)和功耗统计来确定建模容量(358)。例如，假设数据中心的功耗为500KWH，并且设计者选择8小时作为第二持续时间。第二电池设备204的容量则为4MWH。第二电池设备204的容量被选择为向数据中心100提供足够的电力达到预测电力异常的持续时间。
在一些情况下，电力网可能变为受到压力的(例如，经历电压降，缺乏来自电力网的电力所提供的电流等)，因为对电力的需求接近公用事业50产生的最大电量。数据中心100在一些情况下可以从第二电池设备204反向地向电力网提供需求响应电力。在其他情况下，电力网频率可能由于波动的负载需求而导致频率失衡。数据中心的第二电池设备204可以向电力网提供必要的电力以平衡电力网频率。
图4是描述用于从公用事业去除负载并从二级电池系统提供补充电力的过程400的流程图。电力控制系统208可以确定向主电力提供电力的电力网的需求响应条件被满足(402)。电力网的需求响应条件可以是电力网的过需求条件、或者是电力网达到临界电力传递状态，该状态中对电力的需求接近或已经达到可用于在电力网上消耗的电量。可以由公用事业来向控制系统208通知需求条件已满足。
响应于确定需求响应条件被满足，电力控制系统208促使第二电池设备204向多个服务器机架120提供至少部分电力，以从电力网去除至少等于由第二电池设备204提供的所述部分电力(404)的负载。例如，电力控制系统208允许第二电池设备204向数据中心100大约50％的负载提供电力。这使得从网看去的数据中心的总体负载减少了50％。
在一些实施方案中，需求响应可以是在需求响应时间期间没有观察到电力异常的似然性的条件。这是为了确保在当经历电力异常的似然性在该时间是不可接受程度的高时通过提供需求响应缓解期间，电池设备204没有耗尽其电量。
在本申请文件中描述的主题和操作的实施例可以在数字电路中或在计算机软件、固件或硬件中实施，包括在本申请文件中公开的结构及其结构等同物，或者其中一个或多个的组合体。在本申请文件中描述的主题的实施例可以一个或多个计算机程序，即计算机程序指令的一个或多个模块实施，该指令在计算机存储媒介上编码，用来由数据处理装置执行，或控制数据处理装置的操作。
在本申请文件中描述的操作可以实施作为由数据处理装置对存储在一个或多个计算机可读存储设备上或从其他源接收的数据执行的操作。
计算机程序(也称为程序，软件，软件应用，脚本或代码)可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，声明性或过程性语言，并且计算机程序可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块，组件，子例程，对象或其他适合在计算环境中使用的单元。计算机程序可以对应于文件系统中的文件，但不需要一定对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中，或存储在专用于所述程序的单个文件中，或存储在多个协同文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码的一部分的文件)。计算机程序可以被部署成在一台计算机上执行，或在多台计算机上执行，所述多台计算机位于一个地点或分布在多个地点并且通过通信网络互连。
本申请文件中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个计算机处理器来执行，该计算机处理器通过对输入数据进行操作并生成输出数据来执行一个或多个计算机程序从而执行动作。处理和逻辑流程也可以由专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(应用专用集成电路))来执行，并且装置也可以以上述专用逻辑电路实施。
适合于执行计算机程序的处理器包括，例如通用和专用微处理器，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器和/或随机存取存储器接收指令和数据。计算机的基本元件是用于根据指令执行动作的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备，例如磁盘，磁光盘或光盘，或者可操作地耦合以从一个或多个大容量存储设备接收数据或向其传送数据。然而，计算机不需要必须具有这样的设备。适合于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，例如包括：半导体存储器设备，例如EPROM，EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。
尽管本申请文件包含许多具体实施细节，但是这些不应被解释为对任何特征或者可以要求的保护范围的限制，而应被解释为对特定实施例特定的特征的描述。在本申请文件的不同实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实施或以任何合适的子组合来实施。此外，虽然上述描述的特征在某些组合中实施并且甚至最初作为保护请求来声明，但是在一些情况下，请求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中排除，并且请求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘操作，但是这不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序或以顺序的次序执行，或者所有示出的操作被执行以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这样的分离，并且应当理解的是，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。
因此，已经描述了该主题的特定实施例。其他实施例在所附权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中所述的操作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。另外，附图中描绘的过程不一定需要按所示的特定顺序或次序来实现期望的结果。在某些实施例中，多任务和并行处理可能是有利的。

Claims (16)

1.一种系统，包括：
多个第一电池，每个第一电池相应地电耦合到多个服务器机架中的相应服务器机架，并且具有针对第一电力异常向所述相应服务器机架提供电力长达第一持续时间的相应容量；
第二电池，所述第二电池电耦合到所述多个服务器机架，并且具有针对第二电力异常向所述多个相应服务器机架提供电力长达第二持续时间的容量，其中所述第二持续时间长于所述第一持续时间，其中每个电力异常是主电力从额定电源电压和频率中的一个或多个偏离；以及
用于执行操作的电力控制系统，所述操作包括：
针对多个服务器机架并且基于观察到的电力异常，确定电力异常简档，所述电力异常简档描述所述观察到的电力异常的历史统计；以及
基于所述观察到的电力异常的所述历史统计来选择所述第二电池的容量，使得所述第二电池向所述多个服务器机架提供电力持续任何未来电力异常的持续时间的似然性满足似然性阈值。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，基于所述历史统计来选择第二电池的容量包括：
确定所述多个服务器机架的功耗统计；
选择所述似然性阈值；
基于所述历史统计来确定建模第二持续时间，所述建模第二持续时间具有等于所述似然性阈值的发生似然性；
基于所述建模第二持续时间和所述功耗统计，确定建模容量；以及
选择所述建模容量作为所述第二电池的所述容量。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力控制系统还用于执行操作，所述操作包括：
确定所述第一电力异常正在发生；以及
响应于确定所述第一电力异常正在发生，在所述第一持续时间内，启用所述第二电池来向所述多个相应服务器机架提供电力。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电力控制系统进一步操作用于执行操作，所述操作包括:
确定所述电力控制系统促使所述第二电池向所述多个相应服务器机架提供电力的响应时间；以及
部分地基于所述响应时间来选择所述第一持续时间。
5.根据权利要求1所述的系统，其中第二电池具有至少1兆瓦小时的电池容量。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力控制系统还用于执行操作，所述操作包括：
确定向所述主电力提供电力的电力网的需求响应条件被满足；以及
响应于确定所述需求响应条件被满足，促使所述第二电池向所述多个服务器机架提供至少部分电力，以从所述电力网去除至少等于由所述第二电池提供的所述部分电力的负载。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：开关，所述开关将所述第二电池电耦合到所述电力网，其中所述电力控制系统还用于执行操作，所述操作包括：
确定所述第一电力异常正在发生；以及
响应于确定所述第一电力异常正在发生，启用所述开关来启用所述第二电池向所述电力网提供电力。
8.根据权利要求1所述的系统，其中每个电力异常包括：电力网频率失衡、所述电力网上的电压降、或者在由所述电力网提供的电力内缺乏足够的电流。
9.一种方法，包括：
提供多个第一电池，每个第一电池相应地电耦合到多个服务器机架中的相应服务器机架，并且具有针对第一电力异常向所述相应服务器机架提供电力长达第一持续时间的相应容量；以及
提供第二电池，第二电池电耦合到所述多个服务器机架，并且具有针对第二电力异常向所述多个服务器机架提供电力长达第二持续时间的容量，其中所述第二持续时间长于所述第一持续时间，其中每个电力异常是主电力从额定电源电压和频率中的一个或多个偏离；以及
针对多个服务器机架并且基于观察到的电力异常，确定电力异常简档，所述电力异常简档描述所述观察到的电力异常的历史统计；以及
基于所述观察到的电力异常的所述历史统计来选择所述第二电池的容量，使得所述第二电池向所述多个服务器机架提供电力持续任何未来电力异常的持续时间的似然性满足似然性阈值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，基于所述历史统计来选择第二电池的容量包括：
确定所述多个服务器机架的功耗统计；
选择所述似然性阈值；
基于所述历史统计来确定建模第二持续时间，所述建模第二持续时间具有等于所述似然性阈值的发生似然性；
基于所述建模第二持续时间和所述功耗统计，确定建模容量；以及
选择所述建模容量作为所述第二电池的所述容量。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
确定所述第一电力异常正在发生；以及
响应于确定所述第一电力异常正在发生，在所述第一持续时间内启用所述第二电池向所述多个相应服务器机架提供电力。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
确定所述电力控制系统促使所述第二电池向所述多个相应服务器机架提供电力的响应时间；以及
部分地基于所述响应时间来选择所述第一持续时间。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二电池具有至少1兆瓦小时的电池容量。
14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
确定向所述主电力提供电力的电力网的需求响应条件被满足；以及
响应于确定所述需求响应条件被满足，促使所述第二电池向所述多个服务器机架提供至少部分电力，以从所述电力网去除至少等于由所述第二电池提供的所述部分电力的负载。
15.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
确定所述第一电力异常正在发生；以及
响应于确定所述第一电力异常正在发生，启用开关来启用所述第二电池向所述电力网提供电力，其中，所述开关将所述第二电池电耦合到所述电力网。
16.根据权利要求9所述的方法，其中每个电力异常包括：电力网频率失衡、所述电力网上的电压降、或者在由所述电力网提供的电力内缺乏足够的电流。
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