CN110661332B - 一种用于计算设备的供电系统 - Google Patents
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Abstract
本申请的目的是提供一种用于计算设备的供电系统，包括：直流母线、第一整流模块、第一逆变模块、第二逆变模块和电池模块；所述第一整流模块的输出端、所述第一逆变模块的输入端、所述第二逆变模块的输入端和所述电池模块的输入端均连接至所述直流母线。本申请的用于计算设备的供电系统，可以满足灵活配置供电系统的要求。
Description
技术领域
本申请涉及计算机领域，尤其涉及一种用于计算设备的供电系统。
背景技术
不间断电源(UPS，Uninterruptible Power System)是一种含有储能装置，以整流器、逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统、数据中心等或计算设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机组内电池充电。当市电中断(事故停电)时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。
然而现有的UPS都是整机使用，无法满足灵活配置的需求。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种用于计算设备的供电系统，以解决现有UPS无法满足灵活的可用性搭配以及灵活配置的需求的问题。
根据本申请的一个方面，提供一种用于计算设备的供电系统，包括：直流母线、第一整流模块、第一逆变模块、第二逆变模块和电池模块；
所述整流模块的输出端、所述第一逆变模块的输入端、所述第二逆变模块的输入端和所述电池模块的输入端均连接至所述直流母线。
进一步，本申请所述的供电系统，还包括：第二整流模块；
其中，所述第二整流模块的输出端连接所述直流母线，所述第二整流模块的输入端连接第二市电输入或者连接备用交流电源，所述第一整流模块的输入端连接第一市电输入。
进一步，本申请所述的供电系统，所述第一逆变模块的输出端连接交流负载的一端，所述第二逆变模块连接所述交流负载的另一端。
进一步，本申请所述的供电系统，所述电池模块包括：充放电单元和储能电池单元；
所述充放电单元连接于所述直流母线和所述储能电池单元之间。
进一步，本申请所述的供电系统，还包括：直流变流模块；
所述直流变流模块的输入端连接所述直流母线，所述直流变流模块的输出端连接直流负载。
进一步，本申请所述的供电系统，所述直流母线采用闭合环形直流母线。
进一步，本申请所述的供电系统，所述直流母线设有用于隔离模块的开关。
进一步，本申请所述的供电系统，还包括：第三逆变模块和制冷系统；
所述第三逆变模块连接于所述直流母线与所述制冷系统之间。
进一步，本申请所述的供电系统，所述制冷系统省去蓄冷装置。
进一步，本申请所述的供电系统，所述直流母线为至少两条且相互独立设置。
本申请提供一种用于计算设备的供电系统，可根据实际需求，在直流母线上增减第一整流模块、第一逆变模块、第二逆变模块和电池模块的数量，以满足灵活配置供电系统的要求。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术的一供电系统的结构示意图；
图2为现有技术的另一供电系统的结构示意图；
图3为本申请实施例的用于计算设备的供电系统；
图4a为现有技术自动转换开关电器的原理示意图；
图4b为现有技术母联开关的原理示意图；
图5为现有技术中隔离变压器和不间断电源的连接示意图；
图6为现有技术的制冷系统的结构示意图；
图7为现有技术的制冷系统的电路示意图；
图8为本申请实施例的制冷系统的结构示意图；
图9为本申请实施例的制冷系统的电路示意图；
图10为本申请实施例的另一供电系统的结构示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
图1为现有技术的一供电系统的结构示意图，如图1所示，该供电系统包括：四台UPS不间断电源90，四台UPS采用2+2供电模式为负载供电。每台UPS都至少包括：整流器91、逆变器92、充放电器93、电池组94、静态旁路95和手动旁路96。采用UPS的供电系统，有个显著的缺点，即每台UPS的整流器、逆变器设计容量必须相等。图1示出，UPS系统配置的整流器91、逆变器92、充放电器93、电池组94的容量配置均为2N冗余方式。
图2为现有技术的另一供电系统的结构示意图，如图2所示，该供电系统包括：三台UPS不间断电源90，采用2+1供电模式为负载供电。每台UPS都至少包括：整流器91、逆变器92、充放电器93、电池组94、静态旁路95和手动旁路96。图2示出，UPS系统配置的整流器91、逆变器92、充放电器93、电池组94的容量配置均为N+1冗余方式。
对于图1所示2+2模式的UPS配置中，客户或许并不需要采用2+2模式的电池组94，或者整流器91本身的可用性很高，用户可以接受N+1冗余方式而不需要2N冗余方式，但用户希望逆变器9采用2N冗余方式。例如用户需要2+2供电模式的逆变器，但对于整流器和电池组，采用2+1供电模式即可满足需求。由于每台现有UPS都是整机使用，在图1、图2示出的现有的采用UPS的供电系统设计中，无法满足客户的灵活配制需求，而且多余的整流器和电池组也会带来浪费。
而且，采用UPS多台并机时，各台UPS间无法做到电池共享。例如，某UPS设有包含N组电池的电池组，作为应急电源使用。当该UPS故障时，例如整流器或逆变器发生故障，该UPS整机都无法使用，虽然该UPS的电池组毫无问题，但也不能继续参与到供电中，无法被其他UPS共享使用。例如，设每台UPS有两组电池，当采用图2所示2+1供电模式时，电池组的实际配置为4+2模式，当采用图1所示2+2模式供电时，电池组的实际配置为4+4。然而大部份情况下，4+1的电池配置也能够符合供电需要，如此就造成了电池的大量浪费。
图3为本申请实施例的用于计算设备的供电系统，如图3所示，本申请一实施例中，提供的用于计算设备的供电系统包括：直流母线1、第一整流模块21、第一逆变模块31、第二逆变模块32和电池模块4。
其中，第一整流模块21的输出端、第一逆变模块31的输入端、第二逆变模块32的输入端和电池模块4的输入端均连接至直流母线1。第一整流模块21连接第一市电输入，将交流电转换为直流电并将电能传输至直流母线1。直流母线1用于传输直流电，将电能输入第一逆变模块31和第二逆变模块32。第一逆变模块31和第二逆变模块32将直流电转换为交流电，输出至交流负载的两端。第一逆变模块31的输出端连接交流负载61的一端，所述第二逆变模块32连接所述交流负载61的另一端。交流负载可以为计算机、计算机集群、数据中心等计算设备。
通过将UPS整机解耦为各个相互独立的第一整流模块21、第一逆变模块31、第二逆变模块32和电池模块4，然后将其连接于共有的直流母线1，能够实现对于计算设备的供电系统进行灵活配置。例如，对于图1所示的2N供电模式的供电系统，用户实际并不需要2N模式的电池组，由于整流器本身可用性很高，用户也不需要2N模式的整流器，但出于计算设备持续工作的考虑，往往配置双电源，需要2N模式的逆变器。可以在图3所示的供电系统的基础上，结合图1，在直流母线1连接两个第一逆变模块31和两个第二逆变模块32为交流负载61供电，使逆变器满足2+2供电模式。同时在直流母线1上连接三个第一整流模块21，使整流器满足2+1供电模式。在储能要求较低的情况下，可以在直流母线只连接一个电池模块4。可根据实际需求，在直流母线上增减第一整流模块21、第一逆变模块31、第二逆变模块32和电池模块4的数量，以满足灵活配置供电系统的要求。具体地，当逆变器采用2N冗余方式时，采用N个第一逆变模块31的输出端连接交流负载61的一端，N个第二逆变模块32连接所述交流负载61的另一端。当逆变器采用N+X冗余方式时，采用N个第一逆变模块31的输出端连接交流负载61的一端，X个第二逆变模块32连接所述交流负载61的另一端。N、X为正整数且N≠X。第一整流模块和电池模块可根据需求灵活配置其数量。
除了上述根据供电模式对供电系统进行灵活配置外，也可根据功率容量对供电系统进行灵活配置。例如，某计算设备所需功率容量为200kW，UPS的功率容量为100kW，其逆变器和整流器的功率容量都为100kW。而本申请实施例的第一整流模块的功率容量为40kW，第一逆变模块和第二逆变模块的功率容量可以为50kW或100kW两种容量。对于采用UPS的供电系统，只能按照2x 100kW+2x 100kW的功率模式对UPS进行配置。而如果采用本申请所述的供电系统，则可按照5x 40kW+1x 40kW的功率模式对第一整流模块进行配置，并且采用4x50kW+4x 50kW或2x 100kW+2x 100kW的功率模式对第一逆变模块和第二逆变模块进行配置，可实现根据功率容量对供电系统进行灵活配置。
在本申请一实施例中，该用于计算设备的供电系统还包括：第二整流模块22。其中，所述第二整流模块的输出端连接所述直流母线1，所述第二整流模块22的输入端连接第二市电输入或者连接备用交流电源并将交流电转换为直流电传输至直流母线1，所述第一整流模块21的输入端连接第一市电输入并将交流电转换为直流电传输至直流母线1。第一市电输入与第二市电输入相互独立。
通过本申请实施例的供电系统，可以省去现有采用UPS的供电系统连接电源的自动转换开关电器(ATS，Automatic Transfer Switching Equipment)和母联开关。图4a为现有技术自动转换开关电器的原理示意图，如图4a所示，UPS一般连接市电输入U(Utility)以获取电能，同时UPS也可以连接备用发电机G(Generator)以在市电U故障时，通过备用发电机G输入电能。当在市电输入U与备用发电机G之间进行切换时，或者在两路市电输入U1、U2之间进行切换时，一般通过自动转换开关电器71(ATS)进行切换。其供电系统工作模式如下表1所示：
| 供电系统工作模式 | 开关1状态 | 开关2状态 |
| 市电U正常供电，备用发电机G不工作 | 闭合 | 断开 |
| 市电U故障，备用发电机G工作 | 断开 | 闭合 |
| 市电U1正常供电，市电U2作为后备 | 闭合 | 断开 |
| 市电U1故障，市电U2作为备用电力切换启动 | 断开 | 闭合 |
此外，为满足国家A级机房配电标准，供电系统需采用双母线供电，为确保双母线的高可用性，会配置母联开关。图4b为现有技术母联开关的原理示意图，如图4b所示，母联开关72在两路不同的进线开关之间进行三选一的自动切换，其供电系统工作模式如下表1所示：
| 供电系统工作模式 | 开关1状态 | 开关2状态 | 开关3状态 |
| 市电U1正常供电，市电U2正常供电 | 闭合 | 断开 | 闭合 |
| 市电U1故障，市电U2正常供电 | 断开 | 闭合 | 闭合 |
| 市电U1正常供电，市电U2故障 | 闭合 | 闭合 | 断开 |
如图4a、4b所示，在不同源的交流电之间会存在相位差和电压差，在一路电源故障后，ATS或母联开关会先断开故障回路，再闭合另一个回路，例如将市电输入中断后，再接通备用发电机供电，但市电输入和备用发电机不能同时并联供电，以避免备用发电机电力反馈进入市电电网。电源线路切换将导致电力短暂中断。本申请的供电系统，通过相互独立的第一整流模块和第二整流模块，或者其他更多的整流模块，将全部交流电力输入转换为直流电并输送至直流母线，一方面可以省去ATS和母联开关，另一方面也避免了电源切换导致的电力中断，可以确保电源并联运行。无论任何电源输入有故障，或者要同时调试多路电源，本申请的供电系统都可以满足持续不断地输出负载。
通过本申请实施例的供电系统，可以省去UPS的静态旁路(SSC，Static bypass)和输出隔离变压器。参考图1或2，现有UPS配置的静态旁路可确保UPS主路(逆变器和整流器)发生故障时，负载可以无缝切换到静态旁路，不会造成中断。UPS的输出零线和静态旁路的输入零线永远接在一起，确保UPS输出的交流电频率和相位一直跟踪输入。由于UPS的输入和输出零线连接在一起，如果UPS的上游零线和地线之间的电压(零地电压)过高，那么传导到UPS输出的零地电压也会过高，可能导致关键计算设备出现故障。图5为现有技术中隔离变压器和不间断电源的连接示意图，如图5所示，为解决上述问题，一般会通过在UPS配电柜的输出端增加输出隔离变压器97，以实现输入零地电压和输出零地电压之间隔离，从而保护对零地电压敏感的计算设备。本申请实施例的供电系统，所有电源输入均转换为直流电，不需要交流电相位同步和零线系统，并且一组或多组电池一直并联在环形直流母线上，整个系统不会出现断电，不需要静态旁路以确保UPS输出实时跟踪输入，也不会出现零地电压过高的问题，也就省去了隔离变压器，进而避免了静态旁路和隔离变压器带来的电力损耗，节省了能耗及供电系统成本。
在本申请一实施例中，所述电池模块4包括：充放电单元41和储能电池单元42；
所述充放电单元41连接于所述直流母线1和所述储能电池单元42之间。
其中，充放电单元41的输入端连接直流母线1，充放电单元41的输出端连接储能电池单元42。充放电单元可以采用DC/DC(直流/直流)充放电路。储能电池单元可以包括若干电池。充放电单元41将直流母线1的电力能源以直流电的形式传输至储能电池单元42存储。当来自市电输入或者备用发电机的电力能源不足时，由储能电池单元42通过充放电单元41将存储的电能输送至直流母线1，保证直流母线可以提供充足电能。
在本申请一实施例中，本申请的供电系统还包括：直流变流模块5；
所述直流变流模块5的输入端连接所述直流母1线，所述直流变流模块5的输出端连接直流负载62。
其中，对于需要连接直流负载的情况，可以通过直流变流模块5，将直流母线的电能传输至直流负载。
在本申请一实施例中，所述直流母线采用闭合环形直流母线。
其中，如图3所示，直流母线1采用闭合的环状，当直流母线上某点的模块发生故障后，直流母线依然处于连通状态，可避免单点故障引起电力中断，提高系统可靠性。
在本申请一实施例中，所述直流母线设有用于隔离模块的开关。
其中，在闭合环形直流母线上，配置用于隔离模块的开关。例如，如图3所示，第一逆变模块31与环形直流母线1的电连接点的两侧分别设有两个开关11。当第一逆变模块31故障时，通过控制开关11关断，单独隔离第一逆变模块31以排除故障。由于直流母线为闭合环形，除第一逆变模块31以外的其他模块仍可正常工作。一般在每个模块的两侧都分别设有两个开关11以进行隔离，其中的模块包括一个或多个连接至直流母线的第一整流模块、第二整流模块、第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块、电池模块、直流变流模块等。通过开关11可以使得环形直流母线上的各个供电/用电回路可以单独隔离进行检修，满足数据中心高可用性的供电系统设计要求。
在本申请一实施例中，本申请所述的供电系统，还包括：第三逆变模块32和制冷系统8。所述第三逆变模块32连接于所述直流母线1与所述制冷系统8之间。所述制冷系统8省去蓄冷装置。
其中，本申请的供电系统可以为制冷系统持续供电。图6为现有技术的制冷系统的结构示意图，图7为现有技术的制冷系统的电路示意图，如图6和图7所示，现有的制冷系统8包括：冷机81、水泵82、制冷末端83和蓄冷罐84。水泵82、冷机81、蓄冷罐84和制冷末端83通过制冷系统制冷液流道依次顺序连通。其中，冷机81和UPS连接市电等，水泵82和制冷末端83均连接至UPS输出端。例如，数据中心的制冷系统设计上，特别是冷冻水系统，市电中断切换到备用电源的过程中，制冷设备断电和输入电力恢复，设备自启动并恢复供冷需要若干分钟。而关键的信息设备很可能在这几分钟因为制冷间断而出现过热宕机。为实现不间断制冷，如图6所示，通常制冷系统会配置蓄冷罐84，将多余冷量以冷冻水存储在蓄冷罐84，如图7所示，同时回路的水泵82、制冷末端83均使用UPS供电。如图6所示，有一组或多组冷机和水泵并联在冷冻水环路上.在运行过程中不断给编号为“#1”、“#2”的蓄冷罐84充冷，同时也给编号为“#1”、“#2”的制冷末端83供冷。在冷冻站的电气系统设计上，冷机、水泵、制冷末端为满足高可用性要求，都配置有ATS。图8为本申请实施例的制冷系统的结构示意图，图9为本申请实施例的制冷系统的电路示意图，如图8和图9所示，在申请实施例的供电系统中，直流母线1通过第三逆变模块33连接制冷机81、水泵82、冷末端83，将直流母线的直流电转换为交流电输入至制冷机81、水泵82和冷末端83。由于整个供配电系统负载供电都是通过直流环形母线，并且电池模块4一直并联在环形直流母线1上，在制冷的所有组件(制冷末端83、冷机81、水泵82)供电都是不间断的，不需要配置额外的蓄冷罐设备，并且取消了全部ATS，节省成本，简化了系统和施工。
图10为本申请实施例的另一供电系统的结构示意图，如图10所示，在本申请一实施例中，所述直流母线1为至少两条且相互独立设置。
其中，为了提高系统可靠性，可以设置多条相互独立的直流母线。第一整流模块、第二整流模块、第一逆变模块、第二逆变模块、电池模块、直流变流模块、第三逆变模块都分别连接于独立的直流母线1，当任意一条母线发生故障时，并不影响整个供电系统的运行，保证系统供电稳定性。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (6)
1.一种用于计算设备的供电系统，其特征在于，包括：直流母线、第一整流模块、第二整流模块、第一逆变模块、第二逆变模块、电池模块、第三逆变模块和制冷系统；
所述第一整流模块的输出端、第二整流模块的输出端、所述第一逆变模块的输入端、所述第二逆变模块的输入端和所述电池模块的输入端均连接至所述直流母线；所述直流母线采用闭合环形直流母线；
所述第一整流模块的输入端连接第一市电输入；所述第二整流模块的输入端连接第二市电输入或者连接备用交流电源；
所述第三逆变模块连接于所述直流母线与所述制冷系统之间；所述制冷系统省去蓄冷装置。
2.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述第一逆变模块的输出端连接交流负载的一端，所述第二逆变模块连接所述交流负载的另一端。
3.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述电池模块包括：充放电单元和储能电池单元；
所述充放电单元连接于所述直流母线和所述储能电池单元之间。
4.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，还包括：直流变流模块；
所述直流变流模块的输入端连接所述直流母线，所述直流变流模块的输出端连接直流负载。
5.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述直流母线设有用于隔离模块的开关。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的供电系统，其特征在于，所述直流母线为至少两条且相互独立设置。
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