CN111130211A - 一种用于数据中心设备的交流不间断供电电源及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开并提供了一种结构简单、满足负载不间断供电要求、可靠性高，在电网正常情况下，运行时基本上无损耗、无噪音、不产生热源的用于数据中心设备的交流不间断供电电源及方法。本发明采用机械开关和人工过零灭弧技术相结合的设计，包括机械开关FS、人工灭弧单元含储能电容器C、电力电子开关SCR、功率二极管D、限流电抗器L、充电单元CDD、过电压保护单元NR等。本发明利用机械式快速开关通流能力强、运行时无损耗、无发热、无噪声以及电力电子开关速度快等特点，将两种开关结合在一起，组合成机电组合式快速开关，实现低损耗、分闸时间小于3ms的要求。本发明应用于交流不间断供电的技术领域。

Description

一种用于数据中心设备的交流不间断供电电源及方法
技术领域
本发明涉及一种交流不间断供电的技术领域,特别涉及一种用于数据中心设备的交流不间断供电电源及方法。
背景技术
随着高端制造、信息技术等的发展，设备对供电可靠性要求越来越高，并且负荷的功率也越来越大。如人们对数据存储、云计算等需求日益剧增，造成数据中心的建设规模越来越大。但数据中心的服务器、存储器等设备耗电量巨大、要求供电可靠性很高及不间断供电，因此数据中心的供电电源设计都是通过串联型UPS或高压直流电源对其供电。在电网正常情况下，串联型UPS或高压直流电源需全额承担负载功率，而串联型UPS和高压直流的电源效率约为92%-95%，运行时发出较大的热量和较大的噪音，消耗大量的无用能源，造成较大的经济损失，据不完全统计，每年我国仅数据中心由于电源的效率损失约100多亿度电。
如何在满足数据中心设备对电源高可靠性要求下，提高供电电源的效率是我们要解决的课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、满足负载不间断供电要求、可靠性高，在电网正常情况下，运行时基本上无损耗、无噪音、不产生热源的用于数据中心设备的交流不间断供电电源及方法。
本发明所采用的技术方案是：所述用于数据中心设备的交流不间断供电电源包括机械式快速开关FS、第一出线开关K1、第二出线开关K2、储能单元BAT、逆变器PCS、维修旁路开关PK及人工过零灭弧单元，所述人工过零灭弧单元含储能电容器C、电力电子开关SCR、功率二极管D、限流电抗器L、充电单元CDD、过电压保护单元NR；所述第一出线开关K1的入线端与电网连接，所述第一出线开关K1的出线端依次与所述快速开关FS和所述第二出线开关K2串联，所述第二出线开关K2的出线端与负载连接；所述人工过零灭弧单元中的所述储能电容器C、所述电力电子开关SCR、所述限流电抗器L串联后与所述机械开关FS并联，所述功率二极管D与所述电力电子开关SCR并联，所述充电单元CDD与所述储能电容器C并联，所述过电压保护单元NR与机械开关FS并联，所述人工过零灭弧单元与机械式快速开关FS并联组合成机电组合式快速开关；所述储能单元BAT与所述逆变器PCS串联后并联在所述快速开关FS和所述第二出线开关K2之间；所述维修旁路开关PK与所述第一出线开关K1的入线端和所述第二出线开关K2的出线端并联。
所述机电组合式快速开关总的分闸时间为所述机械快速开关FS的固有分闸时间和所述人工过零灭弧单元的人工过零灭弧时间的总和，所述机电组合式快速开关总的分闸时间小于3ms。
一种实现交流不间断供电的方法为：
a、电网正常时，电网经所述第一出线开关K1、所述机械式快速开关FS、所述第二出线开关K2直接向所述负载FZ供电，同时经所述逆变器PCS向所述储能单元BAT充电，充电完成后，所述逆变器PCS处于锁相待机状态；
b、当电网发生电压暂降或短时停电时，所述机电组合式快速开关快速断开，使所述负载与电网断开，所述逆变器PCS在0.5ms时间内快速建立与电网故障前同频率、同相位、同电压幅值的电压给所述负载FZ供电，确保所述负载停电时间小于5ms；
c、当电网恢复正常后，所述逆变器PCS自动调节输出电压和频率及相位与电网一致后，闭合所述快速开关FS，所述逆变器PCS和所述负载FZ回并电网，此时所述逆变器PCS逐渐减少出力，避免快速退出过程对电网和负载冲击，所述负载FZ逐渐由电网供电
在电网正常情况下，所述用于数据中心设备的交流不间断供电电源的效率大于99.5%。
本发明的有益效果是：为了提高机械开关总的分闸时间，使其总分闸时间，即机械开关本体分闸时间+灭弧时间小于3ms，本发明采用机械开关和人工过零灭弧技术相结合的设计，包括机械开关FS、人工灭弧单元含储能电容器C、电力电子开关SCR、功率二极管D、限流电抗器L、充电单元CDD、过电压保护单元NR等。本发明利用机械式快速开关通流能力强、运行时无损耗、无发热、无噪声以及电力电子开关速度快等特点，将两种开关结合在一起，组合成机电组合式快速开关，实现低损耗、分闸时间小于3ms的要求。
另外所述机电组合式快速开关与逆变器、储能单元等的组合设计，在电网正常情况下，电源的效率大于99.5%；在电网发生故障时，机电组合式快速开关在3ms时间内快速分闸，逆变器与储能单元在0.5ms内迅速建立与电网故障前的同频率、同相位和同幅值的电压，给负载供电，确保负载停电时间小于5ms。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明在电网正常情况下功率流向的原理简图；
图3是本发明在电网故障情况下功率流向的原理简图；
图4是本发明在电网故障恢复正常情况下功率流向的原理简图；
图5是本发明在设备维修旁路运行时功率流向的原理简图。
具体实施方式
如图1所示，在本实施例中，本电源系统主要由机械式涡流驱动真空快速开关、进线开关、人工过零灭弧单元、逆变器、储能单元即维修旁路开关等部分组成，其单相原理框图如图1所示。其中，
FS：机械式涡流驱动真空快速开关，主开关；
人工灭弧单元：用于辅助主开关快速关断。其中：
SCR：电力电子开关，在主开关关断时，触发导通，辅助主开关快速关断；
D：功率二极管，在主开关关断时，辅助主开关快速关断；
NR：非线性电阻，在主开关关断时，用于限制过电压；
C：储能电容器，用于产生人工过零电流，辅助主开关快速关断；
L：限流电抗器，用于限制回路中电流变化率（di/dt）；
CDD：充电单元，用于给储能电容器充电。
PCS：逆变器，将储能单元的能量逆变为与电网电压同频率、同相位和同幅值的电压，用于在电网故障时给负荷供电；
BAT：储能单元，在电网正常情况下经逆变器给其充电储能，当电网发生故障时，再经逆变器给负载供电；
PK：旁路维修开关，用于设备维修时负荷不间断供电。
本发明实现交流不间断供电的方法为：
本电源系统正常运行时有四个运行状态，即电网正常情况下、电网故障情况下、电网故障恢复正常时、设备维修旁路四个运行状态。在不同运行状态下，其原理简图如图2、图3、图4和图5所示。
电网正常情况下：图1中进线开关K1、K2、主开关FS处于合闸状态，维修旁路开关PK处于分闸状态，如图2 所示。电网通过K1、K2及主开关给负荷供电，同时经逆变器给储能单元充电，并储能电容器充电。储能单元充满电后，逆变器处于并网待机状态；
电网故障情况下：当电网发生故障时，如图3所示，主开关FS接到分闸指令快速分闸，延时约2ms左右（此时间为主开关本身固有分闸时间），触发电力电子开关SCR，储能电容器C经SCR和限流电抗器L向快速开关放电。若放电电流与流经快速开关的电流反向，则在放电的第1个半波，强迫流经快速开关的电流快速过零，快速开关完全断开；若放电电流与流经快速开关的电流同向，则在放电的第2个半波，经二极管D继续放电，其放电电流与流经快速开关的电流反向，强迫流经快速开关的电流快速过零，主开关完全断开。上述过程最长时间≤1ms，可确保主开关总的分闸时间≤3ms。在主开关完全断开后，逆变器在约0.5ms时间内迅速建立与电网故障前的同频率、同相位和同幅值的电压，给负载供电，确保负载停电时间小于5ms；
电网故障恢复正常时：当电网故障恢复正常时，如图4所示，逆变器调整其输出电压的频率、相位和幅值与电网一致后，发主开关FS合闸指令，主开关FS合闸，此时逆变器与电网同时给负载供电，随后逆变器逐步减小输出电流，避免其快速退出，对负载造成冲击；
维修旁路运行状态：当设备需要检修时，手动合旁路开关PK，分进线开关K1、K2，设备退出，电网经旁路开关给负载供电，如图5所示。
本发明应用于交流不间断供电的技术领域。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (4)

1.一种用于数据中心设备的交流不间断供电电源，其特征在于：所述用于数据中心设备的交流不间断供电电源包括机械式快速开关（FS）、第一出线开关（K1）、第二出线开关（K2）、储能单元（BAT）、逆变器（PCS）、维修旁路开关（PK）及人工过零灭弧单元，所述人工过零灭弧单元含储能电容器（C）、电力电子开关（SCR）、功率二极管（D）、限流电抗器（L）、充电单元（CDD）、过电压保护单元（NR）；所述第一出线开关（K1）的入线端与电网连接，所述第一出线开关（K1）的出线端依次与所述快速开关（FS）和所述第二出线开关（K2）串联，所述第二出线开关（K2）的出线端与负载连接；所述人工过零灭弧单元中的所述储能电容器（C）、所述电力电子开关（SCR）、所述限流电抗器（L）串联后与所述机械开关（FS）并联，所述功率二极管（D）与所述电力电子开关（SCR）并联，所述充电单元（CDD）与所述储能电容器（C）并联，所述过电压保护单元（NR）与机械开关（FS）并联，所述人工过零灭弧单元与机械式快速开关FS并联组合成机电组合式快速开关；所述储能单元（BAT）与所述逆变器（PCS）串联后并联在所述快速开关（FS）和所述第二出线开关（K2）之间；所述维修旁路开关（PK）与所述第一出线开关（K1）的入线端和所述第二出线开关（K2）的出线端并联。
2.根据权利要求1所述的用于数据中心设备的交流不间断供电电源，其特征在于：所述机电组合式快速开关总的分闸时间为所述机械快速开关（FS）的固有分闸时间和所述人工过零灭弧单元的人工过零灭弧时间的总和，所述机电组合式快速开关总的分闸时间小于3ms。
3.一种使用如权利要求1所述的用于数据中心设备的交流不间断供电电源来实现交流不间断供电的方法，其特征在于：所述方法为：
a、电网正常时，电网经所述第一出线开关（K1）、所述机械式快速开关（FS）、所述第二出线开关（K2）直接向所述负载（FZ）供电，同时经所述逆变器（PCS）向所述储能单元（BAT）充电，充电完成后，所述逆变器（PCS）处于锁相待机状态；
b、当电网发生电压暂降或短时停电时，所述机电组合式快速开关快速断开，使所述负载与电网断开，所述逆变器（PCS）在0.5ms时间内快速建立与电网故障前同频率、同相位、同电压幅值的电压给所述负载（FZ）供电，确保所述负载停电时间小于5ms；
c、当电网恢复正常后，所述逆变器（PCS）自动调节输出电压和频率及相位与电网一致后，闭合所述快速开关（FS），所述逆变器（PCS）和所述负载（FZ）回并电网，此时所述逆变器（PCS）逐渐减少出力，避免快速退出过程对电网和负载冲击，所述负载（FZ）逐渐由电网供电。
4.根据权利要求1所述的一种低损耗、高可靠的交流不间断电源，其特征在于：在电网正常情况下，所述用于数据中心设备的交流不间断供电电源的效率大于99.5%。
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