CN112103938B

CN112103938B - 基于hvdc设备的供电架构、方法及系统

Info

Publication number: CN112103938B
Application number: CN202011077405.7A
Authority: CN
Inventors: 董哲; 王鹏冲; 苑梦雄
Original assignee: Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2020-10-10
Filing date: 2020-10-10
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2040-10-10
Also published as: CN112103938A

Abstract

本申请公开了基于HVDC设备的供电架构、方法及系统，涉及供电技术领域，可应用于神经网络系统等人工智能技术中计算机供电。具体实现方案为：基于HVDC设备的供电架构包括M个高压直流输电HVDC设备和K个负载设备；M个HVDC设备的输入端均与交流母线连接，所述M个HVDC设备的输出端均与低压直流母线连接，且所述K个负载设备的第一输入端均与所述低压直流母线连接；其中，所述M个HVDC设备用于输出低压直流电对所述K个负载设备进行供电，M和K均为大于1的正整数，M大于或等于K。根据本申请的技术，解决了直流供电形式存在的可靠性比较低的问题，提高了直流供电的可靠性。

Description

基于HVDC设备的供电架构、方法及系统

技术领域

本申请涉及电力电子技术，尤其涉及供电技术领域，具体涉及一种基于HVDC设备的供电架构、方法及系统。

背景技术

数据中心具有高能耗的特点，其机房供电方式通常采用一路市电结合一路高压直流输电(HVDC，High Voltage Direct Current)供电的架构形式，当市电停电时，机房可由与之相对应的HVDC设备供电。

目前，HVDC设备与机房中负载设备是一对一的供电形式，这种供电形式是将HVDC设备与负载设备一对一连接，以为负载设备进行直流供电。

发明内容

本公开提供了一种基于HVDC设备的供电架构、方法及系统。

根据本公开的第一方面，提供了一种基于HVDC设备的供电架构，包括：M个高压直流输电HVDC设备和K个负载设备；

M个HVDC设备的输入端均与交流母线连接，所述M个HVDC设备的输出端均与低压直流母线连接，且所述K个负载设备的第一输入端均与所述低压直流母线连接；

其中，所述M个HVDC设备用于输出低压直流电对所述K个负载设备进行供电，M和K均为大于1的正整数，M大于或等于K。

根据本公开的第二方面，提供了一种基于HVDC设备的供电方法，包括：

获取控制信息；其中，所述控制信息用于控制M个HVDC设备与K个负载设备之间设置的断路器的状态；

基于所述控制信息对所述断路器进行控制，以调节所述M个HVDC设备的供电模式；

其中，所述M个HVDC设备并联连接，用于输出低压直流电对所述K个负载设备进行供电，M和K均为大于1的正整数，M大于或等于K。

根据本公开的第三方面，提供了一种基于HVDC设备的供电系统，包括第一方面中任一项的基于HVDC设备的供电架构。

根据本公开的第四方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使计算机执行第二方面中的任一项方法。

根据本申请的技术解决了直流供电形式存在的可靠性比较低的问题，提高了直流供电的可靠性。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

附图用于更好地理解本方案，不构成对本申请的限定。其中：

图1是根据本申请第一实施例的基于HVDC设备的供电架构示意图；

图2是根据本申请第一实施例在一具体示例中的基于HVDC设备的供电架构示意图；

图3是本申请第一实施例中HVDC设备的细化结构示意图；

图4是根据本申请第二实施例的基于HVDC设备的供电方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

第一实施例

本申请提供一种基于HVDC设备的供电架构，参见图1，图1是根据本申请第一实施例的基于HVDC设备的供电架构示意图，如图1所示，基于HVDC设备的供电架构100包括：M个高压直流输电HVDC设备101和K个负载设备102；

M个HVDC设备101的输入端均与交流母线连接，所述M个HVDC设备101的输出端均与低压直流母线连接，且所述K个负载设备102的第一输入端均与所述低压直流母线连接；

其中，所述M个HVDC设备101用于输出低压直流电对所述K个负载设备102进行供电，M和K均为正整数，M大于或等于K。

本实施例中，基于HVDC设备的供电架构涉及电力电子技术，具体涉及供电技术领域，其可以为负载设备进行供电。其中，负载设备可以为数据中心的机房中负载设备，当然，也可以为其他的负载设备，如服务器集群设备，这里不对其进行一一赘述。以下实施例中，负载设备将以数据中心的机房中的负载设备为例进行说明。

为了降低数据中心的失电风险，保证数据中心中数据安全性，数据中心的供电方式通常是采用冗余供电的方式，其冗余供电的方式可以采用2N架构形式，即一路市电结合一路HVDC供电的架构形式，这样，当市电停电时，机房中负载设备可以由HVDC设备供电。

其中，HVDC设备用于输出低压直流电对负载设备进行供电，即对负载设备进行直流供电，而市电通过变压器可以为负载设备提供低压交流电，以对负载设备进行交流供电。

数据中心通常会有多个机房，每个机房通常会有一个至多个列头柜，每个列头柜中包括的设备即可以称之为负载设备，以下实施例中，将为两个机房进行供电，且每个机房包括两个负载设备为例进行详细说明，此时K即为4。

所述HVDC设备101的输出端均与低压直流母线连接，而其输入端为交流侧，可以连接交流母线，其目的是输入交流电为HVDC设备101供电，保证HVDC设备101的正常运行。这样，将M个HVDC设备101连接于交流母线和低压直流母线之间，可以使M个HVDC设备101达到并联的效果，以共同为负载设备102供电。

其中，所述HVDC设备101的输入端可以连接低压交流母线，也可以连接高压交流母线，也就是说，HVDC设备101即可以接入低压交流电为其进行供电，也可以接入高压交流电为其进行供电，这里不做具体限定。

所述HVDC设备101的输出端连接低压直流母线，目的是输出低压直流电对K个负载设备102进行供电。

所述K个负载设备102的第一输入端均与低压直流母线连接，其目的是通过低压直流母线从M个HVDC设备101的输出端取电，以为各负载设备102的正常运行。这样，可以达到M个HVDC设备101共同为K个负载设备102供电的效果。其中，负载设备102的第一输入端可以为输入直流电的输入端，负载设备102还可以包括其他的输入端，如输入交流电的输入端。

为了保证给每个负载设备102均能正常直流供电，HVDC设备101的数量通常需要至少与负载设备102的数量相等，即M至少需要等于K。而为了降低负载设备102的失电风险，保证在HVDC设备101出现故障或检修的情况下，也能保证各负载设备102的正常运行，也可以设置冗余的供电形式，即设置比负载设备102数量多的HVDC设备101为负载设备102进行供电，即M大于K。

以4个负载设备102为例，即K为4，需要设置至少4个HVDC设备101给其供电，若设置4个HVDC设备101给其供电，即M为4，当存在一个HVDC设备101出现故障或者需要检修时，还有其他3个HVDC设备101为这4个负载设备102共同供电，即使市电停电，其还有其他3个HVDC设备101为这4个负载设备102供电，不至于立即有失电风险。

若设置一个冗余的HVDC设备101为这4个负载设备102供电，即M为5，当存在一个HVDC设备101出现故障或需要检修时，还有4个HVDC设备101共同为4个负载设备102进行供电，可以正常满足这4个负载设备102的需求。

本实施例中，通过将M个HVDC设备101的输出端均与低压直流母线连接，以使M个HVDC设备101通过交流母线和低压直流母线并联，同时，将K个负载设备102的第一输入端均与所述低压直流母线连接，以从所述M个HVDC设备101并联的输出端取电。这样，可以使多个HVDC设备101共同为多个负载设备102供电，如此当存在HVDC设备101出现故障、或电池因设备老化而容量不足或需要检修时，这些负载设备102也可以从其他HVDC设备101取电，使得HVDC设备101的供电更加灵活，且还能够维持这些负载设备102的供电需求，不至于有失电风险，从而可以提高负载设备102的直流供电的可靠性。

可选的，每个HVDC设备的输出端分别通过第一断路器与所述低压直流母线连接。

参见图2，图2是根据本申请第一实施例在一具体示例中的基于HVDC设备的供电架构示意图，如图2所示，基于HVDC设备的供电架构100还包括M个第一断路器103，每个HVDC设备101的输出端分别通过一个第一断路器103与所述低压直流母线连接。

这样，在其中的HVDC设备101出现故障时，可以相应将该HVDC设备101对应的第一断路器103断开，以免对其他设备造成影响，如HVDC设备101出现意外故障时可能会直接影响负载设备102的性能，造成负载设备102损坏，如此可以保证负载设备102的安全性。

而在需要日常检修HVDC设备101以进行设备维护时，也可以相应将当前检修的HVDC设备101对应的第一断路器103断开，以使HVDC设备101进入至检修模式，在检修模式下，其他HVDC设备101共同为这K个负载设备102供电，从而在保证不给负载设备102断电的情况下也能进行HVDC设备101维保，简化HVDC设备101的运维难度。

另外，可以轮流为这M个HVDC设备101进行维保，以在保证不给负载设备102断电的情况下，保证每个HVDC设备101均能完成维保。

可选的，每个负载设备的第一输入端通过第二断路器连接至所述低压直流母线。

该实施方式中，每个负载设备102的第一输入端通过第二断路器104连接至低压直流母线。

其中，在机房中包括多个负载设备102的情况下，可以将这多个负载设备102并联，之后，通过一个第二断路器104连接至低压直流母线，这样可以达到每个负载设备102的第一输入端通过第二断路器104连接至低压直流母线的效果，如图2所示。

当然，也可以单独为每个负载设备102配置一个第二断路器104，并连接至低压直流母线，这里不做具体限定。

这样，每个负载设备102的第一输入端通过第二断路器104连接至低压直流母线，在负载设备102出现故障或需要检修时，可以断开第二断路器104，避免负载设备102对其他设备造成影响，如负载设备102短路可能会造成HVDC设备101损坏，保证HVDC设备101的安全性和供电可靠性。

可选的，所述K个负载设备中包括第一负载设备，所述第一负载设备的第一输入端与所述低压直流母线之间还设置有第三断路器。

本实施方式中，这K个负载设备102可以包括多种类型的负载设备，比如包括重要的负载设备和普通的负载设备，重要的负载设备指的是具有重要用途或存储有重要数据的负载设备。

第一负载设备1021即可以为这K个负载设备102中重要的负载设备，可以在第一负载设备1021的第一输入端与低压直流母线之间设置第三断路器105，第三断路器105可以单独控制第一负载设备1021的供电状态。这样，在市电失电的情况下，可以通过一些控制策略，灵活使用电池资源，并单独开启第三断路器105，以使这些HVDC设备101可以单独给第一负载设备1021供电，如此，可以减小HVDC设备101的供电半径，延长重要的负载设备的供电时间。

可选的，所述M个HVDC设备中包括第一HVDC设备，所述第一HVDC设备包括HVDC电路和高频隔离双有源桥，所述第一HVDC设备为所述M个HVDC设备中任一HVDC设备；

所述高频隔离双有源桥的输入端与所述HVDC电路的输出端连接；

所述高频隔离双有源桥的输出端与所述低压直流母线连接。

本实施方式中，参见图3，图3是本申请第一实施例中HVDC设备的细化结构示意图，如图3所示，每个HVDC设备101可以包括HVDC电路1011和高频隔离双有源桥1012，所述HVDC电路1011用于对负载设备102进行供电，所述高频隔离双有源桥1012用于对HVDC电路1011和负载设备102之间进行电气隔离。

所述高频隔离双有源桥1012可以为谐振型高频隔离双有源桥，所述高频隔离双有源桥1012的输入端与所述HVDC电路1011的输出端连接，所述高频隔离双有源桥1012的输出端与所述低压直流母线连接。

本实施方式中，通过在HVDC电路1011与负载设备102之间设置高频隔离双有源桥1012，这样，在HVDC电路1011出现意外故障时，可以通过高频隔离双有源桥1012隔离HVDC电路1011对负载设备102造成的电气影响，从而可以保证负载设备102的安全性，进一步提高HVDC设备101的供电可靠性。同时，在负载设备102出现意外故障时，也可以通过高频隔离双有源桥1012隔离负载设备102对HVDC电路1011造成的电气影响，从而可以保证HVDC设备101的安全性。

另外，通过对HVDC电路1011的输出侧设置的高频隔离双有源桥1012进行集群控制，如下垂控制，可以有效防止各HVDC设备101之间的环流问题，或者也可以进行电池均压控制，可以实现各HVDC设备101的功率均分，提升各HVDC设备101间并联运行的一致性，以提高各HVDC设备101输出的供电电能质量，从而可以进一步提高HVDC设备101的供电可靠性。

可选的，所述高频隔离双有源桥包括逆变器、高频隔离变压器和整流器；

所述逆变器的输入端与所述HVDC电路的输出端连接，所述逆变器的输出端通过所述高频隔离变压器与所述整流器的输入端连接，所述整流器的输出端与所述低压直流母线连接。

本实施方式中，如图3所示，高频隔离双有源桥1012包括逆变器10121、高频隔离变压器10122和整流器10123，所述逆变器10121用于将HVDC电路1011输出的直流电流逆变为高频交流电流，所述高频隔离变压器10122用于将高频交流电流传递至整流器10123侧，整流器10123通过整流高频交流电流恢复直流电流。如此，通过逆变器10121、高频隔离变压器10122和整流器10123，不仅可以将HVDC电路1011输出的低压直流电传递至负载设备102，而且还可以实现电源侧和负载设备侧的电气隔离。

可选的，所述HVDC电路包括滤波电容，所述滤波电容设置于所述HVDC电路的输出端。

本实施方式中，所述HVDC电路1011可以包括滤波电容，所述滤波电容可以设置于所述HVDC电路1011的输出侧，用于对HVDC电路1011输出的低压直流电进行滤波，以减小输出的直流纹波。

具体的，所述滤波电容可以设置于HVDC电路1011中任一个整流器的输出侧。

另外，该滤波电容可以在高频隔离双有源桥1012的载波移相控制的配合下，进一步减小HVDC设备101输出的直流纹波，如此，在电路设计时，可以相应减小该滤波电容的尺寸，节省成本。

可选的，所述交流母线为高压交流母线。

本实施方式中，所述交流母线为高压交流母线，也就是说，HVDC设备101的输入侧直接从高压侧取电，其中，高压侧可以是市电，可以为10.5kV，这样，无需通过变压器降压再进行取电，如此，可以减小变压器容量和体积，节省成本。

可选的，所述高压交流母线与高压交流源连接，所述高压交流源通过变压器与低压交流母线连接，所述K个负载设备的第二输入端均与所述低压交流母线连接。

本实施方式中，如图2所示，基于HVDC设备的供电架构100还包括高压电压源106和变压器107，高压电压源106可以输出高压交流电，可以为10.5kV，所述高压交流源106通过变压器107与低压交流母线连接，所述K个负载设备102的第二输入端均与所述低压交流母线连接，如此，可以实现为这K个负载设备进行低压交流供电。

本实施方式中，由于HVDC设备101的输入侧与高压交流母线连接，而负载设备102的低压交流线路从高压交流母线分离，通过变压器107对高压交流电降压后为负载设备102进行低压交流供电，从而可以实现负载设备102的直流供电线路与低压交流线路的完全分离。这样，即使低压交流线路或对应的抽屉柜出现故障，高压市电也能够通过HVDC设备101为负载设备102供电，如此可以进一步提高直流供电的可靠性。

第二实施例

本申请提供一种基于HVDC设备的供电方法，参见图4，图4是根据本申请第二实施例的基于HVDC设备的供电方法示意图，如图4所示，该方法包括如下步骤：

步骤S401：获取控制信息；其中，所述控制信息用于控制M个HVDC设备与K个负载设备之间设置的断路器的状态；

步骤S402：基于所述控制信息对所述断路器进行控制，以调节所述M个HVDC设备的供电模式；

本实施例中，可以检测基于HVDC设备的供电架构的当前供电模式，以获取当前供电模式对应的控制信息，以控制M个HVDC设备与K个负载设备之间设置的断路器的状态。其中，M个HVDC设备的供电模式可以包括正常模式、检修模式和紧急保障模式。

正常模式指的是这M个HVDC设备均正常为K个负载设备供电，检修模式指的是这M个HVDC设备中存在HVDC设备需要检修，控制需要检修的HVDC设备退出，而由其他的HVDC设备为这K个负载设备供电，紧急保障模式指的是在市电停电时，退出对普通的负载设备的供电，而仅为重要的负载设备进行供电。

可以通过控制M个HVDC设备与K个负载设备之间设置的断路器的状态，来调节M个HVDC设备的供电模式，以在各个模式下均能为负载设备进行供电，且满足重要的负载设备的供电需求。

以两个机房为例，其中，有一个是重要机房，重要机房中可以包括两个重要的负载设备，这两个重要的负载设备通过第三断路器与低压直流母线连接。有一个是普通机房，普通机房中可以包括两个普通的负载设备，这两个普通的负载设备通过第二断路器与所述低压直流母线连接。可以采用5个HVDC设备为这4个负载设备进行供电，每个HVDC设备分别通过第一断路器与所述低压直流母线连接。

在各个供电模式下，可以通过控制各断路器的状态，控制相应的HVDC设备或负载设备运行或退出，在第一断路器开启的情况下，与之连接的HVDC设备运行，在第一断路器关闭的情况下，与之连接的HVDC设备退出。在第二断路器开启的情况下，为普通机房正常供电，在第二断路器关闭的情况下，退出普通机房的供电。在第三断路器开启的情况下，为重要机房正常供电，在第三断路器关闭的情况下，退出重要机房的供电。

在各个供电模式下，各断路器的状态如下表1所示。

表1HVDC设备的供电模式下各断路器的状态表

如上表1所示，由于各个供电模式下，各断路器的状态有所不同，因此，可以通过检测当前供电模式，生成当前供电模式对应的控制信息，并基于所述控制信息对断路器进行控制，以调节至相应的供电模式为这K个负载设备进行供电。如此，通过增加控制策略，控制M个HVDC设备与K个负载设备之间设置的各断路器的状态，以调节M个HVDC设备的供电模式，从而可以提高供电灵活性。

第三实施例

本申请提供一种基于HVDC设备的供电系统，所述基于HVDC设备的供电系统包括第一实施例中的基于HVDC设备的供电架构，所述基于HVDC设备的供电架构包括：M个高压直流输电HVDC设备和K个负载设备；

所述高频隔离双有源桥的输出端与所述低压直流母线连接。

可选的，所述交流母线为高压交流母线。

需要说明的是，以上基于HVDC设备的供电系统中的基于HVDC设备的供电架构与第一实施例中的基于HVDC设备的供电架构的结构类似，且具有同第一实施例中基于HVDC设备的供电架构相同的有益效果，因此不做赘述。对于本申请基于HVDC设备的供电系统实施例中未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照第一实施例中基于HVDC设备的供电架构的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。

上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。

Claims

1.一种基于HVDC设备的供电架构，包括：M个高压直流输电HVDC设备和K个负载设备；

其中，所述M个HVDC设备用于输出低压直流电对所述K个负载设备进行供电，M和K均为大于1的正整数，M大于或等于K；

每个负载设备的第一输入端通过第二断路器连接至所述低压直流母线；

所述K个负载设备中包括第一负载设备，所述第一负载设备与所述K个负载设备中除所述第一负载设备之外的负载设备的第一输入端并联连接，所述第一负载设备的第一输入端与所述低压直流母线之间还设置有第三断路器；

所述M个HVDC设备中包括第一HVDC设备，所述第一HVDC设备包括HVDC电路和高频隔离双有源桥，所述第一HVDC设备为所述M个HVDC设备中任一HVDC设备；

所述高频隔离双有源桥的输出端与所述低压直流母线连接；

所述交流母线为高压交流母线；

所述高压交流母线与高压交流源连接，所述高压交流源通过变压器与低压交流母线连接，所述K个负载设备的第二输入端均与所述低压交流母线连接。

2.根据权利要求1所述的供电架构，其中，每个HVDC设备的输出端分别通过第一断路器与所述低压直流母线连接。

3.根据权利要求1所述的供电架构，其中，所述高频隔离双有源桥包括逆变器、高频隔离变压器和整流器；

4.根据权利要求1所述的供电架构，其中，所述HVDC电路包括滤波电容，所述滤波电容设置于所述HVDC电路的输出端。

5.一种基于HVDC设备的供电方法，包括：

其中，所述M个HVDC设备并联连接，用于输出低压直流电对所述K个负载设备进行供电，M和K均为大于1的正整数，M大于或等于K；

所述K个负载设备中每个负载设备的第一输入端通过第二断路器连接至所述M个HVDC设备用于输出低压直流电的低压直流母线上；所述K个负载设备中包括第一负载设备，所述第一负载设备与所述K个负载设备中除所述第一负载设备之外的负载设备的第一输入端并联连接，所述第一负载设备的第一输入端与所述低压直流母线之间还设置有第三断路器，所述M个HVDC设备的供电模式包括紧急保障模式；所述基于所述控制信息对所述断路器进行控制，包括：

在检测到所述M个HVDC设备的供电模式为紧急保障模式的情况下，控制关闭所述第二断路器，并控制开启所述第三断路器；

所述高频隔离双有源桥的输出端与所述低压直流母线连接；

所述M个HVDC设备的输入端均与交流母线连接，所述交流母线为高压交流母线；

6.一种基于HVDC设备的供电系统，包括权利要求1至4任一项所述的基于HVDC设备的供电架构。

7.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使计算机执行根据权利要求5中所述的方法。