CN112165108A - 一种数据中心绿色备用电源系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种数据中心绿色备用电源系统及方法，以氢储能为核心，应用燃料电池发电技术、电解池制氢技术和锂电池储能技术实现数据中心备用供电功能及配合电网辅助调峰功能。配置的锂电池单元有效提升数据中心绿色备用电源响应速度。根据数据中心绿色备用电源的工作需求，划分了四种典型的运行模式，即备用供电模式、辅助调峰模式、锂电池充电模式及制氢模式，设计了各个模式下各单元变换器结构及运行技术。此外，设计能量管理系统，提出能量管理系统工作模式判断流程，具体分析各运行模式的进入条件。通过能量管理系统的在线能量调控，最终实现备用电源与电网的协调运行。
Description
技术领域
本发明涉及电网中备用电源领域，特别是涉及一种既能用于应对电网中断或大面积停电等突发事件，又能很好的对用户电网起到削峰填谷的作用的备用电源，具体涉及一种数据中心绿色备用电源及其运行技术。
背景技术
数据中心的供电可靠性要求极高，备用电源是外部电源故障时保障数据中心供电的最后一道防线。而随着当今社会的高速发展，人类对于良好的生活环境和高质量的生活需求更加强烈，这就造成了环境恶劣、资源短缺等问题与人类的理想愿望的强烈冲突。基于此问题，有必要构建环境友好型与资源节约型的社会发展模式，在尽量保证环境不受到污染，资源不遭到浪费的前提之下保障数据中心供电可靠性，而绿色能源是解决该问题的一个十分理想的方法。
氢能作为一种绿色能源，被认为是最有利用价值的可再生能源之一。近些年来我国在制氢、储氢、氢发电技术等方面分别均有巨大的突破。氢能具有能量转换效率高、环境友好、性能优越、灵活性高等优点，因此可以考虑用作数据中心的备用供电能源，从而提高数据中心电源的稳定性、可靠性并实现节能和环保。
此外，储能技术是解决较大电网峰谷差对用户电网造成冲击问题的有效途径，储能已成为电力发展的重要组成部分。储能技术可以在电力系统用电高峰期，释放储能电站能量来补充用户电网电力不足，在用电低谷期，将电网和新能源发电中多余的能量储存于储能电站中。对用户电网起到削峰和填谷的双重功效。所以综合考虑移峰用电、调节有功无功出力、改善供电可靠性发展前景下，非常有必要研究包含氢储能技术的数据中心绿色备用电源技术及其运行技术。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种能够应对电网突发故障、保障数据中心供电可靠性的、同时具备配合电网进行辅助调峰的数据中心绿色备用电源。通过配置储能单元及相应电力电子变换器，设计合理的数据中心绿色备用电源运行技术，实现数据中心绿色备用电源稳定运行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
数据中心需要进行重要数据处理，电源故障可能会引起设备宕机和数据处理错误。为了保障数据中心的供电可靠性，并且尽量保证电源的绿色、清洁，合理配置备用电源类型，并对备用电源运行技术进行设计。
备用电源系统采用燃料电池、电解池与锂电池协同运行方案，使备用电源系统具备备用供电及辅助调峰能力。采用燃料电池作为备用电源系统的储能具有输出电能稳定、清洁环保等优势，但燃料电池启动时间较长。锂电池启动时间短，反应迅速，适合作为提供快速功率支撑的储能，但易对环境产生污染。考虑到燃料电池启动时间较长，不能满足立刻为数据中心提供全部电能的需求，因此备用电源同时使用燃料电池与锂电池实现备用供电功能，燃料电池是电网停电时输出功率的主要储能，少量的锂电池作为燃料电池启动过程中的快速功率支撑储能，这种储能配置方案可以大量减少锂电池的使用，减少对环境的污染。此外，备用电源系统配置电解池，一方面可以制取氢气，保证氢气含量充足，另一方面可以用于辅助调峰，吸收电网多余的功率。
经设计，数据中心绿色备用电源系统包括电解池单元、燃料电池单元、锂电池单元、储氢单元及AC/DC变换器；AC/DC变换器一端连接交流母线，另一端连接直流母线，电解池单元、燃料电池单元、锂电池单元均与直流母线连接，直流母线还与数据中心连接。
氢储能部分是备用电源系统的主要组成部分，包括电解池和燃料电池，由电解池和燃料电池分别构建的电解池单元和燃料电池单元主要实现了电-氢-电之间的能量转换，即通过电解池制氢和燃料电池发电实现电能和氢能之间的转换，这两个过程互不影响，互相独立。电解池单元包含电解池及电解池直流变换器，燃料电池单元包含燃料电池及燃料电池直流变换器，两个单元功率流向均为单向，即电解池单元仅能吸收功率，燃料电池单元仅能发出功率，各自功能的实现依赖于两个直流变换器，电解池和燃料电池之间能量的流动方式为氢能，因此储氢单元的存在尤为重要
锂电池单元包含锂电池、锂电池直流变换器。锂电池单元需要具备电能输出和输入功能，功率可双向流动，即锂电池单元既需要给数据中心供电，也需要在锂电池的SOC(State of charge，荷电状态)不足时进行充电，功率流动方向由锂电池直流变换器控制。
备用电源系统具有四种工作模式，分别为备用供电模式、辅助调峰模式、锂电池充电模式及制氢模式，备用电源系统运行时的工作模式由能量管理系统确定。
进一步的，备用供电模式用于保障电网故障时数据中心供电不间断。当电网供电正常时，数据中心经电网和AC/DC变换器供电；当电网断电时，首先由锂电池单元提供全部电力，同时燃料电池单元启动，在较短时间内逐步代替锂电池单元。考虑到负载突变情况，负载突变时仍然由锂电池单元承担额外的电力变化，燃料电池单元再逐渐替代锂电池单元供电；当电网恢复时，燃料电池单元和锂电池单元进入待机状态，数据中心恢复为电网及AC/DC变换器供电。
辅助调峰模式用于调节电网与负荷之间的电能平衡。备用电源系统工作于辅助调峰模式时，根据电网出力情况选择燃料电池单元或电解池单元工作。如果电网实际出力值超出调度出力计划值，电解池单元则利用富余的电力电解水，将得到的氢气经过加压处理存储于储氢单元，以减少发电机出力的浪费；如果电网实际出力值低于调度出力计划值，这一阶段电能将出现缺额，那么燃料电池单元将氢气和空气作用得到的电能输送至电网，最大限度地向电力系统补充电能缺额。
锂电池充电模式功能是向锂电池充电。锂电池在备用供电模式时进行放电，并没有对锂电池充电的过程，锂电池将会面临过放的危险，因此需要单独的模式对锂电池进行充电，保证锂电池的安全正常工作。锂电池充电采用先恒流充电再脉冲充电的方式，尽量减少充电时间，实现快速充电，且对电池寿命影响减少到最小程度，保证电池的使用寿命和电池本身的性能。
制氢模式用于获得氢气。为了保证备用电源系统在备用供电模式及辅助调峰模式下正常运行，需要有足够的氢气支撑燃料电池单元运行，因此需要设置制氢模式。当检测到氢气含量低于下限值时，则需要进入制氢模式，增加氢气含量。
进一步的，锂电池直流变换器采用双向直流三电平拓扑结构，一端连接锂电池，另一端连接直流母线。基于双向直流三电平拓扑结构的锂电池直流变换器中功率开关管和二极管的电压应力小，开关损耗低。对于双向直流三电平拓扑结构的锂电池直流变换器传统双闭环控制器参数设计和调制较为复杂，因此本发明采用模型预测电压控制技术对锂电池直流变换器的直流母线电压、锂电池电流进行控制，保证锂电池直流变换器直流母线侧中心点电压平衡，并且总直流母线电压或锂电池电流符合要求。
进一步的，燃料电池直流变换器在备用供电模式及辅助调峰模式下工作。由于燃料电池的输出电压为不稳定的低压直流电，因此燃料电池不能直接与直流母线相连，必须先通过燃料电池直流变换器对燃料电池的输出电压进行变压和稳压处理。燃料电池直流变换器采用Boost拓扑结构，主要由储能电感、功率开关管、肖特基二极管以及稳压电容组成，燃料电池直流变换器工作时通过控制功率开关管的导通和断开来达到升压的目的。备用供电模式下，燃料电池直流变换器采用电流闭环控制，调节器采用PI控制器，从而获得满足电流要求的占空比，占空比信号输入PWM调制后输出开关信号。由于燃料电池启动慢的特性，燃料电池直流变换器设置有缓启动功能，燃料电池输出电流随参考电流逐渐增加，最后达到需求值。如果备用电源系统工作在辅助调峰模式时，燃料电池直流变换器以上层调度的功率指令作为控制目标，通过闭环控制输出相应功率。
进一步的，电解池直流变换器主要工作于辅助调峰模式。根据电解池的电压-电流特性，随着外加直流电源电压增大，电解池初始时电流很小，但随着电压的继续增大，大于分解电压后，电解池电流迅速增加，其特性可以近似为线性关系。在这里为了使电解池消耗功率可控，因此采用Buck拓扑结构的电解池直流变换器连接直流母线与电解池。电解池直流变换器由开关管、续流二极管、储能电感、电容构成，通过改变占空比可以改变电解池端电压，将直流母线电压降低至较低电压，主动控制电解池单元吸收的功率大小。电解池直流变换器根据上层调度的有功功率指令，采用闭环控制，消耗相应功率。
进一步的，AC/DC变换器采用三相全桥变换器拓扑结构，在电网正常情况下，AC/DC变换器将三相交流电压变换为直流电压为数据中心供电，AC/DC变换器控制方式为双环控制。备用电源系统工作在不同模式时，AC/DC变换器控制目标也不同。备用供电模式下，AC/DC变换器不工作；辅助调峰模式下，AC/DC变换器控制目标为维持直流母线电压稳定，并输出指定功率。锂电池充电模式和制氢模式下，AC/DC变换器控制目标为保持直流母线电压稳定，且控制并网点处交流电流与交流电压相位相同。
本发明还提供一种数据中心绿色备用电源协调控制方法，具体如下：
备用电源系统具备备用供电模式、辅助调峰模式、锂电池充电模式及制氢模式，需要设置能量管理系统进行统一协调控制。能量管理系统负责收集备用电源系统和电网运行信息，在适当的管理方法下控制备用电源系统中各单元工作。能量管理系统具备检测系统电气状态，接受上层调度信息，判断应处工作模式，发送指令等功能，保证备用电源系统合理运行。
通过能量管理系统采集电网电压、电网功率情况、锂电池SOC、储氢单元氢含量等信息，根据不同的运行情况，选择备用电源系统的工作模式。电网正常、电网输出与消耗功率平衡、锂电池模块SOC充足且氢气含量充足时，备用电源系统各单元高效备用；电网故障时，备用电源工作于备用供电模式；电网电压正常、锂电池模块SOC充足但电网具有峰谷差时，备用电源运行于辅助调峰模式；当电网正常但锂电池模块SOC不足时，备用电源工作于锂电池充电模式；当电网正常但氢气含量不足时，备用电源工作于制氢模式。能量管理系统预设各种工作模式的优先级顺序，根据实际电网情况，从而决定备用电源系统工作模式。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明不仅具备备用供电功能，而且具备辅助电网调峰功能，充分发挥储能系统功能，在电网负荷峰谷差较大或分布式储能接入较多的场景下，可有效缓解电网功率波动问题，减少电网因功率峰谷差较大带来的经济损失。
2.本发明采用氢储能作为主要的储能系统。氢本身无毒，并且氢燃料燃烧后的产物是水，清洁环保。相较于应用大容量的化学储能和柴油发电机备用方式来说具有绿色、清洁、无污染的优势，有助于建设绿色清洁的发展模式。
3.本发明在配置大容量氢储能的基础上，配置少量的锂电池储能，通过设计氢储能和锂电池储能的协调运行方法，解决了氢储能响应时间较长、不足以满足数据中心高可靠性要求的问题，经氢储能和锂电池储能的协调运行，实现电网故障时，数据中心供电不间断。
4.本发明设计了备用电源系统中的全局能量管理系统，使本发明在服从上层调度的同时，根据实际运行状态，自主判断备用电源的运行模式，实现各种储能方式之间的协调控制，实现本发明绿色、节能、无人值守的要求。
附图说明
图1为本发明的数据中心绿色备用电源系统结构。
图2为本发明的锂电池直流变换器拓扑结构。
图3为本发明燃料电池单元直流变换器电流闭环控制模型。
图4为本发明电解池单元直流变换器电流闭环控制模型。
图5为本发明能量管理系统工作模式判断流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明的数据中心绿色备用电源系统结构。如图1所示，数据中心绿色备用电源系统主要包括电网、电解池单元、燃料电池单元、储氢单元、锂电池单元、数据中心负荷及相应电能变换装置。数据中心负荷连接在直流母线上；电网经AC/DC变换器转换为直流；电解池、燃料电池、锂电池均通过相应直流变换器连接于直流母线，实现氢储能和锂电池储能；储氢单元用于存储电解池工作时产生的氢气。图中黑色箭头代表了系统中能量的流动方向。氢储能部分是数据中心绿色备用电源系统的主要组成部分，由电解池单元和燃料电池单元共同构成，主要实现电-氢-电之间的能量转换，即通过电解池制氢和燃料电池发电实现电能和氢能之间的转换，这两个过程互不影响，互相独立。电解池单元和燃料电池单元功率流向均为单向，即电解池单元仅能吸收功率，燃料电池仅能发出功率，各自功能的实现依赖于各自的直流变换器。电解池和燃料电池之间能量的流动方式为氢能，因此储氢单元的存在尤为重要。锂电池单元中功率可双向流动，功率流动方向由锂电池直流变换器控制。当数据中心绿色备用电源系统工作于备用供电模式时，锂电池单元和燃料电池单元工作，实现数据中心供电不间断，保证数据中心的可靠工作。当数据中心绿色备用电源工作于辅助调峰模式时，根据电网出力情况选择燃料电池单元或电解池单元工作，可实现较小时间尺度下电网与负荷之间的电能平衡。如果电网实际出力值超出调度出力计划值，电解池单元利用富余的电力电解水，将得到的氢气经过加压处理存储于储氢单元，以减少发电机出力的浪费；如果电网实际出力值低于调度出力计划值，这一阶段电能出现缺额，那么燃料电池单元将氢气和空气作用得到电能输送至电网，最大限度地向电力系统补充电能缺额。
数据中心绿色备用电源系统主要工作目标是在电网故障时进行备用供电，其次，配合主电网参与削峰填谷。此外，为了保证锂电池循环工作及氢储量满足工作需求，数据中心绿色备用电源系统还设置了锂电池充电模式以及制氢模式。根据数据中心绿色备用电源系统结构配置，各变换器将各储能与电力母线或将两个电力母线连接起来，设计各变换器的运行控制技术是数据中心绿色备用电源正常工作的关键。
备用供电模式下，锂电池单元、燃料电池单元运行。锂电池单元中的锂电池直流变换器采用双向直流三电平拓扑结构，如图2所示，锂电池直流变换器一端连接锂电池，另一端连接直流母线。这种双向直流三电平拓扑结构中功率开关管和二极管的电压应力小，开关损耗低。在锂电池单元引入锂电池直流变换器，可实现锂电池单元的良好运行。锂电池直流变换器采用模型预测电压控制技术，获得的开关状态直接作用于锂电池直流变换器的功率开关管，不需要额外的调制阶段。在备用供电模式下，锂电池工作于放电状态，此时锂电池直流变换器工作状态为升压状态，能量由锂电池流向直流母线，维持直流母线电压恒定且中心点电压平衡。通过模型预测电压控制方式，当电网断电时，锂电池单元可迅速输出数据中心所需电压及功率。随后燃料电池单元启动，在一定时间内逐步替代锂电池单元供电。此外，如果负荷突变，锂电池单元立刻承担全部变化的功率。
燃料电池单元的燃料电池直流变换器采用Boost拓扑结构，主要由储能电感、功率开关管、肖特基二极管以及稳压电容组成，通过控制功率开关管的导通和断开来达到升压的目的。当功率开关管导通时，燃料电池向电感充电，电能以磁能的形式储存于电感中。此时直流母线侧电容放电，使直流母线端电压值维持稳定；当功率开关管断开时，为保持流经电感的电流方向不变，电感两端的电压的极性改变并与燃料电池串联，一起向电容和直流端口供电。燃料电池直流变换器采用电流闭环控制，如图3所示。P负荷为数据中心消耗的有功功率，由数据中心处功率检测设备获得，该功率与燃料电池电压VFC相除后得到燃料电池所需输出电流值I。由于燃料电池启动缓慢，其输出电流上升也缓慢，因此设置缓启动环节，使燃料电池电流参考I*由0慢慢上升，逐渐增加至需求值。IFC为燃料电池实际电流，与电流参考的差值通过比例-积分(PI)控制器实现电流控制，Kp1和Ki1分别为PI控制器的参数，从而输出满足电流情况的占空比DFC，经PWM调制后输出开关信号。在燃料电池电流逐渐上升的时候，锂电池单元维持直流母线电压恒定，但其电流逐渐减小，最终降为0。如果出现负荷功率突变情况，无论是功率增加或减小，锂电池单元都承担额外的电力变化，并维持直流母线恒定，从该时刻起，燃料电池电流重新缓慢变化，最终达到所需值。
辅助调峰模式下，电解池单元、燃料电池单元与AC/DC变换器配合工作，电解池单元在电力低谷时工作，增加电力系统总消耗功率，燃料电池单元在电力高峰时工作，提供电力供应，减小电力高峰低谷差。电解池单元的电解池直流变换器选择Buck拓扑结构，通过电解池直流变换器实现对电解池单元吸收功率的控制。电解池直流变换器由开关管、续流二极管、储能电感、电容构成，可以将直流母线电压降低至较低电压。电解池直流变换器基于上层调度的有功功率指令，采用闭环控制，其控制模型如图4所示。
为电解池单元所需消耗有功功率参考，该功率与电解池电压VEL相除后得到电解池电流参考
电流参考与实际电流IEL经过PI控制器产生占空比信号DEL，经PWM调制后输出开关信号。Kp2和Ki2分别为PI控制器的参数。电解池单元消耗电网中多余的电能，一方面起到调峰功能，另一方面获得氢气供燃料电池使用。燃料电池单元中燃料电池直流变换器运行技术与备用供电模式相似，只不过将负荷功率参考变为燃料电池所需输出功率参考。AC/DC变换器采用三相全桥拓扑结构。辅助调峰模式时，AC/DC变换器的并网点处电压受电网钳位而保持恒定，AC/DC变换器通过控制并网电流来间接控制自身的输出功率，控制实质是将有功功率和无功功率解耦至αβ静止坐标系后分别进行控制，由此采用功率外环控制器和电流内环控制器。外环控制器采用PI控制，内环控制器采用PR(比例-谐振)控制，最终维持直流母线电压稳定，且输出所需的并网功率。
锂电池充电模式下，AC/DC变换器与锂电池单元工作。此模式下，AC/DC变换器工作特性为整流，电能由电网传输至直流母线，直流母线电压保持稳定，且保持并网点处交流电流与交流电压相位相同。AC/DC变换器采用双环控制，包括电压外环和电流内环。电压外环的作用是控制直流母线电压，而电流内环的作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。AC/DC变换器的控制在两相静止坐标系下进行，abc坐标下的电流值经派克变换后变换为dq轴分量，内外环的调节器均选用PI控制器。电压外环对直流电压进行控制，电压参考与采集的直流母线电压的差值经过PI控制器，从而获得内环d轴电流参考。由于变换器dq轴变量间相互耦合，因此电流内环需进行解耦控制。通过采集AC/DC变换器输出的三相交流电流，经派克变换后变换为dq轴下的电流，分别与dq轴下电流参考比较，d轴电流参考来自电压外环。由于要求交流端口功率因数为1，因此q轴电流参考设置为0，dq轴分量分别经PI控制器获得其输出量。电网三相电压变换至dq轴，dq轴下各分量经组合后形成变换器交流输出端口的dq分量信号，随后经PWM调制后获得开关信号，控制变换器工作，实现变换器的交直流变换。锂电池单元的锂电池直流变换器运行技术与备用供电模式相同，对锂电池的充电策略为先恒流充电再脉冲充电，尽量减少充电时间，且对电池寿命影响减少到最小程度。
制氢模式下，AC/DC变换器与电解池单元工作。AC/DC变换器运行方式与锂电池充电模式时相同，而电解池单元中电解池直流变换器以恒压方式工作，电解池单元制取氢气，直至氢气含量达到上限值。此外，制氢模式与锂电池充电模式可同时运行。
数据中心绿色备用电源包含储氢单元、电解池单元、燃料电池单元、锂电池单元和AC/DC变换器，而各单元的不同组合方式及运行方式构成了多种运行模式，在各运行模式基础上，研究一种数据中心绿色备用电源系统内的能量管理系统，确保各个单元协调工作。该备用电源内的能量管理系统具备检测系统电气状态，接受上层调度信息，判断应处工作模式，发送指令等功能，保证系统合理运行。通过能量管理系统的在线能量调控，最终实现系统安全工作，且满足电网及数据中心供电需求。其中能量管理系统工作模式判断流程如图5所示。电网中断是系统工作在备用供电模式的前提。实际上备用供电模式工作前还需要保证锂电池SOC(荷电状态，Stage of charge)及氢气含量均在下限值之上，但由于系统工作时一定会经历电网正常的状态，锂电池SOC和氢气含量一定会满足要求，因此在电网中断时不考虑锂电池SOC和氢气含量。若电网未中断，则系统有可能进入辅助调峰模式、锂电池充电模式及制氢模式。锂电池充电模式工作的约束条件是锂电池SOC状态，判断锂电池的SOC是否在允许范围内，若不在范围内则进入锂电池充电模式。辅助调峰模式中的削峰和填谷可以看作两个独立的工况，这里首先讨论削峰工况。当锂电池SOC满足要求时，判断电网是否需要消减功率，若需要，则系统进入辅助调峰模式。由于辅助调峰模式中的消减功率是由电解池单元工作，电解池单元将会制取氢气，这不仅满足电网调峰需求，并且可以缓解氢气不足的问题。为了保证储氢单元的安全要求，还需要检测储氢单元中氢气含量，若氢气含量超出储氢极限，则需要停止辅助调峰模式的工作。若电网不需要消减功率，且储氢单元中氢气含量小于下限值，则进入制氢模式。氢气含量充足是保证系统能够正常运行在备用供电模式和填谷功能的关键。当氢气含量满足要求时，则判断电网是否需要额外的电力供应，即填谷需求，若需要，则进入辅助调峰模式；若不需要，则能量管理系统重新对工作模式进行判断。能量管理系统确定了工作模式后，对各单元相应控制器下发控制指令，各单元执行系统控制策略的控制命令，保证了系统运行的正确性，合理性、安全性及可靠性。
综上，本发明的数据中心绿色备用电源具有备用供电模式、辅助调峰模式、锂电池充电模式及制氢模式，以氢储能为主要核心，应用燃料电池发电技术、电解池制氢技术和锂电池储能技术实现备用电源的功能。此外，设计全局能量管理系统，使本发明在服从上层调度的同时，根据实际运行状态，自主判断备用电源的运行模式，实现氢储能和锂电池储能的协调控制，满足本发明绿色、节能、无人值守的要求。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种数据中心绿色备用电源系统，其特征在于，包括电解池单元、燃料电池单元、锂电池单元、储氢单元及AC/DC变换器；AC/DC变换器一端连接电网的交流母线，另一端连接直流母线，电解池单元、燃料电池单元、锂电池单元均与直流母线连接，直流母线还与数据中心连接，电解池单元和燃料电池单元之间连接有所述储氢单元，电解池单元包含电解池及电解池直流变换器，燃料电池单元包含燃料电池及燃料电池直流变换器，电解池单元和燃料电池单元的功率流向均为单向，即电解池单元仅能吸收功率，燃料电池单元仅能发出功率，电解池和燃料电池之间能量的流动方式为氢能，实现电-氢-电之间的能量转换，即通过电解池制氢和燃料电池发电实现电能和氢能之间的转换，电能转化为氢能、氢能转化为电能这两个过程互不影响，互相独立；
锂电池单元包含锂电池和锂电池直流变换器；锂电池单元具备电能输出和电能输入功能，功率能够双向流动，即锂电池单元既用于给数据中心供电，也能够在锂电池的荷电状态SOC(State of charge)不足时进行充电，功率流动方向由锂电池直流变换器控制；
该备用电源系统具有四种工作模式，分别为备用供电模式、辅助调峰模式、锂电池充电模式及制氢模式，备用电源系统运行时的工作模式由备用电源系统中设置的能量管理系统确定。
2.根据权利要求1所述的一种数据中心绿色备用电源系统，其特征在于，
备用供电模式用于保障电网故障时数据中心供电不间断；当电网供电正常时，数据中心经电网和AC/DC变换器供电；当电网断电时，首先由锂电池单元提供全部电力，同时燃料电池单元启动并逐步代替锂电池单元；考虑到负载突变情况，负载突变时仍然由锂电池单元承担额外的电力变化，燃料电池单元再逐渐替代锂电池单元供电；当电网恢复时，燃料电池单元和锂电池单元进入待机状态，数据中心恢复为由电网及AC/DC变换器供电；
辅助调峰模式用于调节电网与负荷之间的电能平衡；备用电源系统工作于辅助调峰模式时，根据电网出力情况选择燃料电池单元或电解池单元工作；如果电网实际出力值超出调度出力计划值，电解池单元利用富余的电力电解水，将得到的氢气经过加压处理存储于储氢单元，以减少发电机出力的浪费；如果电网实际出力值低于调度出力计划值，电能将出现缺额，燃料电池单元将氢气和空气作用得到的电能输送至电网，最大限度地向电力系统补充电能缺额；
锂电池充电模式功能是向锂电池充电；锂电池在备用供电模式时进行放电；锂电池充电采用先恒流充电再脉冲充电的方式，以减少充电时间，实现快速充电；
制氢模式用于获得氢气；为保证备用电源系统在备用供电模式及辅助调峰模式下正常运行，当检测到氢气含量低于下限值时，进入制氢模式，增加氢气含量。
3.根据权利要求1所述的一种数据中心绿色备用电源系统，其特征在于，锂电池直流变换器采用双向直流三电平拓扑结构，一端连接锂电池，另一端连接直流母线；采用模型预测电压控制技术对锂电池直流变换器的直流母线电压、锂电池电流进行控制，保证锂电池直流变换器直流母线侧中心点电压平衡。
4.根据权利要求1所述的一种数据中心绿色备用电源系统，其特征在于，燃料电池直流变换器在备用供电模式及辅助调峰模式下工作；燃料电池直流变换器采用Boost拓扑结构，由储能电感、功率开关管、肖特基二极管以及稳压电容组成，燃料电池直流变换器一端连接燃料电池，另一端连接直流母线；燃料电池直流变换器工作时通过控制功率开关管的导通和断开达到升压的目的；备用供电模式下，燃料电池直流变换器采用电流闭环控制，调节器采用PI控制器，获得满足电流要求的占空比，占空比信号输入PWM调制后输出开关信号；燃料电池直流变换器设置有缓启动功能，燃料电池输出电流随参考电流逐渐增加，最后达到需求值；若备用电源系统工作在辅助调峰模式时，燃料电池直流变换器以上层调度的功率指令作为控制目标，通过闭环控制输出相应功率。
5.根据权利要求1所述的一种数据中心绿色备用电源系统，其特征在于，电解池直流变换器工作于辅助调峰模式；电解池的电压-电流特性近似为线性关系；电解池直流变换器采用Buck拓扑结构，由开关管、续流二极管、储能电感、电容构成；电解池直流变换器一端连接电解池，另一端连接直流母线，通过改变占空比改变电解池端电压；电解池直流变换器根据上层调度的有功功率指令，采用闭环控制，消耗相应功率。
6.根据权利要求1所述的一种数据中心绿色备用电源系统，其特征在于，AC/DC变换器采用三相全桥变换器拓扑结构，在电网正常情况下，AC/DC变换器将三相交流电压变换为直流电压为数据中心供电，AC/DC变换器控制方式为双环控制；备用电源系统工作在备用供电模式下时，AC/DC变换器不工作；在辅助调峰模式下时，AC/DC变换器控制目标为维持直流母线电压稳定，并输出指定功率；在锂电池充电模式和制氢模式下时，AC/DC变换器控制目标为保持直流母线电压稳定，且控制并网点处交流电流与交流电压相位相同。
7.一种数据中心绿色备用电源协调控制方法，其特征在于，包括以下内容：
通过能量管理系统采集电网电压、电网功率情况、锂电池SOC、储氢单元氢含量信息，根据不同的运行情况，选择备用电源系统的工作模式；电网正常、电网输出与消耗功率平衡、锂电池SOC充足且氢气含量充足时，备用电源系统各单元处于备用阶段；电网故障时，备用电源系统工作于备用供电模式；电网电压正常、锂电池SOC充足但电网具有峰谷差时，备用电源系统运行于辅助调峰模式；当电网正常但锂电池SOC不足时，备用电源工作于锂电池充电模式；当电网正常但氢气含量不足时，备用电源工作于制氢模式。
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