CN113765112A - 数据中心柔性供电系统及控制方法 - Google Patents

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CN113765112A CN202111091703.6A CN202111091703A CN113765112A CN 113765112 A CN113765112 A CN 113765112A CN 202111091703 A CN202111091703 A CN 202111091703A CN 113765112 A CN113765112 A CN 113765112A
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Abstract

本发明公开了一种数据中心柔性供电系统，包括：能量路由器，所述能量路由器由双向AC/DC电子固态变压器、第一单向DC/DC变换模块和双向DC/DC变换模块组成，所述双向AC/DC电子固态变压器的一端与第一电网接口连接，另一端与DC汇流母线连接，所述第一单向DC/DC变换模块的输入端和所述双向DC/DC变换模块的一端与所述DC汇流母线连接；光伏阵列，所述光伏阵列与所述第一单向DC/DC变换模块的输出端连接；储能电池阵列，所述储能电池阵列与所述双向DC/DC变换模块的另一端连接；第二单向DC/DC变换模块，所述第二单向DC/DC变换模块的输入端与所述DC汇流母线连接，所述第二单向DC/DC变换模块用于为服务器提供直流供电。以10kV能量路由器为核心的数据中心柔性供电系统，适合大规模接入光伏、储能等分布式电源。

Description

数据中心柔性供电系统及控制方法
技术领域
本发明涉及数据中心供电系统技术领域，特别涉及一种数据中心柔性供电系统及控制方法。
背景技术
2020年9月22日，中国政府宣布采取更加有力的政策和措施，二氧化碳的碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取到2060年前实现“碳中和”。数据中心是耗能大户，规模化应用可再生能源是大环境必然要求。
PUE(PowerUsageEffectiveness，电源使用效率)：国际通用的数据中心电力使用效率的衡量指标，指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比。PUE值越接近于1，表示其绿色化程度越高。
据统计中国数据中心的电费占了数据中心运维总成本的60％～70％。从用电能耗角度来看，光伏是可再生能源，目前性价比较高。储能则可平抑光伏的波动性，还可以充分发挥削峰填谷作用协助节省电费、降低能耗。光伏+储能系统供电将会成为新型数据中心的绿色解决方案。
常规数据中心供电系统一般分为两类：
第一类为UPS为核心的供电系统，如图6。多个UPS输出端并联，需要考虑输出电压幅值、相位、频率等同期并列条件，不利于多个UPS快速并联。
第二类为高压直流为核心的供电系统，如图7。高压直流供电系统相比UPS供电系统，减少了DC/AC电能转换环节，AC/DC模块能直接并联使用。
近年市场上出现了所谓“巴拿马电源”，实际上也是高压直流供电系统的一种，如图8。与常规高压直流供电系统不同的是：1.巴拿马电源采用多绕组的移相变压器，实现低谐波畸变和高功率因数，从而去掉传统UPS或HVDC 240V/336V系统中，功率模块内部的功率因数校正环节。2.结合整流模块单元，对传统供电架构的配电层级进行优化整合，简化了供电链路中的多级配电。
数据中心目前各种供电系统缺点：
数据中心UPS供电系统、常规高压直流供电系统、巴拿马高压直流供电系统共同的缺点是：没有大规模接入光伏、储能的成熟技术方案；作为应急电源的蓄电池组长期处于浮充状态，难以发现落后电池，应急电源可靠性需要大量运维工作弥补。
数据中心UPS供电系统、常规高压直流供电系统接入光伏、储能示意图见图9；巴拿马高压直流供电系统接入光伏、储能示意图见图10。
问题1：目前的数据中心供电系统大规模接入光伏、储能，方案存在缺陷。
1、不能实现光伏等可再生能源100％带载。因10kV变压器为不能双向控制的电磁感应原理变压器，反向送电将造成电网不可控制的冲击。
2、当光伏等可再生能源输出小于负载时，需要配置微网控制器进行光伏、储能的调度，保证系统平衡稳定。由于光伏输出存在不可预测性，调度不及时，则会造成电网供电功率大幅波动，影响电网供电安全性和供电质量。
问题2：长期处于浮充状态的应急电源蓄电池组问题突出。
1、目前在线监测技术对于长期处于浮充状态的铅酸蓄电池组，很难准确发现落后电池，导致串联的蓄电池组存在单体电池开路的风险。
2、长期处于浮充状态的铅酸蓄电池需要定期进行人工操作的全容量离线核实容量，运维问题突出。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种数据中心柔性供电系统，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种数据中心柔性供电系统，包括：
能量路由器，所述能量路由器由双向AC/DC电子固态变压器、第一单向DC/DC变换模块和双向DC/DC变换模块组成，所述双向AC/DC电子固态变压器的一端与第一电网接口连接，另一端与DC汇流母线连接，所述第一单向DC/DC变换模块的输入端和所述双向DC/DC变换模块的一端与所述DC汇流母线连接；
光伏阵列，所述光伏阵列与所述第一单向DC/DC变换模块的输出端连接；
储能电池阵列，所述储能电池阵列与所述双向DC/DC变换模块的另一端连接；
第二单向DC/DC变换模块，所述第二单向DC/DC变换模块的输入端与所述DC汇流母线连接，所述第二单向DC/DC变换模块用于为服务器提供直流供电。
进一步地，还包括交流直供电供电系统，所述交流直供电供电系统包括：
变压器，所述变压器的输入端与第二电网接口连接，所述变压器的输出端与AC母线连接，为动力负荷交流馈线和服务器提供交流供电。
进一步地，所述储能电池阵列和所述双向DC/DC变换模块为多个，组成至少两组储能系统。
进一步地，所述双向AC/DC电子固态变压器的一端与所述第二电网接口连接，所述变压器的输入端与所述第一电网接口连接。
进一步地，还包括发电机，所述发电机与变压器的输入端连接。
进一步地，所述能量路由器为10kV能量路由器，所述双向AC/DC电子固态变压器为10kV电子固态变压器。
基于上述的数据中心柔性供电系统的数据中心柔性供电控制方法，包括以下步骤：
为数据中心提供两路供电链路；
电网供电正常时，第一路通过10kV电子固态变压器形成DC汇流母线，第一单向DC/DC变换模块、双向DC/DC变换模块与10kV电子固态变压器组成多电源能量路由器，通过第二单向DC/DC变换模块为服务器提供直流供电；
第二路通过常规变压器输出AC380V电源，供给动力负荷，同时作为交流直供电源为服务器提供交流供电。
进一步地，还包括以下步骤：
第一路电网供电异常时，使光伏阵列或储能阵列为服务器供电；
第二路电网供电异常时，发电机自启动为服务器供电。
进一步地，还包括以下步骤：
光伏充足时，优先供应服务器负荷，多余部分对储能阵列充电。
进一步地，还包括以下步骤：
储能阵列至少分为两组进行轮换工作，一组作为机架服务器应急电源，另一组利用峰谷电差进行充放电，按储能模式运行。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
数据中心柔性供电系统以10kV能量路由器为核心，适合大规模接入光伏、储能等分布式电源；
光伏、储能通过10kV电子固态变压器接入电网，潮流大小方向、电能质量双向可控，10kV电子固态变压器与光伏、储能系统组成10kV能量路由器，可接受来自电网调度的控制；
10kV电子固态变压器可有效降低DC汇流母线谐波、提高供电电能功率因数，具备完善的保护功能，对供电系统短路电流进行抑制；
储能系统双重化配置，一组用于通过峰谷电差节约电费，一组作为机架服务器应急电源，两组储能系统功能在监控系统控制下智慧轮换；
柔性供电系统优化了架构设计，精简了长期浮充的应急蓄电池组配置，使用经常充放电的储能系统代替，既解决了长期浮充蓄电池组单体开路隐患，又避免了浮充蓄电池组离线核容等运维工作；
系统中10kV电子固态开关、光伏单向DC/DC、储能双向DC/DC、高压直流单向DC/DC等各种电力电子装置全部实现模块化冗余设计；
可对各种电力电子装置进行柔性控制，实现智慧管理。
附图说明
图1为本发明的一种数据中心柔性供电系统的总体架构图。
图2为本发明的一种数据中心柔性供电系统的10kV电子固态变压器原理框图。
图3为本发明的一种数据中心柔性供电系统的光伏系统原理框图。
图4为本发明的一种数据中心柔性供电系统的储能系统原理框图。
图5为本发明的一种数据中心柔性供电系统的柔性高压直流电源系统原理框图。
图6为常规数据中心UPS供电系统架构图。
图7为常规数据中心高压直流供电系统架构图。
图8为”巴拿马电源”数据中心高压直流供电系统架构图。
图9为UPS、高压直流供电系统接入光伏、储能示意图。
图10为巴拿马电源供电系统接入光伏、储能示意图。
图11为数据中心各种供电系统比较图。
图中：10、双向AC/DC电子固态变压器；20、第一单向DC/DC变换模块；30、双向DC/DC变换模块；40、光伏阵列；50、储能电池阵列；60、第二单向DC/DC变换模块；70、变压器；80、发电机。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-5所示的一种数据中心柔性供电系统，包括：
能量路由器，所述能量路由器由双向AC/DC电子固态变压器10、第一单向DC/DC变换模块20和双向DC/DC变换模块30组成，所述双向AC/DC电子固态变压器10的一端与第一电网接口连接，另一端与DC汇流母线连接，所述第一单向DC/DC变换模块20的输入端和所述双向DC/DC变换模块30的一端与所述DC汇流母线连接；
光伏阵列40，所述光伏阵列40与所述第一单向DC/DC变换模块20的输出端连接；
储能电池阵列50，所述储能电池阵列50与所述双向DC/DC变换模块30的另一端连接；
第二单向DC/DC变换模块60，所述第二单向DC/DC变换模块60的输入端与所述DC汇流母线连接，所述第二单向DC/DC变换模块60用于为服务器提供直流供电。
其中，还包括交流直供电供电系统，所述交流直供电供电系统包括：
变压器70，变压器70为常规电磁感应式变压器，所述变压器70的输入端与第二电网接口连接，所述变压器70的输出端与AC母线连接，为动力负荷交流馈线和服务器提供交流供电。
其中，所述储能电池阵列50和所述双向DC/DC变换模块30为多个，组成至少两组储能系统。
其中，所述双向AC/DC电子固态变压器10的一端与所述第二电网接口连接，所述变压器的输入端与所述第一电网接口连接。
其中，还包括发电机80，所述发电机80变压器70的输入端连接。
其中，所述能量路由器为10kV能量路由器，所述双向AC/DC电子固态变压器10为10kV电子固态变压器。基于上述的数据中心柔性供电系统的数据中心柔性供电控制方法，包括以下步骤：
为数据中心提供两路供电链路；
电网供电正常时，第一路通过10kV电子固态变压器形成DC汇流母线，第一单向DC/DC变换模块、双向DC/DC变换模块与10kV电子固态变压器组成多电源能量路由器，通过第二单向DC/DC变换模块为服务器提供直流供电；
第二路通过常规变压器输出AC380V电源，供给动力负荷，同时作为交流直供电源为服务器提供交流供电。
其中，还包括以下步骤：
第一路电网供电异常时，使光伏阵列或储能阵列为服务器供电；
第二路电网供电异常时，发电机自启动为服务器供电。
其中，还包括以下步骤：
光伏充足时，优先供应服务器负荷，多余部分对储能阵列充电。
其中，双向AC/DC电子固态变压器、第一单向DC/DC变换模块、双向DC/DC变换模块、光伏阵列、储能电池阵列、第二单向DC/DC变换模块、变压器和发电机可以设置为多组，用于实现模块化冗余设计。
其中，还包括以下步骤：
储能阵列至少分为两组进行轮换工作，一组作为机架服务器应急电源，另一组利用峰谷电差进行充放电，按储能模式运行。
柔性控制是基于电力电子技术对电能的各个环节进行快速、精确控制的技术。
本申请基于电力电子的柔性控制技术，解决目前数据中心供电系统不能大规模接入光伏、储能的问题，大幅减小数据中心电网电能消耗，提高数据中心运营效益；优化数据中心供电系统架构，利用储能系统替代长期浮充状态的应急电源蓄电池组，解决单体电池开路隐患、蓄电池组运维工作量大的问题；通过电能转换装置模块化冗余设计解决模块可靠性、运维方便性问题；通过柔性控制解决系统电压、电流、功率平衡问题，解决电力电子模块工作效率问题。
本实施例中，数据中心柔性供电系统包括两路供电链路：一路以10kV能量路由器为核心，采用10kV电子固态变压器，光伏、储能作为应急电源，取消常规应急蓄电池组的高压直流供电系统，为机架服务器提供一路电源；另一路采用常规变压器降压、柴油发电机系统为后备电源的交流直接供电链路，给空调、风机等动力负荷供电，提供机架服务器另一路交流直供电源。系统架构见附图1。
10kV电子固态变压器原理框图见附图2，光伏系统原理框图见附图3，储能系统原理框图见附图4，光伏、储能作为应急电源的高压直流电源系统见附图5，
本实施例中系统的运行方式：
1、以10kV能量路由器为核心的柔性供电系统
(1)正常运行方式
A)10kV电源通过10kV电子固态变压器形成DC汇流母线，光伏、储能电能转换模块与10kV电子固态变压器组成多电源能量路由器，为机架服务器提供正常高压直流供电。
B)光伏充足时，优先供应数据中心负荷，有多余部分对储能电池充电。
C)储能系统分为两组：一组作为机架服务器应急电源；一组利用峰谷电差进行充放电，按储能模式运行。两组储能系统在监控系统控制下智慧轮换。
(2)10kV交流电源停电运行方式
10kV交流停电时，由光伏系统、储能系统作为的机架服务器应急电源供电。即使另一路供电链路10kV交流电源也出现停电，能保证柴油发电机系统自启动后作为后备电源继续为数据中心供电。
2、另一路交流直供电供电系统
(1)正常运行方式
A)10kV电源通过常规变压器输出AC380V电源，供给空调、风机等动力负荷，同时作为交流直供电源为机架服务器提供正常交流供电。
(2)10kV交流电源停电运行方式
10kV交流停电时，柴油发电机系统自启动，作为数据中心后备电源继续供电。
本申请的数据中心柔性供电系统与常规的几种数据中心供电系统相比，具有众多区别和优点，常规的数据中心供电系统有UPS供电系统、常规高压直流供电系统和巴拿马高压直流供电系统等，这些系统都具有共同的缺点：1.没有大规模接入光伏、储能的成熟技术方案；2.作为配置应急电源蓄电池组，应急电源蓄电池组长期处于浮充状态，难以发现落后电池，需要定期核容；3.需要应急电源可靠性需要大量运维工作弥补；4.变压器重量更重。
相比之下，数据中心柔性供电系统具有如下进步：
1、数据中心柔性供电系统以10kV能量路由器为核心，适合大规模接入光伏、储能等分布式电源。
2、光伏、储能通过10kV电子固态变压器接入电网，潮流大小方向、电能质量双向可控。10kV电子固态变压器与光伏、储能系统组成10kV能量路由器，可接受来自电网调度的控制。
3、10kV电子固态变压器可有效降低DC汇流母线谐波、提高供电电能功率因数，具备完善的保护功能，对供电系统短路电流进行抑制。
4、储能系统双重化配置。一组用于通过峰谷电差节约电费，一组作为机架服务器应急电源，两组储能系统功能在监控系统控制下智慧轮换。
5、柔性供电系统优化了架构设计，精简了长期浮充的应急蓄电池组配置，使用经常充放电的储能系统代替，既解决了长期浮充蓄电池组单体开路隐患，又避免了浮充蓄电池组离线核容等运维工作。
6、系统中10kV电子固态开关、光伏单向DC/DC、储能双向DC/DC、高压直流单向DC/DC等各种电力电子装置全部实现模块化冗余设计。
7、系统在总监控协调下，可对各种电力电子装置进行柔性控制，实现智慧管理。总监控故障，不影响系统正常运行。
因此，本申请中的数据中心柔性供电系统架构，更适合未来数据中心大规模接入光伏和储能系统的方案，与常规数据中心供电系统具体的内容对比参见附图11。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种数据中心柔性供电系统，其特征在于，包括：
能量路由器，所述能量路由器由双向AC/DC电子固态变压器、第一单向DC/DC变换模块和双向DC/DC变换模块组成，所述双向AC/DC电子固态变压器的一端与第一电网接口连接，另一端与DC汇流母线连接，所述第一单向DC/DC变换模块的输入端和所述双向DC/DC变换模块的一端与所述DC汇流母线连接；
光伏阵列，所述光伏阵列与所述第一单向DC/DC变换模块的输出端连接；
储能电池阵列，所述储能电池阵列与所述双向DC/DC变换模块的另一端连接；
第二单向DC/DC变换模块，所述第二单向DC/DC变换模块的输入端与所述DC汇流母线连接，所述第二单向DC/DC变换模块用于为服务器提供直流供电；
变压器，所述变压器的输入端与第二电网接口连接，所述变压器的输出端与AC母线连接，为动力负荷交流馈线和服务器提供交流供电。
2.根据权利要求1所述的数据中心柔性供电系统，其特征在于，所述储能电池阵列和所述双向DC/DC变换模块为多个，组成至少两组储能系统。
3.根据权利要求1所述的数据中心柔性供电系统，其特征在于，所述双向AC/DC电子固态变压器的一端与所述第二电网接口连接，所述变压器的输入端与所述第一电网接口连接。
4.根据权利要求1所述的数据中心柔性供电系统，其特征在于，还包括发电机，所述发电机与变压器的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的数据中心柔性供电系统，其特征在于，所述能量路由器为10kV能量路由器，所述双向AC/DC电子固态变压器为10kV电子固态变压器。
6.基于权利要求1-5所述的数据中心柔性供电系统的数据中心柔性供电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
为数据中心提供两路供电链路；
电网供电正常时，第一路通过10kV电子固态变压器形成DC汇流母线，第一单向DC/DC变换模块、双向DC/DC变换模块与10kV电子固态变压器组成多电源能量路由器，通过第二单向DC/DC变换模块为服务器提供直流供电；
第二路通过常规变压器输出AC380V电源，供给动力负荷，同时作为交流直供电源为服务器提供交流供电。
7.根据权利要求6所述的数据中心柔性供电控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
第一路电网供电异常时，使光伏阵列或储能阵列为服务器供电；
第二路电网供电异常时，发电机自启动为服务器供电。
8.根据权利要求7所述的数据中心柔性供电控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
光伏充足时，优先供应服务器负荷，多余部分对储能阵列充电。
9.根据权利要求8所述的数据中心柔性供电控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
储能阵列至少分为两组进行轮换工作，一组作为机架服务器应急电源，另一组利用峰谷电差进行充放电，按储能模式运行。
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