CN114647291A

CN114647291A - 向服务器集群提供电力的模块和电源系统以及数据中心

Info

Publication number: CN114647291A
Application number: CN202111544586.4A
Authority: CN
Inventors: 高天翼
Original assignee: Baidu USA LLC
Current assignee: Baidu USA LLC
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2041-12-16
Also published as: US20220200331A1; US11469612B2; CN114647291B

Abstract

向服务器集群提供电力的模块和电源系统以及数据中心。服务器分为服务器集群，每个服务器集群由具有来自电源模块的多个输入的多个电源提供服务。每个电源模块包括局部总线和局部控制器，局部控制器控制局部总线上的连接，以将公用电力传递到其分配的服务器集群，或将备用电力输送到任何服务器集群。每个电源模块具有电池存储系统和PV系统，电池存储系统具有到局部总线和系统间总线的可切换连接，以及PV系统具有到局部总线和系统间总线的可切换连接。电池存储系统可以通过公用电力或PV系统充电。系统间总线连接到所有服务器集群，使得可以传递和调度系统间总线中流动的电力以为任何服务器集群供电。

Description

向服务器集群提供电力的模块和电源系统以及数据中心

技术领域

本公开的实施例总体上涉及用于向数据中心供电的架构，并且更具体地，涉及在数据中心的集群中实现对电力分配的控制的多功能性的模块化架构。

背景技术

通常，数据中心将冗余电源合并到服务器和各种辅助设备(例如冷却、照明等)，以确保不间断的服务。电源可以包括公用电力(由公用事业公司提供)、柴油发电机和备用电池。在现代数据中心中，公用电力可以通过不间断电源(uninterruptible powersupplies,UPS)输送到服务器，UPS执行所需的电源调节并为备用电池组充电。因此，当公用电源为交流(alternating current，AC)时，公用电力向UPS储能单元，诸如铅酸电池，提供直流(direct current，DC)电。UPS还通过这些铅酸电池为短时公用电力中断提供备用电力；但是，如果发生较长时间的中断，则柴油发电机将提供备用电力。当提供给机架电源单元(power supply unit，PSU)或服务器PSU时，公用电力为单相或三相AC。然后，PSU将AC转换为DC，然后交付给电路板。在一些最近的解决方案中，PSU可能直接吸收DC输入。

为了确保不间断运行而需要的电源冗余增加了数据中心的成本和复杂性。而且，许多专用于冗余的设备大部分时间都处于空闲状态，从而导致资源利用效率低下。备用设备即使不使用也需要定期维护，这一事实使情况更加恶化。

数据中心通常由数百或数千个服务器和相关的操作设备组成。这些服务器相互连接，以为订户提供计算和存储功能。这些服务器中的每一个容纳指定数量的CPU、GPU、ASIC、DIMM、SSD或HHD等。当需要增加容量时，可以添加其他服务器单元，每个服务器单元具有自己的预定数量的CPU、GPU、ASIC、DIMM、SSD或HHD。添加服务器还需要添加设施设备，诸如电源和冗余备用设备。但是，这种容量扩展方法效率低下。

此外，持续更新的环境法规，诸如不同地区的CO2排放限制，可能会限制柴油发电系统的使用和安装。新的能源形式可能会有用，并通过适当的安装和用例设计为数据中心供电提供新的可能的解决方案。

发明内容

公开的实施例提供了用于使用模块以有效的方式向数据中心供电的架构，其中每个模块耦接到分配的服务器集群。扩展后，可以轻松添加附加的模块。在正常操作中，每个服务器集群由公用电力从其自己分配的模块供电。相反，可以使用系统间DC总线在模块之间共享备用电力，从而可以有效地利用备用系统。

公开的实施例提供了一种用于向服务器集群提供电力的模块，包括：直流(DC)总线；将公用电源连接到DC总线的公用开关；将DC总线连接到服务器集群的电力线；电池存储和将电池存储连接到DC总线的存储开关；光伏(photovoltaic，PV)系统和将PV系统连接到DC总线的PV开关；以及控制向服务器集群的电力传递的局部控制器。

公开的方面进一步提供了一种用于具有多个服务器集群的数据中心的电源系统，每个服务器集群具有多个服务器，系统包括：具有多个备用可切换连接的系统间总线，每个备用可切换连接将系统间总线连接到多个服务器集群中的一个；主控制器，耦接到系统间总线并激活多个备用可切换连接；多个电源模块，每个电源模块向指定的一个服务器集群提供公用电力，并向所有服务器集群提供备用电力，每个电源模块包括：连接到指定的一个服务器的可切换公用电力；耦接到可切换公用电力连接的模块总线；与系统间总线耦接的电池存储系统；与系统间总线耦接的可再生能源系统；连接到模块总线并激活可切换公用电力连接的局部控制器。

进一步公开的方面还提供了数据中心，包括：系统间总线；多个服务器集群，每个服务器集群具有到公用电源的可切换公用电力连接和到系统间总线的可切换备用电力连接；多个电池存储系统，每个电池存储系统具有到系统间总线的可切换连接；多个太阳能面板系统，每个太阳能面板系统具有到系统间总线的可切换连接；主控制器，激活电池存储系统的可切换连接和太阳能面板系统的可切换连接以提供备用电力。

附图说明

在附图中，通过示例而非限制的方式示出了本发明的实施例。在附图中，相似的附图标记指示相似的元件。

图1A是示出根据实施例的系统架构的示例的框图，而图1B示出根据另一实施例的架构。

图2示出了根据实施例的两层控制装置的框图。

图3示出了根据所公开的实施例的用于维护的系统的设置的示例。

图4示出了根据所公开的实施例的设置的示例，其中公用电力1发生故障。

图5示出了根据实施例的控制逻辑设计的示例。

图6示出了根据实施例的控制流程的示例。

图7示出了根据另一实施例的控制流程的示例。

具体实施方式

将参考下面讨论的细节描述本发明的各种实施例和方面，并且附图将示出各种实施例。以下描述和附图是本发明的说明，并且不应解释为限制本发明。描述了许多具体细节以提供对本发明的各种实施例的透彻理解。但是，在某些情况下，为了提供对本发明的实施例的简要讨论，没有描述众所周知的或常规的细节。

在说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全指同一实施例。

以下详细描述提供了突出本文所要求保护的创新电源和备用装置的某些特征和方面的示例。不同的实施例或其组合可以用于不同的应用或实现不同的结果或益处。取决于寻求实现的结果，可以单独地或与其他特征组合地，部分地或最大程度地利用本文公开的不同特征，以平衡优点与要求和约束。因此，将参考不同的实施例强调某些益处，但是不限于所公开的实施例。即，本文公开的特征不限于在其中描述它们的实施例，而是可以与其他特征“混合和匹配”并结合在其他实施例中。

当前公开内容引入了模块化设计和架构，此模块化设计和架构使得能够灵活地配置数据中心中的服务器的冗余电源。公开的实施例提供了“绿色”或可持续的解决方案，其减少了资本和运营成本，并最大化了配电网络的利用率和效率。

公开的实施例包括分布在数据中心中的不同子系统之间的电力系统的设计。设计包括两个级别：系统级别和控制级别。实施例旨在通过动态地控制子系统之间的潮流来提高在不同运行条件期间的电力使用的效率。

公开的实施例在配电系统中结合了多个电源，包括公用电力、存储系统(电池)和可再生电源(PV面板)。公用电力是一种稳定的电源，用于直接为服务器供电，即不通过UPS。存储系统由电池组成，这些电池可以存储来自公用或可再生资源的电力。当公用电力不可用或没有来自其他资源的足够电力时，可以使用存储系统为同一子系统的集群提供服务。调度可再生能源以在不同场景下服务于不同的负载，并根据其可用性对其进行控制。每个电力系统都可以进行模块化和预封装，然后再交付给数据中心。

图1A是示出用于数据中心中的电力分配的实施例的总体示意图。图1A中所示的实施例由三个相同的模块100、110和120组成，整个系统可以包括服务所有服务器所需的足够数量的模块。而且，可以在需要时通过简单添加模块来轻松扩展系统。以下是每个模块的结构和操作以及模块之间的互操作的描述。

每个模块可以被称为子系统，并且每个模块包括三个能源：公用电力、存储电力和再生电力(PV模块)。每个模块的电力通过系统DC总线102、112、122进行控制和传递。如图所示，电力通过电力连接从每个系统DC总线传递到相应的服务器集群，在图1A中以集群1、集群2和集群3表示。例如，通过闭合开关S19、S20和S21，每个集群都直接由公用电力供电，这是正常运行模式。类似地，通过闭合开关S4、S9和S14，可以从电池存储给每个集群供电。最后，通过闭合开关S5、S10和S15，可以从可再生能源给每个集群供电。这些开关中的每一个可以由其相应的局部控制器独立控制，分别表示为控制器1、控制器2和控制器3，以使每个集群可以根据需要从不同的源获得供电。每个局部控制器与主控制器130通过通信总线160通信，主控制器130也控制互操作，如下所述。

独立模块还经由系统间DC总线150互连。也就是说，在每个模块内，服务器集群可以通过开关S16、S17和S18连接到系统间DC总线150。系统间DC总线150可以由任何或所有存储系统104、114和/或124以及由任何或所有可再生能源系统106、116和/或126供电。系统间DC总线150的各个开关由主控制器130控制，使得任何集群可以由任何集群的任何可用电源供电。即，使用系统间DC总线150，一个模块的服务器集群可以由另一模块的电源供电。以此方式，模块之间共享备用资源，以减少每个服务器集群需要物理配置的所需备用电源的数量，同时在某些操作期间增加可用的备用资源。

图1A所示的实施例包括可选的特征，其中每个可再生系统包括连接到第一和第二DC-DC转换器的光伏系统。第一DC转换器，即，转换器1、转换器3和转换器5中的每一个，用于控制由每个单独的PV系统提供的电压，并控制所有单独的PV面板的互连。第二转换器，即转换器2、转换器4和转换器6中的每一个，用于控制从每个单独的PV系统施加到系统间DC总线150的电压。多级转换器可以提高配置的灵活性，以进一步实现系统升级和调整。

两级DC总线的实现为模块供电提供了多功能性。以下是为系统供电的示例。在正常操作模式下，开关S19、S20和S21由相应的局部控制器闭合。在此位置，每个服务器集群都由公用电力直接供电。当需要时，开关S4、S9或S14中的每一个可以闭合，从而可以从公用电力为相应的存储系统104、114或124充电。相反，如果开关S19、S20或S21中的任何一个断开并且相应的存储开关S4、S9或S14闭合，则相应的服务器集群可以由相应的存储系统供电。而且，每个存储系统可以如下由对应的可再生资源充电。以第一模块为例，闭合开关S4和S5将传递来自PV系统106的能量以对存储系统104的电池充电。

通过使用系统间DC总线150的互连进一步增强了多功能性。为了说明，当开关S19、S4和S5断开时，可以通过闭合到系统间DC总线150的开关S16来向服务器集群1供电。然后，可以从任何模块的任何存储或PV系统向系统间DC总线150提供能量。例如，可以通过闭合开关S1、S6和/或S11中的任何一个或全部来提供备用电力，以使得到系统间DC总线150的电力由存储系统104、114和/或124中的任何一个或所有提供。也可以通过闭合开关S3、S8和/或S13从PV系统中的任何一个或所有提供到系统间DC总线的电力。注意，当开关S2、S7和/或S12中的任何一个闭合时，相应的存储系统可以由PV系统充电。需要指出的是，连接到存储系统的不同线路可以理解为代表潮流。可以将其上安装有S1和S2开关的线路理解为形成完整的全回路。这意味着开关S1和S2可以在一条线路上组合为一个单元。可以将其上安装有S4的线路理解为用于从系统DC总线102充电的第二输入线路。

图1B示出了系统的另一个实施例。图1B的实施例与图1A的实施例相似，除了存储电力和PV系统电力只能通过系统间总线150来传递，公用电力仅通过专用的可切换的电力连接传递给每个服务器集群。除此之外，系统是相同的，并且各个元件由相同的附图标记标识。

如所指出的，实现了两层控制系统以操作子系统的各种开关。图2示出了根据实施例的两层控制装置的框图。主控制器130通过通信总线160与模块控制器通信。这是一种高级通信，例如，主控制器130可以指示模块控制器1将其服务器集群连接到公用电力，并指示模块控制器2将其服务器集群与公用电力的连接断开并连接到备用电源。模块控制器接收高级指令，并将其转换为模块控制器的子系统内各种开关的特定操作。因此，在刚刚提供的示例中，模块控制器1将开关S19置于闭合位置，而将其模块中的所有其他开关置于断开位置，模块控制器2将开关S20置于断开位置，而将开关S17和S6置于闭合位置。根据主控制器130的进一步指令，其他子系统控制器可以控制其他开关，以将其他存储系统和/或PV系统连接到系统间DC总线，以向集群2提供备用电源。

子系统控制器还通过传感器收集有关所有电力资源(公用电力，存储系统和PV系统)的状态的信息。子系统控制器与主控制器130交换信息。使用从子系统控制器接收的数据，由主控制器130使用优化算法做出操作决策。然后，主控制器可以将自身的控制信号发送到各个开关，或者向子系统控制器提供高级指令以更新开关和/或转换器的状态。

以下提供了图1A的系统的一些操作的示例。图3示出了子系统100的公用电力1进行维护的情况。如弯曲箭头所示，断开开关S19以将公用电力1与服务器集群1断开。相反，闭合开关S16以将服务器集群1连接至系统间DC总线150。主控制器130接收来自每个子系统的信号，以确定来自相应的PV系统或存储系统的电力是否足以为服务器集群1供电。如果子系统100的PV系统1有电力，则开关S3将闭合；如果子系统110的PV系统2有电力，则S8将被闭合；并且，作为示例，子系统120的PV系统3没有足够的电力，因此开关S13保持断开。如果还有附加的子系统，则对其他子系统执行相同的过程，并且相应地，如果电源有电力，则闭合开关。

然后，控制器计算是否有足够的总电力来服务处于维护中的集群1。如果没有，则控制器将闭合适当的开关，以便连接选定的存储系统以提供所需的其余电力。在此示例中，PV系统1和2当前具有足够的电力，因此只有开关S3和S8被闭合以从那些太阳能面板获取电力。维护完成后，将断开开关S16、S3和S8，并闭合开关S19，以恢复公用电力正常运行。

为了提供另一个示例，图4示出了公用电力1发生故障的情况。为了确保不间断的服务，闭合开关S16以从系统间DC总线150获取电力，并且闭合开关S1以从存储系统104提供即时备用电力。然后，主控制器130将从每个子系统接收信号，以确定是否有来自PV系统和/或存储系统的足够的电力。例如，如果子系统1的PV系统106有电力，则开关S3将闭合；如果子系统2的PV系统116有电力，则开关S8将闭合，等等。

此外，开关S2可以闭合，使得来自PV系统的能量可以用于对存储系统104进行充电。基于电池的能量存储系统可能无法同时执行充电和放电。但是，如前几节所述，开关S1和S2可能是连接在存储系统104和系统间DC总线150之间的一个闭环上的单个电路。因此，仅在放电或充电模式下控制存储系统104。

此外，如果故障持续时间较长，则其他存储系统可以连接到系统间DC总线以提供附加的备用电力。例如，开关S6可以闭合以施加来自存储系统114的电力，开关S11可以闭合以施加来自存储系统124的电力。图4中所示的位置具有为服务器集群1供电的存储系统104，以及通过开关S16直接为集群供电的PV系统106、116和126。另一方面，集群2和3从公用电源获得电力。

图5示出了系统的控制逻辑的示例。主控制器130周期性地检查系统的状态，并且在此示出和描述的步骤和顺序仅作为一个示例是任意选择的。在500处，主控制器130检查子系统中的任何一个是否遇到公用电源的电力中断。如果没有检测到电力中断，则在505，主控制器130检查是否需要维护任何元件。如果未检测到维护请求，则在510，由局部控制器继续进行控制，并且主控制器130返回到循环的开始。

维护情况和电力中断情况之间的区别在于，可以预先计划和控制维护模式，从而可以控制公用电源的中断时间。这意味着可以更安全地共享来自系统间DC总线的备用电源。例如，可以分阶段执行维护，以便可以通过系统间DC总线上可用的备用电源更好地弥补公用电力的减少。相反，对于电力中断模式，电力的丢失非常严重且不可预测，因此根据电力中断的场景，所有备用电源可能都需要完全专用于其集群。

相反，如果在500处注意到子系统中的一个经历公用电力中断，则主控制器130将在520发送信号以闭合存储系统和系统间DC总线之间的开关，以立即确保集群由电池备用电力供电。然后，在525，主控制器130将检查每个子系统以查看其是否具有足够的可再生电力，如果是，则在530处闭合可再生资源与系统间DC总线150之间的开关。

在505中，如果子系统需要维护，则主控制器130将检查子系统中的任一个是否具有可用的可再生电力，并且在540，主控制器将使用来自具有可再生电力的任何子系统的可用的可再生电力。然后，在545，主控制器130检查可用的可再生能源是否足以在维护期间为集群供电。如果可以，它将维持与PV系统的连接。然而，如果没有足够的太阳能源可用，则在550，主控制器130将恢复到维护子系统的存储系统，以便提供额外的电力。如果需要，可以从连接到系统间DC总线150的其他子系统的存储系统获得附加的备用电力。

如前所述，主控制器130可以向局部控制器发布高级命令，并且局部控制器通过生成局部控制信号来执行这些命令。这种过程的一个例子由图6的流程图说明，其中局部控制器执行局部命令以在子系统的维护期间实现电力供应。在600，控制器检查每个PV系统以查看它们是否可以提供足够的电力。在605，控制器闭合提供足够的电力的每个PV系统的开关，以将其连接至系统间DC总线150。在610，控制器计算可从连接至系统间DC总线的PV系统获得的总电力。在615，如果总电力不足，则控制器闭合存储系统到系统间DC总线150的开关。在控制器中，对于电力中断模式和维护模式，响应时间和等待时间应该是不同的。

图7的流程图示出了另一个示例，其中在公用电力中断的情况下，局部控制器执行局部命令。在700，在感测到公用电力的损耗时，受影响的服务器集群的存储系统立即连接以提供备用电力。在705，控制器检查所有PV系统以确定它们是否可以向受影响的集群供电。在710，局部控制器闭合具有可用电力的任何PV系统的开关，从而将其连接到系统间DC总线150。在705之前，所有相应的能量存储系统被连接到系统间DC总线。

一旦包括能量存储系统和PV系统的备用电源连接到系统间DC总线，则电力中断模式下的配电和调度算法也可以与每个集群中的负荷和SLA(service level agreement，服务水平协议)相关。

通过以上公开，提供了用于多个服务器集群的电源系统，系统包括多个子系统，其中每个子系统与多个集群中的一个相关联，每个子系统包括系统DC总线，将公用电力连接到系统DC总线和相关联的集群的公用开关，具有将存储系统连接到系统DC总线的存储开关的存储系统，具有将可再生能源系统连接到系统DC总线的可再生开关的可再生能源系统，以及连接到系统DC总线的局部控制器，系统进一步包括：具有多个备用电力开关的系统间DC总线，每个备用电力开关将系统间DC总线连接到多个集群中的一个；多个备用存储开关，每个备用存储开关将系统间DC总线连接到一个存储系统；以及多个PV开关，每个PV开关将系统间DC总线连接到一个可再生能源开关。

在公开的实施例中，可以通过连接在DC总线和服务器集群之间的电力线从其自身的DC总线上可用的电源向每个服务器集群提供能量。服务器集群还可以通过连接在系统间DC总线和集群之间的第二电力线从任何电池存储系统和任何PV系统(包括连接到其自身的DC总线的系统)接收电力。第二电力线包括用于将服务器集群与系统间DC总线连接和断开连接的开关。

在前述说明书中，已经参考本发明的特定示例性实施例描述了本发明的实施例。显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的更广泛精神和范围的情况下，可以对其进行各种修正。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims

1.一种用于向服务器集群提供电力的模块，包括：

直流(DC)总线；

将公用电源连接到DC总线的公用开关；

将DC总线连接到服务器集群的电力线；

电池存储和将电池存储连接到DC总线的存储开关；

光伏(PV)系统和将PV系统连接到DC总线的PV开关；以及

连接到DC总线的局部控制器。

2.根据权利要求1所述的模块，进一步包括具有与外部模块的连接的系统间总线，并且其中，所述模块还包括：

电池存储和系统间DC总线之间的第一可切换连接；

PV系统和系统间DC总线之间的第二可切换连接；以及

连接在系统间DC总线和服务器集群之间的可切换电力线。

3.根据权利要求2所述的模块，进一步包括连接在电池存储和系统间DC总线之间的用于充电和放电的可切换线。

4.根据权利要求1所述的模块，进一步包括连接到系统间DC总线和局部控制器的主控制器。

5.根据权利要求4所述的模块，其中，局部控制器被配置为控制在DC总线中流动的公用电力，并且主控制器被配置为控制在系统间DC总线中流动的电力。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的模块，其中，PV系统包括多个PV面板，调节从PV面板输出的电力的第一转换器，以及接收第一转换器的输出电力并调节用于DC总线和系统间DC总线的输出电力的第二转换器。

7.一种用于具有多个服务器集群的数据中心的电源系统，每个服务器集群具有多个服务器，系统包括：

具有多个备用可切换连接的系统间总线，每个备用可切换连接将系统间总线连接到多个服务器集群中的一个；

主控制器，耦接到系统间总线并激活多个备用可切换连接；

多个电源模块，每个电源模块向服务器集群中的指定一个提供公用电力，并向所有服务器集群提供备用电力，每个电源模块包括：

与指定的一个服务器的可切换公用电力连接；

耦接到可切换公用电力连接的模块总线；

与系统间总线耦接的电池存储系统；

与系统间总线耦接的可再生能源系统；

耦接到模块总线并激活可切换公用电力连接的局部控制器。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述电池存储系统进一步耦接至模块总线。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，可再生能源系统进一步耦接至模块总线。

10.根据权利要求9所述的系统，进一步包括在主控制器和局部控制器之间的控制连接。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中，可再生能源系统包括连接至第一转换器以及第二转换器的多个太阳能面板，第二转换器接收第一转换器的输出电力并且向系统间总线提供调节后的电力。

12.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中，每个电池存储系统包括到系统间总线的可切换电力传递连接和从系统间总线的可切换充电连接。

13.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中，每个局部控制器被配置为控制在相应的模块总线中流动的电力，并且主控制器被配置为控制在系统间总线中流动的电力。

14.一种数据中心，包括：

系统间总线；

多个服务器集群，每个服务器集群具有到公用电源的可切换公用电力连接和到系统间总线的可切换备用电力连接；

多个电池存储系统，每个电池存储系统具有到系统间总线的可切换连接；

多个太阳能面板系统，每个太阳能面板系统具有到系统间总线的可切换连接；

主控制器，激活电池存储系统的可切换连接和太阳能面板系统的可切换连接以提供备用电力。

15.根据权利要求14所述的数据中心，进一步包括：

多个局部总线，每个局部总线耦接到服务器集群中的相应一个；

多个备用开关，每个备用开关将一个电池存储系统连接到一个局部总线；

多个PV开关，每个PV开关将一个太阳能面板系统连接到一个局部总线。

16.根据权利要求15所述的数据中心，其中，每个可切换公用电力连接被连接到一个局部总线。

17.根据权利要求16所述的数据中心，进一步包括多个局部控制器，每个局部控制器激活一个可切换公用电力连接。

18.根据权利要求17所述的数据中心，进一步包括耦接主控制器和多个局部控制器的通信链接。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的数据中心，其中，多个太阳能面板系统中的每个包括：连接至第一转换器以及第二转换器的多个太阳能电池板，第二转换器接收第一转换器的输出并提供调节的电力。

20.根据权利要求17所述的数据中心，其中，每个局部控制器被配置为控制在相应的一个局部总线中流动的电力，并且主控制器被配置为控制在系统间总线中流动的电力。