CN116647003B - 一种数据中心全直流供电方法及系统 - Google Patents

一种数据中心全直流供电方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种数据中心全直流供电方法及系统，涉及供电控制技术领域。本发明基于储能设备的当前容量、机架中服务器的功耗以及机架中服务器的数量为机架服务器配置储能设备，并在储能设备配置完成后，将配置好的储能设备分布式设置在机架中，以便形成电池供电网络。并且，基于形成的这一电池供电网络，在机架供电过程中进行充放电的精确控制，能够提高储能设备中的电能利用率。

Description

一种数据中心全直流供电方法及系统
技术领域
本发明涉及供电控制技术领域，特别是涉及一种数据中心全直流供电方法及系统。
背景技术
目前能量从信息领域的角度看通常只是一个模拟变量，即只关注其物理属性(如开/关，电流，电压，功率等)而忽略其内在的信息属性，更无法从信息世界进行能量的动态时空可变粒度调配。要实现如互联网中信息共享那样的能量互联共享，首先需要基于信息物理融合系统(cyber-physical system，CPS)实现能量的信息化与互联网化管控，即在物理上把能量进行离散化(或碎片化)，使离散化的能量在时空可变控制粒度的层面进行调度；其次，基于能量的离散化，将能量系统与负载系统通过信息化整合，使能量转化成同计算资源、带宽资源以及存储资源等信息通信领域的资源一样，进而通过互联网技术进行灵活的网络化管理与调控。例如，文献“慈松.能量信息化和互联网化管控技术及其在分布式电池储能系统中的应用[J].中国电机工程学报,2015,14:3643-3648.”，通过联网技术的分布式能量管控，能够彻底解决传统电池管理中的关键问题，如效率、均衡、可靠性与安全性等问题。但是，受单体电池间差异性等影响，在实际应用过程中，并不能实现储能设备的精确控制，进而降低储能设备中的电能利用率。
发明内容
为解决现有技术存在的这一问题，本发明提供了一种数据中心全直流供电方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种数据中心全直流供电方法，包括：
获取储能设备的当前容量；所述储能设备由多个单体电池构成；
基于所述储能设备的当前容量、机架中服务器的功耗以及机架中服务器的数量为机架服务器配置所述储能设备；配置的所述储能设备在所述机架中呈分布式设置；
对分布式设置在所述机架中的储能设备的充放电进行控制。
可选地，对分布式设置在所述机架中的储能设备中的单体电池的充放电进行控制，具体包括：
获取分布式设置在所述机架中储能设备各单体电池间的连接关系；
基于所述连接关系生成树状电池网络结构；
基于所述树状电池网络结构对分布式设置在所述机架中的储能设备中的单体电池的充放电进行控制。
可选地，基于所述连接关系生成树状电池网络结构，具体包括：
将每一单体电池拆分为两个顶点；两个顶点分别对应于所述单体电池的正极和负极；
连接两个顶点形成一个单体簇；
将与正极总线直接连接的单体簇作为一级起点；
以所述一级起点为起点，采用路径搜索方法搜索所述一级起点的邻接单体簇；
将所述邻接单体簇中与所述一级起点具有两条直接通路的单体簇以及所述一级起点划分为一个一级簇；
将与除所述一级起点外的其他单体簇相邻且具有两条通路的单体簇划分为一个一级簇；
将与除所述一级起点外的其他单体簇相邻且只有一条正极与正极连接通路的单体簇划分为一个一级簇；
将与任意一个一级簇中的单体簇相邻且只有一条负极与正极连接通路的单体簇作为下一级起点，并将所述下一级起点作为新的一级起点，返回执行“以所述一级起点为起点，采用路径搜索方法搜索与所述一级起点的邻接单体簇”的步骤，直至最后一级簇中的单体簇的负极与负极总线连接，得到各级簇以及各级簇间的连接关系；
以所述正极总线为根节点，以一级簇为父节点生成树状电池网络结构。
可选地，基于所述树状电池网络结构对分布式设置在所述机架中的储能设备中的单体电池的充放电进行控制，具体包括：
将所述树状电池网络结构中每一节点作为一个电池网络；
当所述电池网络中的n个单体电池均串联时，将所述电池网络的充电/放电过程划分为多个子阶段；
每一子阶段中，按照单体电池的SOC值对单体电池进行排列，得到电池序列；
从所述电池序列中前m个单体电池，并判断是否满足第一充电/放电条件；
当所述前m个单体电池均满足所述第一充电/放电条件时，将所述前m个单体电池形成串联电池组，并对所述串联电池组进行充放电控制，当达到预定设充放电条件时，进入下一子阶段；
当所述前m个单体电池中存在j个不满足所述第一充电/放电条件的单体电池时，剔除不满足所述第一充电/放电条件的单体电池，并将前m-j个单体电池形成串联电池组，对所述串联电池组进行充放电控制；剔除j个不满足所述第一充电/放电条件的单体电池后，实时获取分布式设置在所述机架中储能设备的容量，并判断这一容量是否满足机架中服务器的功耗需求，当满足时，不做处理，并当达到预定设充放电条件时，进入下一子阶段，当不满足时，生成电池网络故障信号；
当所述前m个单体电池均满足所述第一充电/放电条件的单体电池时，生成当前电池网络故障信号。
可选地，基于所述树状电池网络结构对分布式设置在所述机架中的储能设备中的单体电池的充放电进行控制，具体包括：
当所述电池网络中的n个单体电池均并联时，将所述电池网络的充电/放电过程划分为多个子阶段；
每一子阶段中，按照单体电池的开路电压值将单体电池进行排列，得到电池序列；
从所述电池序列中前m个单体电池，并判断是否满足第二充电/放电条件；
当所述前m个单体电池均满足所述第二充电/放电条件时，将所述前m个单体电池形成并联电池组，并对所述并联电池组进行充放电控制，当达到预定设充放电条件时，进入下一子阶段；
当所述前m个单体电池中存在j个不满足所述第二充电/放电条件的单体电池时，剔除不满足所述第二充电/放电条件的单体电池，并将前m-j个单体电池形成并联电池组，对所述并联电池组进行充放电控制；剔除j个不满足所述第二充电/放电条件的单体电池后，实时获取分布式设置在所述机架中储能设备的容量，并判断这一容量是否满足机架中服务器的功耗需求，当满足时，不做处理，并当达到预定设充放电条件时，进入下一子阶段，当不满足时，生成电池网络故障信号；
当所述前m个单体电池均满足所述第二充电/放电条件的单体电池时，生成当前电池网络故障信号。
一种数据中心全直流供电系统，包括：
储能设备，用于为数据中心的机架供能；
处理器，与所述储能设备连接，植入有实施上述提供的数据中心全直流供电方法的计算机软件，用于基于所述计算机软件控制所述储能设备。
可选地，所述储能设备在所述机架中呈分布式设置。
可选地，所述储能设备包括：
单体电池，用于存储电能；
开关阵列，分别与所述单体电池和所述处理器连接，用于基于处理器的控制信号控制所述单体电池的接入和断开。
可选地，所述单体电池采用26650锂电池。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的数据中心全直流供电方法和系统，基于储能设备的当前容量、机架中服务器的功耗以及机架中服务器的数量为机架服务器配置储能设备，并在储能设备配置完成后，将配置好的储能设备分布式设置在机架中，以便形成电池供电网络。并且，基于形成的这一电池供电网络，在机架供电过程中进行充放电的精确控制，能够提高储能设备中的电能利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的数据中心全直流供电方法的流程图；
图2为本发明提供的各级簇的划分流程示意图；
图3为本发明提供的树状电池网络结构的示意图；
图4为本发明提供的树状电池网络结构的第一种优化示意图；
图5为本发明提供的树状电池网络结构的第二种优化示意图；
图6为本发明提供的数据中心全直流供电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种数据中心全直流供电方法及系统，能够实现储能设备的精确控制，进而提高储能设备中的电能利用率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的数据中心全直流供电方法，包括：
步骤100：获取储能设备的当前容量。储能设备由多个单体电池构成。
步骤101：基于储能设备的当前容量、机架中服务器的功耗以及机架中服务器的数量为机架服务器配置储能设备。配置的储能设备在机架中呈分布式设置。
步骤102：对分布式设置在机架中的储能设备的充放电进行控制。
进一步，为了实现对分布式设置在机架中的储能设备充放电的精确控制，在本发明中，步骤102的实施过程可以是：
步骤1021：获取分布式设置在机架中储能设备各单体电池间的连接关系。
步骤1022：基于连接关系生成树状电池网络结构。该步骤主要包括：
将每一单体电池拆分为两个顶点。两个顶点分别对应于单体电池的正极和负极。
连接两个顶点形成一个单体簇。
将与正极总线直接连接的单体簇作为一级起点。
以一级起点为起点，采用路径搜索方法搜索一级起点的邻接单体簇。
将邻接单体簇中与一级起点具有两条直接通路的单体簇以及一级起点划分为一个一级簇(例如，图2中的一级簇2)。
将与除一级起点外的其他单体簇相邻且具有两条通路的单体簇划分为一个一级簇(例如，图2中的一级簇1)。
将与除一级起点外的其他单体簇相邻且只有一条正极与正极连接通路的单体簇划分为一个一级簇(例如，图2中的一级簇2)。
将与任意一个一级簇中的单体簇相邻且只有一条负极与正极连接通路的单体簇作为二级起点，并将二级起点作为新的一级起点，并按照前面提供的一级簇的划分规则进行二级簇的划分(如图2所示)，根据相同的方式，不断确定下级起点以构建各级簇，直至最后一级簇中的单体电池的负极直接与负极总线连接。这样得到的同一级簇内的单体电池为并联关系，同一级簇之间也呈并联关系，直接相连的两级簇之间呈串联关系。
然后，以正极总线为根节点，以一级簇为父节点生成树状电池网络结构，如图3所示。
进一步，为了使得生成的生成树状电池网络结构能够进一步贴合实际需求，在本发明还可以对上述步骤1022生成的树状电池网络结构进行进一步优化，具体的优化过程可以为：
a：包含相同单体簇的同级簇可合并为一个簇，如前述两级簇图中的二级簇1与二级簇2可进行合并，则合并后的树状电池网络结构如图4所示。
b：当几个同级簇同时具有相同的父节点(同时与这些簇相连的上一级簇)与子节点(同时与这些簇相连的下一级簇)时，则这几个簇可以合并为一个簇，如图4中的一级簇1与一级簇2可以进行合并，合并后的树形结构如图5所示，且所有与这些可合并簇相连的子节点均为合并后簇的子节点，如合并前一级簇2的子节点和二级簇3，在合并之后为合并簇的子节点。
步骤1023：基于树状电池网络结构对分布式设置在机架中的储能设备中的单体电池的充放电进行控制。
在步骤1023的充放电控制过程中，将树状电池网络结构中每一节点作为一个电池网络。基于此，当电池网络中的n个单体电池均串联时，将电池网络的充电/放电过程划分为多个子阶段后，每一子阶段中的充放电控制过程为：
1)充电过程
在每个子阶段内，先按照电池的SOC值将所有电池从高到低进行排序，从n节单体电池中选择出SOC值最小的m节单体电池，使其满足以下条件(即串联充电条件)：
式中，Uout(i)为第i节单体电池的端电压，U为直流母线额定电压，ΔU为直流母线电压允许的偏差。
将这m个单体电池连接成串联电池组，而将剩下n-m个单体电池从电池网络中断开。在该阶段内对这m个单体电池进行充电。当充电时间达到预定时间阈值，或者，满足供电需求后，则进入下一个子阶段。
经过多个子阶段的连续充电，n个单体电池将同步接近满充状态。
当前m个单体电池中存在j个不满足串联充电条件的单体电池时，剔除不满足串联充电条件的单体电池，并将前m-j个单体电池形成串联电池组，对串联电池组进行充放电控制。剔除j个不满足串联充电条件的单体电池后，实时获取分布式设置在机架中储能设备的容量，并判断这一容量是否满足机架中服务器的功耗需求，当满足时，不做处理，并当达到预定设充放电条件时，进入下一子阶段，当不满足时，生成电池网络故障信号。在生成电池网络故障信号后，可以调用其他分布式设置的储能设备，以填补这一储能设备的空缺。
当前m个单体电池均满足串联充电条件的单体电池时，生成当前电池网络故障信号。
2)放电过程
同样地，在每个子阶段内，先按照电池的SOC值将所有单体电池从高到低进行排序，从n节单体电池中选择出SOC值最高的l节单体电池，使其满足以下条件(即串联放电条件)：
将这l个电池连接成串联电池组，而将剩下n-l个单体电池从电池网络中断开。在该阶段内对这l个电池进行放电。当放电时间达到预定时间阈值tset，或者满足maxi∈[l，n)SOC(i)-minl∈[l，n)SOC(i)＞SOCset时，则进入下一个子阶段。其中，maxi∈[l，n)SOC(i)为n-l个单体电池的最大SOC值，minl∈[l，n)SOC(i)为n-l个单体电池的最小SOC值，SOCset为设定的SOC偏差值。
经过多个子阶段的连续放电，n个单体电池将同步接近放空状态。
在放电过程中，同样需要按照上述方式剔除不满足串联放电条件的单体电池或生成电池网络故障信号，以便能够满足数据中心中机架的正常供能需求。
进一步，当电池网络中的n个单体电池均并联时，将电池网络的充电/放电过程划分为多个子阶段后，每一子阶段，按照单体电池的开路电压值VOCV将所有单体电池从高到低进行排序，得到电池序列。
从电池序列中前m个单体电池，并判断是否满足第二充电/放电条件。第二充电/放电条件包括：并联充电条件和并联放电条件。其中，并联充电条件为：并联放电条件为：/>式中，式中，I1c(i)为第i节电池的电流倍率为1C时的充电电流，I为支路电流，I′1c(i)为第i节电池的电流倍率为1C时的放电电流。基于此，每一子阶段中的充放电控制过程为：
1)充电过程
当前l个单体电池均满足并联充电条件时，将这l个电池连接成并联电池组，而将剩下n-l个电池从电池网络中断开。在该阶段内对这l个电池进行充电。当充电时间达到预定时间阈值tset，或者满足maxi∈[l，n)UOCV(i)-minl∈[l，n)UOCV(i)＞UOCV-set，则进入下一个子阶段。其中，maxi∈[l，n)UOCV(i)为n-l个单体电池的最大开路电压值，UOCV(i)为n-l个单体电池的最小开路电压值，UOCV-set为设定的开路电压偏差值。
经过多个子阶段的连续充电，n个单体电池将同步接近满充状态。
当前m个单体电池中存在j个不满足并联充电条件的单体电池时，剔除不满足并联充电条件的单体电池，并将前m-j个单体电池形成并联电池组，对并联电池组进行充放电控制。剔除j个不满足并联充电条件的单体电池后，实时获取分布式设置在机架中储能设备的容量，并判断这一容量是否满足机架中服务器的功耗需求，当满足时，不做处理，并当达到预定设充放电条件时，进入下一子阶段，当不满足时，生成电池网络故障信号。
当前m个单体电池均满足并联充电条件的单体电池时，生成当前电池网络故障信号。
2)放电过程
同样地，在放电过程的每个子阶段内，先按照单体电池的开路电压值UOCV将所有单体电池从高到低进行排序，从n节电池单元中选择出UOCV最大的l节电池单元，使其满足并联放电条件。
将这l个单体电池连接成并联电池组，而将剩下n-l个单体电池从电池网络中断开。在该阶段内对这l个单体电池进行放电。当放电时间达到预定时间阈值tset，或者maxi∈[l，n)UOCV(i)-minl∈[l，n)UOCV(i)＞UOCV-set，则进入下一个子阶段。
经过多个子阶段的连续放电，n个单体电池将同步接近放空状态。
在并联结构的放电过程中，同样需要按照上述方式剔除不满足并联放电条件的单体电池或生成电池网络故障信号，以便能够满足数据中心中机架的正常供能需求。
进一步，为了实施上述提供的数据中心全直流供电方法，本发明还提供了一种数据中心全直流供电系统。如图6所示，该系统包括：
储能设备，用于为数据中心的机架供能。其中，储能设备在机架中呈分布式设置。
处理器，与储能设备连接，植入有实施上述提供的数据中心全直流供电方法的计算机软件，用于基于计算机软件控制储能设备。图6中，刀片服务器即为数据中心机架中的服务器。
为了便于对储能设备中的单体电池的连接关系进行控制，在本发明采用的储能设备中除了设置有单体电池，还设置有开关阵列。其中，开关阵列分别与单体电池和处理器连接。
进一步，为了减少铅酸电池带来的危害，本发明中的单体电池可以采用26650锂电池。
在实际应用过程中，在充放电控制过程中，可以通过调整开关阵列的组合方式，对各单体电池的串并联方式进行组合控制。
进一步，在本发明中，储能设备的性能指标为：
1)符合国家GB/T182872000锂离子电池规范。
2)额定容量为475瓦时。
3)单次充放电性能高：同等输出功率的前提下，工作时间延长1倍左右。
4)最高可测量总电压为450V DC(可根据配置调节)。
5)最大可测量电流为400A。
6)SOC估算误差≤6％。
7)单体电池的电压测量精度≤0.5％(在可测量电压范围内)。
8)电流测量精度≤1％(按电流传感器满量程值计算)。
9)温度测量精度≤±1℃。
10)工作温度范围为－20℃～80℃。
11)故障诊断可精确到单体电池。
此外，上述的处理器中植入的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种数据中心全直流供电方法，其特征在于，包括：
获取储能设备的当前容量；所述储能设备由多个单体电池构成；
基于所述储能设备的当前容量、机架中服务器的功耗以及机架中服务器的数量为机架服务器配置所述储能设备；配置的所述储能设备在所述机架中呈分布式设置；
对分布式设置在所述机架中的储能设备的充放电进行控制；
对分布式设置在所述机架中的储能设备中的单体电池的充放电进行控制，具体包括：
获取分布式设置在所述机架中储能设备各单体电池间的连接关系；
基于所述连接关系生成树状电池网络结构；
基于所述树状电池网络结构对分布式设置在所述机架中的储能设备中的单体电池的充放电进行控制；
基于所述连接关系生成树状电池网络结构，具体包括：
将每一单体电池拆分为两个顶点；两个顶点分别对应于所述单体电池的正极和负极；
连接两个顶点形成一个单体簇；
将与正极总线直接连接的单体簇作为一级起点；
以所述一级起点为起点，采用路径搜索方法搜索所述一级起点的邻接单体簇；
将所述邻接单体簇中与所述一级起点具有两条直接通路的单体簇以及所述一级起点划分为一个一级簇；
将与除所述一级起点外的其他单体簇相邻且具有两条通路的单体簇划分为一个一级簇；
将与除所述一级起点外的其他单体簇相邻且只有一条正极与正极连接通路的单体簇划分为一个一级簇；
将与任意一个一级簇中的单体簇相邻且只有一条负极与正极连接通路的单体簇作为下一级起点，并将所述下一级起点作为新的一级起点，返回执行“以所述一级起点为起点，采用路径搜索方法搜索与所述一级起点的邻接单体簇”的步骤，直至最后一级簇中的单体簇的负极与负极总线连接，得到各级簇以及各级簇间的连接关系；
以所述正极总线为根节点，以一级簇为父节点生成树状电池网络结构；
基于所述树状电池网络结构对分布式设置在所述机架中的储能设备中的单体电池的充放电进行控制，具体包括：
将所述树状电池网络结构中每一节点作为一个电池网络；
当所述电池网络中的n个单体电池均串联时，将所述电池网络的充电或放电过程划分为多个子阶段；
每一子阶段中，按照单体电池的SOC值对单体电池进行排列，得到电池序列；
从所述电池序列中选出前m个单体电池，并判断是否满足第一充电或放电条件；
当所述前m个单体电池均满足所述第一充电或放电条件时，将所述前m个单体电池形成串联电池组，并对所述串联电池组进行充放电控制，当达到预设充放电条件时，进入下一子阶段；
当所述前m个单体电池中存在j个不满足所述第一充电或放电条件的单体电池时，剔除不满足所述第一充电或放电条件的单体电池，并将前m-j个单体电池形成串联电池组，对所述串联电池组进行充放电控制；剔除j个不满足所述第一充电或放电条件的单体电池后，实时获取分布式设置在所述机架中储能设备的容量，并判断这一容量是否满足机架中服务器的功耗需求，当满足时，不做处理，并当达到预设充放电条件时，进入下一子阶段，当不满足时，生成电池网络故障信号；
当所述前m个单体电池均不满足所述第一充电或放电条件的单体电池时，生成当前电池网络故障信号。
2.根据权利要求1所述的数据中心全直流供电方法，其特征在于，基于所述树状电池网络结构对分布式设置在所述机架中的储能设备中的单体电池的充放电进行控制，具体包括：
当所述电池网络中的n个单体电池均并联时，将所述电池网络的充电或放电过程划分为多个子阶段；
每一子阶段中，按照单体电池的开路电压值将单体电池进行排列，得到电池序列；
从所述电池序列中选出前m个单体电池，并判断是否满足第二充电或放电条件；
当所述前m个单体电池均满足所述第二充电或放电条件时，将所述前m个单体电池形成并联电池组，并对所述并联电池组进行充放电控制，当达到预设充放电条件时，进入下一子阶段；
当所述前m个单体电池中存在j个不满足所述第二充电或放电条件的单体电池时，剔除不满足所述第二充电或放电条件的单体电池，并将前m-j个单体电池形成并联电池组，对所述并联电池组进行充放电控制；剔除j个不满足所述第二充电或放电条件的单体电池后，实时获取分布式设置在所述机架中储能设备的容量，并判断这一容量是否满足机架中服务器的功耗需求，当满足时，不做处理，并当达到预设充放电条件时，进入下一子阶段，当不满足时，生成电池网络故障信号；
当所述前m个单体电池均不满足所述第二充电或放电条件的单体电池时，生成当前电池网络故障信号。
3.一种数据中心全直流供电系统，其特征在于，包括：
储能设备，用于为数据中心的机架供能；
处理器，与所述储能设备连接，植入有实施如权利要求1-2任意一项所述数据中心全直流供电方法的计算机软件，用于基于所述计算机软件控制所述储能设备。
4.根据权利要求3所述的数据中心全直流供电系统，其特征在于，所述储能设备在所述机架中呈分布式设置。
5.根据权利要求3所述的数据中心全直流供电系统，其特征在于，所述储能设备包括：
单体电池，用于存储电能；
开关阵列，分别与所述单体电池和所述处理器连接，用于基于处理器的控制信号控制所述单体电池的接入和断开。
6.根据权利要求5所述的数据中心全直流供电系统，其特征在于，所述单体电池采用26650锂电池。
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