CN116826694A - 多端口数据中心供电系统及供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的多端口数据中心供电系统，包括连接中压配电网的电力电子变压器，电力电子变压器输出端连接低压直流母线，低压直流母线通过多个低压直流端口连接多个分布式能源，低压直流母线还连接多个DCDC变换器，每个DCDC变换器连接IT负载、蓄电池。在本发明供电方法中，分布式能源输出电压传输至低压直流母线，有充电需求时，蓄电池或IT负载的直流电压、电感电流给定，采集低压直流母线电压，经电压比较后，通过电压控制环生成DCDC变换器的电感电流指令，采集DCDC变换器的电感电流，经电流比较后，通过电流控制环生成输入蓄电池或IT负载的控制信号。解决了供电系统中分布式能源接入困难、运行效率低、投资成本高的问题。

Description

多端口数据中心供电系统及供电方法
技术领域
本发明属于数据中心供电电源技术领域，具体涉及多端口数据中心供电系统，还涉及多端口数据中心供电方法。
背景技术
供电系统的高效化、绿色化以及紧凑化是数据中心发展的重要方向。为此，数据中心供电架构不断优化，从基于交流的UPS供电系统，到基于直流的HVDC系统，再到基于移向变压器的巴拿马系统，但是以上架构均基于传统的工频变压器。工频变压器的以电网的50/60Hz为变换频率，磁性元件受制于较低的工作频率，整体体积、效率等难以提升。为此，基于高频变换的电力电子变压器逐渐成为了学术界和工业界的研发方向。申请号为202210717998.1，名称为一种数据中心供电系统及方法的发明专利中，首先提出在数据中心场景应用的电力电子变压器，并指出有望提升电网接入的电能质量以及整体变换效率，但是该专利并未对电力电子变压器在数据中心的整体架构提出明确解决方案；申请号为202120627001.4，名称为一种数据中心的交直流供电结构的专利中提出采用传统变压器和电力电子变压器联合供电的系统架构，并通过配置柴发接口满足不间断供电需求，但是未涉及分布式能源的接入方式，难以支撑数据中心绿色化转型；申请号为202010125643.4，名称为一种供电装置、供电系统及数据中心中提出了电力电子变压器在数据中心场景应用的拓扑结构，通过级联的方式实现中压直接并网，但是仅仅局限于数据中心自身的拓扑结构及控制方式，申请号为202111532000.2，名称为交直流混联多端口电能路由器及其控制方法中提出了多端口电力电子变压器在数据中心供电场景的应用，但是对于分布式能源的接入还需要提供额外的变换装置，导致供电效率较低。以上现有技术中更多聚焦在数据中心场景电力电子变压器的应用方案、接线方案以及拓扑结构，接口形式多为双端口，且未能充分发挥分布式能源对于数据中心进行供电，同时并未有公开文献论述多端口装置的控制方式以实现多种能量的高效利用。
发明内容
本发明的目的是提供多端口数据中心供电系统，解决了数据中心现有供电系统技术中分布式能源接入困难、运行效率低、投资成本高的问题。
本发明的另一目的是提供多端口数据中心供电方法。
本发明所采用的技术方案是，多端口数据中心供电系统，包括输入端连接中压配电网的电力电子变压器，电力电子变压器输出端连接低压直流母线，低压直流母线通过多个低压直流端口连接多个分布式能源，低压直流母线还连接多个DCDC变换器输入端，每个DCDC变换器输出端通过负荷端口连接IT负载、蓄电池。
本发明的特点还在于：
电力电子变压器包括多个功率模块，多个功率模块的高压侧功串联后连接中压配电网，低压侧并联后汇集连接统一低压直流母线。
中压配电网为中压交流配电网或中压直流配电网。
电力电子变压器的高压侧通过三相系统级联中压交流配电网或串联中压直流配电网。
中压配电网为中压交流配电网时，每个功率模块采用两级式拓扑结构，第一级采用AC/DC变换器，第二级采用适用于高频隔离的拓扑结构，第一级中直流端口与第二级的直流端口相连接，中压配电网为中压直流配电网时，每个功率模块采用两级式拓扑结构，第一级采用DC/DC变换器，第二级采用适用于高频隔离的拓扑结构，第一级中直流端口与第二级的直流端口相连接。
低压直流母线电压为可变范围，范围包括500V~1500V。
低压直流端口数不少于1。
低压直流端口包含分布式能源接入所需的采样装置、保护装置以及线缆系统，采样装置包括电压及电流采样，保护装置包括断路器、熔丝以及防雷系统，线缆系统包含一次线缆以及二次线缆。
本发明所采用的另一技术方案是，多端口数据中心供电方法，使用多端口数据中心供电系统，具体按照以下步骤实施：
分布式能源输出电压经低压直流端口传输至低压直流母线，当蓄电池或IT负载有充电需求时，蓄电池或IT负载的直流电压、电感电流给定，采集低压直流母线电压，将直流电压给定与低压直流母线电压比较后，通过电压控制环生成DCDC变换器的电感电流指令，采集DCDC变换器的输出电感电流，将该电感电流与电感电流给定比较后，通过电流控制环生成输入蓄电池或IT负载的控制信号。
还包括电流传输至电力电子变压器输入端后，通过最大功率点跟踪算法以及电力电子变压器输入端电压、输出端电流确定中压配电网的控制信号具体过程为：低压直流母线中电流传输至电力电子变压器输入端后，经最大功率点跟踪算法得到电力电子变压器输入端电压给定，采集电力电子变压器输入端电压，与电力电子变压器输入端电压给定比较后通过电压控制环生成网测电流给定，采集电力电子变压器输出端电流，与网测电流给定比较后通过电流控制环生成输入中压配电网的控制信号。
本发明的有益效果是：
本发明多端口数据中心供电系统，在电力电子变压器的基础上，实现了中压直接接入，同时构建了多个端口，分别实现了分布式能源吸收以及数据中心负荷的供电，通过相应的控制架构，实现了分布式能源的最大出力同时保证了数据中心负荷处蓄电池及负载的管理。本发明能够提升数据中心的供电效率，促进分布式能源的消纳，降低数据中心供电系统的成本投资，优化数据中心整体能耗（PUE）水平。
附图说明
图1是多端口数据中心供电系统结构示意图；
图2是本发明中中压配电网、电力电子变压器、分布式能源工作原理图；
图3是本发明中低压直流母线、DCDC变换器、蓄电池、IT负载负荷工作原理图；
图4是电力电子变压器实现方式（以中压交流接入为例）示意图；
图5是DCDC变换器的实现方式示意图；
图6是本发明中DCDC变换器的控制策略示意图；
图7是本发明中电力电子变压器的控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明多端口数据中心供电系统，如图1所示，包括输入端连接中压配电网的电力电子变压器，其中，中压配电网为中压交流配电网或中压直流配电网；电力电子变压器输出端连接低压直流母线，低压直流母线通过多个低压直流端口连接多个分布式能源，低压直流母线还连接多个DCDC变换器输入端，每个DCDC变换器输出端通过负荷端口连接IT负载、蓄电池。
本实施例中，采用基于电力电子变压器的中压并网方案，实现10kV中压配电网的接入。具体而言：电力电子变压器通过高频隔离变换替代传统工频隔离方式，在高频隔离方案上通过开关器件实现几百赫兹至几百千赫兹的变换，其中开关器件可选择硅基的MOSFET、IGBT，也可以采用基于碳化硅材料的MOSFET、IGBT。
电力电子变压器包括多个功率模块，多个功率模块的高压侧功串联后连接中压配电网，低压侧并联后汇集连接统一低压直流母线。基于模块化技术电力电子变压器可适配中压交流配电网以及中压直流配电网，低压直流端口连接分布式能源，可实现如光伏、风电、储能等直流形式的分布式能源，DCDC变换器实现低压直流至数据中心负荷的电能变换，同时兼具蓄电池充放电的功能，负荷端口作为DCDC变换器和IT负载的接口，可依据数据中心负荷的规模进行灵活配置。
相对于现有技术，数据中心供电系统与分布式能源系统相互独立，本发明通过直流耦合的方式实现数据中心供电系统与分布式能源的融合。如图2所示，通过直流方式实现分布式能源接入，降低了传统DC/AC变换器等变换环节，降低了接入难度；同时通过分布式能源直接为数据中心负荷供电，降低中间变换环节，同时利用电力电子变压器实现负荷供电节省了传统UPS以及变压器等设备，提升了运行效率，降低了不同类型设备的投资成本。
电力电子变压器的高压侧通过三相系统级联中压交流配电网或串联中压直流配电网。
如图3所示，针对功率模块内部，采用两级式拓扑结构，中压配电网为中压交流配电网时，每个功率模块采用两级式拓扑结构，第一级采用AC/DC变换器，第二级采用适用于高频隔离的拓扑结构，第一级中直流端口与第二级的直流端口相连接，中压配电网为中压直流配电网时，每个功率模块采用两级式拓扑结构，第一级采用DC/DC变换器，第二级采用适用于高频隔离的拓扑结构。第一级中直流端口与第二级的直流端口相连接。
以上第二级采用适用于高频隔离的拓扑结构，包含谐振式拓扑结构，如LLC，SRC，CLLC等，同时包含移向式拓扑结构，如DAB及其多电平变换形式。
实施例2
在实施例1的基础上，低压直流母线电压为可变范围，范围包括500V~1500V，其电压值受电力电子变压器控制而定。
低针对分布式能源接入，以低压直流母线为汇集点，通过配置低压直流端口，实现分布式能源接入，低压直流端口的容量以及端口数依据分布式能源的规模以及接入点数量而定。具体的，低压直流端口的端口数不少于1。通过中压配电网为电力电子变压器进行供电，电力电子变压器通过内部控制算法实现母线电压控制，该低压直流母线的电压依据分布式能源的最大功率输出而定。电力电子变压器采集分布式能源的电压以及电流，通过最大功率算法设定低压直流母线的电压。具体而言，通过成熟的最大功率点跟踪算法实现目前电压给定值的确定。针对电力电子变压器，采集中压配电网电压以及电流，低压直流母线的电压电流，依据设备内部运行要求进行数据的采集以及保护的动作。
其中DCDC变换器连接低压直流母线，电力电子变压器端口输出负荷通过低压直流母线传输至DCDC变换器，实现数据中心负荷的供电。DCDC变换器能够实现输入宽范围以及输出宽范围电压的控制。DCDC变换器通过内部占空比调试实现宽范围电压运行，具体而言，如图4所示，输出侧电压被蓄电池电压所钳位，DCDC变换器需要依据蓄电池荷电状态以及IT负载电流情况确定电路的功率状况，进而完成相应的控制。DCDC变换器通过采集低压直流母线电压及电流、负荷电压电流、蓄电池电压电流实现设备内部运行要求进行数据的采集以及保护的动作。低压直流端口包含分布式能源接入所需的采样装置、保护装置以及线缆系统，采样装置包括电压及电流采样，保护装置包括断路器、熔丝以及防雷系统，线缆系统包含一次线缆以及二次线缆。
本发明中，DCDC变换器实现低压直流母线至数据中心负荷的供电以及蓄电池的管理，DCDC变换器可采用降压型直流变换器、升压型直流变换器以及升降压型直流变换器，如图5所示。
DCDC变换器输出侧电压可兼容主流数据中心电压范围，包括240V以及336V数据中心电压系统。
DCDC变换器输出通过负荷端口连接IT负载（数据中心），负荷端口包括保护用熔丝、直流断路器以及负荷开关等。
实施例3
多端口数据中心供电方法，使用多端口数据中心供电系统，具体按照以下步骤实施：
图6描述的是DCDC变换器的控制策略，另外分别对电力电子变压器、DCDC变换器接入电压控制环以及电流控制环。
如图6所示，分布式能源输出电压经低压直流端口传输至低压直流母线，当蓄电池或IT负载有充电需求时，蓄电池或IT负载的直流电压、电感电流给定，采集低压直流母线电压作为反馈，将直流电压给定与低压直流母线电压反馈比较后，通过电压控制环生成DCDC变换器的电感电流指令，采集DCDC变换器的输出电感电流作为电感电流反馈，将该电感电流反馈与电感电流给定比较后，通过电流控制环生成输入蓄电池或IT负载的控制信号；
如图7所示，低压直流母线电流传输至电力电子变压器输入端，经最大功率点跟踪算法得到电力电子变压器输入端电压给定，采集电力电子变压器输入端电压作为直流电压反馈，与电力电子变压器输入端电压给定比较后通过电压控制环生成网测电流给定，采集电力电子变压器输出端电流作为网侧电流反馈，与网测电流给定比较后通过电流控制环生成输入中压配电网的控制信号。
针对电力电子变压器的控制策略如图7所示，具体的，以分布式光伏为例，电压指令通过最大功率点跟踪算法来进行确定，满足分布式能源的最大功率输出。其中最大功率点跟踪算法为行业成熟控制算法，包括扰动观察、电导增量等算法。
本发明中，电力电子变压器由模块化的拓扑构成，核心部件为功率模块，为了实现中压电网的连接，功率模块在中压电网侧进行串联，进而满足中压并网的电压需求。针对低压直流母线，功率模块进行并联连接，进而实现模块的功率汇集。针对功率模块，其内部由AC/DC变换器以及隔离型拓扑结构（例如隔离型DCDC变换器）构成，其中隔离型DCDC变换器包含DC/AC变换器、高频变压器以及DC/AC变换器三个环节。具体而言，AC/DC变换器实现交流电能至直流电能的变换。隔离DCDC变换器实现电路隔离以及低压直流端口的功率传递，内部DC/AC变换器实现低压直流电能至低压交流电能的变换，该交流电能的频率转换为几百赫兹至几百千赫兹，通过高频变压器实现电气隔离。本发明中高频电能变换能够实现电力电子变压器的轻量化和小型化，通过高频电能隔离的方式可大幅节省电力电子变压器内部的磁性材料以及绕组材料，进而降低电力电子变压器成本以及损耗，有利于电力电子变压器的成本、效率、体积等优化。
通过上述方式，本发明多端口数据中心供电系统，针对中压接入采用了电力电子变压器的技术手段，通过高频变换替代工频，优化了供电系统的传输效率、占地面积以及灵活性；通过低压直流端口实现了分布式能源的直接接入，进行有效优化了分布式能源的接入效率，通过DCDC变换器进行负荷的供电管理，有效实现了负荷以及蓄电池的综合管理。相对于现有技术，直流形式的分布式系统需要通过逆变器等变换装置完成低压直流至低压交流的电能传输，通过工频变压器提升电压至中压配网，再通过中压配网连接至数据中心供电系统，整体传输链条长，成本高，效率低，管理复杂，另外一方面，分布式能源的传输需要占用电力电子变压器中压变换的容量，制约着分布式能源就地消纳。由此可见，本发明供电系统能够应用至数据中心的供电，且具有显著的应用优势。

Claims (10)

1.多端口数据中心供电系统，其特征在于，包括输入端连接中压配电网的电力电子变压器，所述电力电子变压器输出端连接低压直流母线，所述低压直流母线通过多个低压直流端口连接多个分布式能源，所述低压直流母线还连接多个DCDC变换器输入端，每个所述DCDC变换器输出端通过负荷端口连接IT负载、蓄电池。
2.根据权利要求1所述多端口数据中心供电系统，其特征在于，所述电力电子变压器包括多个功率模块，多个所述功率模块的高压侧功串联后连接中压配电网，低压侧并联后汇集连接统一低压直流母线。
3.根据权利要求2所述多端口数据中心供电系统，其特征在于，所述中压配电网为中压交流配电网或中压直流配电网。
4.根据权利要求3所述多端口数据中心供电系统，其特征在于，所述电力电子变压器的高压侧通过三相系统级联中压交流配电网或串联中压直流配电网。
5.根据权利要求3所述多端口数据中心供电系统，其特征在于，所述中压配电网为中压交流配电网时，每个所述功率模块采用两级式拓扑结构，第一级采用AC/DC变换器，第二级采用适用于高频隔离的拓扑结构，第一级中直流端口与第二级的直流端口相连接，所述中压配电网为中压直流配电网时，每个所述功率模块采用两级式拓扑结构，第一级采用DC/DC变换器，第二级采用适用于高频隔离的拓扑结构，第一级中直流端口与第二级的直流端口相连接。
6.根据权利要求3所述多端口数据中心供电系统，其特征在于，所述低压直流母线电压为可变范围，范围包括500V~1500V。
7.根据权利要求1所述多端口数据中心供电系统，其特征在于，所述低压直流端口数不少于1。
8.根据权利要求1所述多端口数据中心供电系统，其特征在于，所述低压直流端口包含分布式能源接入所需的采样装置、保护装置以及线缆系统，所述采样装置包括电压及电流采样，所述保护装置包括断路器、熔丝以及防雷系统，所述线缆系统包含一次线缆以及二次线缆。
9.多端口数据中心供电方法，其特征在于，使用权利要求1-8任意一项所述的多端口数据中心供电系统，具体按照以下步骤实施：
分布式能源输出电压经低压直流端口传输至低压直流母线，当蓄电池或IT负载有充电需求时，蓄电池或IT负载的直流电压、电感电流给定，采集低压直流母线电压，将直流电压给定与低压直流母线电压比较后，通过电压控制环生成DCDC变换器的电感电流指令，采集DCDC变换器的输出电感电流，将该电感电流与电感电流给定比较后，通过电流控制环生成输入蓄电池或IT负载的控制信号。
10.根据权利要求9所述多端口数据中心供电方法，其特征在于，还包括电流传输至电力电子变压器输入端后，通过最大功率点跟踪算法以及电力电子变压器输入端电压、输出端电流确定中压配电网的控制信号具体过程为：低压直流母线中电流传输至电力电子变压器输入端后，经最大功率点跟踪算法得到电力电子变压器输入端电压给定，采集电力电子变压器输入端电压，与电力电子变压器输入端电压给定比较后通过电压控制环生成网测电流给定，采集电力电子变压器输出端电流，与网测电流给定比较后通过电流控制环生成输入中压配电网的控制信号。
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