WO2021169430A1 - 一种供电装置、供电系统及数据中心 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种供电装置、供电系统及数据中心，用以减少功率变换环节，降低设备成本和电路损耗。供电装置包括：固态变压器，用于将交流电转换为第一直流电；第一直流/直流变换器，与固态变压器耦合，用于将第一直流电转换为第二直流电；储能部件，与第一直流/直流变换器耦合，用于对第二直流电进行储能；第二直流/直流变换器，与第一直流/直流变换器耦合，用于将第二直流电转换为第三直流电，第三直流电用于为负载供电。

Description

一种供电装置、供电系统及数据中心
相关申请的交叉引用
本申请要求在2020年02月27日提交中国专利局、申请号为202010125643.4、申请名称为“一种供电装置、供电系统及数据中心”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及供电领域，尤其涉及一种供电装置、供电系统及数据中心。
背景技术
在数据中心供电领域，电网进入建筑物的供电为中压交流电(例如10kV交流电)，而数据中心中的负载(例如服务器)需要低压直流电(例如12V直流电)供电，那么在电网进入建筑物后，需要经过变换器将中压交流电转换为低压直流电，为负载供电。
现有技术中，一种数据中心的供电系统的结构示意图可以如图1所示。在图1中，10kV交流电经过低频变压器后转换为400V交流电；400V交流电经过高压直流(high voltage direct current，HVDC)变换器以后，转换为240V直流电；240V直流电经过服务器电源进行电压变换，转换为12V直流电，为负载供电。供电系统中还包括电池，电池与HVDC变换器的输出端连接，以实现备电。当供电系统无电能输入时，可以通过电池储备的电能为负载供电。
在图1所示的供电系统中，HVDC变换器包含交流(alternating current，AC)/直流(direct current，DC)变换器和DC/DC变换器这两级变换器，AC/DC变换器用于将交流电转换为直流电，DC/DC变换器的输出用于实现电池备电以及为服务器电源提供输入。由于电池的电压在充放电期间是动态变化的，因此HVDC输出的240V直流电是动态变化的，如果用变化的240V直流电通过一级DC/DC变换器变成12V直流电，12V直流电的电源指标较差，很难满足负载的要求，为此，服务器电源内一般需要一级DC/DC变换器将输入的直流电稳定在一个稳定值，然后再通过一级DC/DC变换器转换为所需要的12V直流电，因此服务器电源内一般也有两级变换器。
在图1所示的供电系统中，功率变换环节较多，导致设备成本和电路损耗增加。
综上，亟需一种数据中心的供电方案，以减少功率变换环节，降低设备成本和电路损耗。
发明内容
本申请实施例提供一种供电装置、供电系统及数据中心，用以减少功率变换环节，降低设备成本和电路损耗。
第一方面，本申请实施例提供一种供电装置，该供电装置包括：固态变压器，用于将交流电转换为第一直流电；第一直流/直流变换器，与固态变压器耦合，用于将第一直流电转换为第二直流电；储能部件，与第一直流/直流变换器耦合，用于对第二直流电进行储能； 第二直流/直流变换器，与第一直流/直流变换器耦合，用于将第二直流电转换为第三直流电，第三直流电用于为负载供电。
其中，负载可以为数据中心的服务器，储能部件可以为电池。
采用第一方面提供的供电装置，采用固态变压器对交流电进行变换后得到第一直流电，第一直流电可以经过第二DC/DC变换器进行变换后直接输出给负载，为负载供电。与现有技术提供的供电系统相比，将交流电转换成为负载供电的直流电所需的功率变换器件较少，减少了供电装置的成本和占地面积，降低了供电环节的损耗。此外，在进行储能时，通过第一DC/DC变换器将第一直流电转换为第二直流电后，由储能部件对第二直流电进行储能，可以使得储能部件的电压变化不对第二DC/DC变换器产生影响，避免为负载供电时出现电压波动的现象。
具体地，固态变压器可以包括：第一交流/直流变换器，用于将交流电转换为初级直流电；高频直流/直流变换器，与第一交流/直流变换器耦合，用于将初级直流电换为第一直流电。
在固态变压器中采用高频DC/DC变换器，与低频DC/DC变换器相比，工作频率更高，该高频DC/DC变换器用的材料(例如绕线)较少、结构尺寸较小、成本较低。
在一种可能的设计中，固态变压器还包括：控制器，用于对高频直流/直流变换器的参数进行控制。
其中，高频DC/DC变换器的参数可以包括下垂斜率，还可以包括电压环和电流环的带宽。
在一种可能的设计中，第一方面提供的供电装置还包括：开关单元，开关单元的第一端与第一直流/直流变换器耦合，第二端与第二直流/直流变换器耦合。
采用上述方案，在供电装置中的固态变压器需要维护时，可以控制开关单元断开，从而使得维护人员可以对固态变压器进行维护。在固态变压器维护完成后，可以控制开关单元闭合，从而使得供电装置继续工作，为负载供电。
第二方面本申请实施例提供一种供电系统，该供电系统包括第一供电装置、第二供电装置以及母联开关单元；第一供电装置包括：第一固态变压器，用于将第一交流电转换为第一直流电；第一直流/直流变换器，与第一固态变压器耦合，用于将第一直流电转换为第二直流电；第一储能部件，与第一直流/直流变换器耦合，用于对第二直流电进行储能；第一开关单元，分别与第一直流/直流变换器以及第二直流/直流变换器耦合；第二直流/直流变换器，与第一开关耦合，用于将第二直流电转换为第三直流电，第三直流电用于为负载供电；第二供电装置包括：第二固态变压器，用于将第二交流电转换为第四直流电；第三直流/直流变换器，与第二固态变压器耦合，用于将第四直流电转换为第五直流电；第二储能部件，与第三直流/直流变换器耦合，用于对第五直流电进行储能；第二开关单元，分别与第三直流/直流变换器以及第四直流/直流变换器耦合；第四直流/直流变换器，与第二开关单元耦合，用于将第五直流电转换为第六直流电，第六直流电用于为负载供电；其中，母联开关单元的两端分别与第一开关单元和第二开关单元耦合。
其中，负载可以为数据中心的服务器，第一储能部件和第二储能部件可以为电池，第三直流电用于为服务器中的部分部件供电，第六直流电用于为服务器中的另一部分部件供电。
采用第二方面提供的供电系统，在每个供电装置中，可以采用固态变压器对交流电进 行变换后得到直流电，得到的直流电经过DC/DC变换器后转换成为负载中的部分部件供电的直流电，在这一转换过程中，所需的功率变换器件较少，减少了供电装置的成本和占地面积，降低了供电环节的损耗。此外，在进行储能时，通过另一DC/DC变换器将固态变压器输出的直流电转换为对储能部件进行储能的直流电，可以使得储能部件在充放电过程中的电压波动不对下一级电路产生影响，避免为负载中的部件供电时出现电压波动的现象。通过供电系统中的两个供电装置，可以实现为负载中的全部部件供电，两个供电装置中的功率变换器件均较少，从而减少了供电系统的成本和占地面积，降低了供电环节的损耗。
具体地，第一固态变压器包括：第五交流/直流变换器，用于将第一交流电转换为第一初级直流电；第一高频直流/直流变换器，与第五交流/直流变换器耦合，用于将第一初级直流电转换为第一直流电；第二固态变压器包括：第六交流/直流变换器，用于将第二交流电转换为第二初级直流电；第二高频直流/直流变换器，与第六交流/直流变换器耦合，用于将第二初级直流电转换为第四直流电。
其中，第一高频DC/DC变换器和第二高频DC/DC变换器是指内部包含电力电子器件的DC/DC变换器。采用高频DC/DC变换器与采用传统的低频DC/DC变换器相比，高频DC/DC变换器的线圈匝数较少、结构尺寸较小、成本较低。此外，高频DC/DC变换器还可以用于实现交流电和直流电之间的隔离，从而避免交流电对直流电的干扰。
在一种可能的设计中，第一固态变压器还包括：第一控制器，用于对第一高频直流/直流变换器的参数进行控制；第二固态变压器还包括：第二控制器，用于对第二高频直流/直流变换器的参数进行控制。
其中，高频DC/DC变换器的参数可以包括下垂斜率，还可以包括电压环和电流环的带宽。
在一种可能的设计中，在供电系统正常工作时，第一开关单元和第二开关单元闭合，母联开关单元断开；在第一固态变压器需要维护时，母联开关单元闭合、第一开关单元断开；在第一固态变压器维护完成后，第一开关单元闭合、母联开关单元断开；在第二固态变压器需要维护时，母联开关单元闭合、第二开关单元断开；在第二固态变压器维护完成后，第二开关单元闭合、母联开关单元断开。
采用上述方案，在第一固态变压器需要维护时，第一开关单元断开，第一供电装置不再工作，母联开关单元闭合，第二供电装置中的第二固态变压器输出的第四直流电可以通过母联开关单元输出至第二DC/DC变换器，因而第二供电装置可以替代第一供电装置为负载中的第一部分部件供电，也就是说，在第一固态变压器需要维护时，负载中的全部部件均由第二供电装置供电；同样地，在第二固态变压器需要维护时，第二开关单元断开，第二供电装置不再工作，母联开关单元闭合，第一供电装置中的第一固态变压器输出的第一直流电可以通过母联开关单元输出至第四DC/DC变换器，因而第一供电装置可以替代第二供电装置为负载中的第二部分部件供电，也就是说，在第二固态变压器需要维护时，负载中的全部部件均由第一供电装置供电。
第三方面，本申请实施例还提供一种数据中心，该数据中心包括负载，以及第二方面及其任一可能的设计中提供的供电系统，该供电系统用于为负载供电。
采用第三方面提供的数据中心，由于供电系统包括的供电装置中所需的功率变换器件较少，因而可以减少供电系统的成本和占地面积，降低供电环节的损耗，进而降低数据中 心的损耗。
第四方面，本申请实施例还提供一种数据中心，该数据中心包括N个负载、至少一个母联开关单元、以及N个第一方面及其任一可能的设计中提供的供电装置，N≥2；其中，N个供电装置中的第n个供电装置通过一个母联开关单元与第n+1个供电装置耦合，N个供电装置用于为N个负载供电，1≤n≤N-1。
具体地，在N个供电装置中，第一个供电装置和第二个供电装置用于为一个负载供电，第二个供电装置和第三个供电装置用于为一个负载供电……第N-1个供电装置和第N个供电装置用于为一个负载供电，第一个供电装置和第N个供电装置用于为一个负载供电。
第四方面提供的数据中心可以视为分布式冗余(distributed redundancy，DR)数据中心，采用第四方面提供的数据中心，由于每个供电装置所需的功率变换器件较少，因而可以减少供电装置的成本和占地面积，降低供电环节的损耗，从而降低DR数据中心的损耗。
第五方面，本申请实施例还提供一种数据中心，该数据中心包括至少一个负载、至少一个母联开关单元、以及多个第一方面及其任一可能的设计中提供的供电装置；其中，多个供电装置包括第一供电装置以及至少一个第二供电装置，至少一个第二供电装置中的任一第二供电装置以及第一供电装置用于为数据中心的一个负载供电；至少一个第二供电装置中的每个第二供电装置通过一个母联开关单元与第一供电装置耦合。
第五方面提供的数据中心可以视为基本容量+冗余(base requirement+redundancy，N+R)数据中心，采用第五方面提供的数据中心，由于每个供电装置所需的功率变换器件较少，因而可以减少供电装置的成本和占地面积，降低供电环节的损耗，从而降低N+R数据中心的损耗。
附图说明
图1为现有技术提供的一种数据中心的供电系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的第一种数据中心的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种供电装置的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种供电系统的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种供电系统的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的第二种数据中心的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的第三种数据中心的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的第四种数据中心的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的第五种数据中心的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的第六种数据中心的结构示意图。
具体实施方式
下面，首先对本申请实施例的应用场景加以介绍。
本申请实施例可以应用于图2所示的数据中心。该数据中心包括供电装置/供电系统以及负载。其中，供电系统可以包括多个(例如两个)供电装置。
若该数据中心包括供电装置以及负载，则供电装置用于将交流电转换为适配负载的直流电，从而为负载供电。
若该数据中心包括供电系统以及负载，则供电系统中的每个供电装置用于将交流电转换为适配负载中部分部件的直流电，从而为负载中的部分部件供电。也就是说，负载中的不同部件可以由供电系统中的多个供电装置分别供电。示例性地，负载可以为服务器，供电系统可以包括两个供电装置，一个供电装置用于为服务器中的风扇进行供电，另一个供电装置用于为服务器中的芯片和逻辑电路进行供电。
其中，供电装置/供电系统输入的交流电可以为中压交流电(例如10kV交流电)，供电装置/供电系统输出的直流电可以为低压直流电(例如12V直流电)。
需要说明的是，图2所示的数据中心仅包括一个供电装置/供电系统以及一个负载，实际应用中，数据中心包括的供电装置/供电系统的数量以及负载的数量均可以为多个，多个供电装置/供电系统以及多个负载的架构可以有多种类型，在本申请实施例后面的描述中将会对数据中心的具体架构进行介绍，此处不再赘述。
此外，同样需要说明的是，本申请实施例提供的供电装置以及供电系统不仅可以应用于数据中心，还可以应用于其他需要将交流电转换为直流电进而为负载供电的应用场景。
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
本申请实施例提供一种供电装置、供电系统及数据中心，用以减少功率变换环节，降低设备成本和电路损耗。
参见图3，为本申请实施例提供的一种供电装置的结构示意图。该供电装置300包括固态变压器(solid-state transformers，SST)301、第一DC/DC变换器302、储能部件303、第二DC/DC变换器304。
具体地，固态变压器301用于将输入供电装置的交流电转换为第一直流电；第一DC/DC变换器302与固态变压器301耦合，用于将第一直流电转换为第二直流电；储能部件303与第一DC/DC变换器302耦合，用于对第二直流电进行储能；第二DC/DC变换器304，与第一DC/DC变换器302耦合，用于将第二直流电转换为第三直流电，第三直流电用于为负载供电。
其中，若供电装置300应用于数据中心，则负载可以为数据中心中的服务器。示例性地，固态变压器301输入的交流电可以为交流中压，第一直流电、第二直流电和第三直流电可以为直流低压。那么，数据中心可采用供电装置300实现交流中压到直流低压的转换，从而为数据中心中的服务器供电。例如，电网进入建筑物(即数据中心所在的建筑物)时的供电为三相10kV交流电(可以视为固态变压器301输入的交流电)，经过供电装置300进行电压变换后转换为12V直流电(可以视为第二DC/DC变换器304输出的第三直流电)，12V直流电可以为数据中心中的末端互联网技术(internet technology，IT)设备(例如服务器)供电。
在图1所示的供电系统中，低频变压器输出交流电，而电池在储能时需要输入直流电，因此需要通过HVDC将交流电转换为稳定的直流电，从而实现电池备电。而在本申请实施例中，固态变压器301将交流电转换为第一直流电，第一直流电经第一DC/DC变换器302进行DC/DC变换后得到第二直流电，储能部件303可以对第二直流电进行储能。具体地，储能部件303可以是电池。
其中，储能部件可以在交流电网掉电时为负载供电。由于储能部件303在进行充放电 时的电压是动态变化的，因此若储能部件303直接与固态变压器301连接，储能部件303的电压波动会对固态变压器301的下一级电路(即第二DC/DC变换器304)产生影响，使得下一级电路的电压不稳，导致为负载供电时的供电电压波动。因此，本申请实施例中，可以通过第一DC/DC变换器302将第一直流电转换为第二直流电，进而通过第二直流电对储能部件303进行储能。在这种情况下，储能部件303的电压波动不会对第一直流电产生影响，也就不会影响下一级电路的正常工作。
具体地，本申请实施例中，固态变压器301可以包括第一AC/DC变换器以及高频DC/DC变换器。第一AC/DC变换器用于将交流电转换为初级直流电；高频DC/DC变换器与第一AC/DC变换器耦合，用于将初级直流电转换为第一直流电。
高频DC/DC变换器是指内部包含电力电子器件的DC/DC变换器。传统的低频DC/DC变换器由硅钢片和绕线组成，内部没有电力电子器件。其中，电力电子器件包括但不限于金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、可控硅整流器(silicon controlled rectifier，SCR)。
高频DC/DC变换器与低频DC/DC变换器相比，工作频率更高。如果通过DC/DC变换器传输一定的能量，DC/DC变换器的工作频率越高，则在一定时间内传输能量的次数越多，每一次需要传输的能量越少。因此DC/DC变换器的工作频率较高时，该DC/DC变换器用的材料(例如绕线)较少、结构尺寸较小。也就是说，采用高频DC/DC变换器与采用低频DC/DC变换器相比，线圈匝数较少、结构尺寸较小、成本较低。
此外，高频DC/DC变换器还可以用于实现交流电和第一直流电之间的隔离，从而避免交流电对第一直流电的干扰。
在一种可能的实现方式中，固态变压器301中还可以包括控制器，该控制器用于对高频DC/DC变换器的参数进行控制。
具体地，高频DC/DC变换器的参数可以包括下垂斜率，还可以包括电压环和电流环的带宽。
此外，供电装置300中还可以包括开关单元，该开关单元的第一端与第一DC/DC变换器302耦合，第二端与第二DC/DC变换器304耦合。其中，本申请实施例对开关单元的具体类型不做限定，示例性地，该开关单元可以是晶体管开关，其导通与关断可以通过晶体管开关的控制端(例如栅极)进行控制。
开关单元的作用可以是：在供电装置300中的固态变压器301需要维护时，可以控制开关单元断开，从而使得维护人员可以对固态变压器301进行维护。在固态变压器301维护完成后，可以控制开关单元闭合，从而使得供电装置300继续工作，为负载供电。
实际应用中，可以由固态变压器301中的控制器对开关单元的闭合和断开进行控制，也可以由系统中的其他控制器对开关单元的闭合和断开进行控制。
通过以上介绍不难看出，采用本申请实施例提供的供电装置300，采用固态变压器301对交流电进行变换后得到第一直流电，第一直流电可以经过第二DC/DC变换器304进行变换后直接输出给负载，为负载供电。与图1所示的供电系统相比，将交流电转换成为负载供电的直流电所需的功率变换器件较少，减少了供电装置的成本和占地面积，降低了供电环节的损耗。此外，在进行储能时，通过第一DC/DC变换器302将第一直流电转换为第二直流电后，由储能部件303对第二直流电进行储能，可以使得储能部件303的电压变 化不对第二DC/DC变换器304产生影响，避免为负载供电时出现电压波动的现象。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种供电系统，参见图4，该供电系统400包括第一供电装置401、第二供电装置402以及母联开关单元403。
其中，第一供电装置401包括：第一固态变压器，用于将第一交流电转换为第一直流电；第一DC/DC变换器，与第一固态变压器耦合，用于将第一直流电转换为第二直流电；第一储能部件，与第一DC/DC变换器耦合，用于对第二直流电进行储能；第一开关单元，分别与第一DC/DC变换器以及第二DC/DC变换器耦合；第二DC/DC变换器，与第一开关耦合，用于将第二直流电转换为第三直流电，第三直流电用于为负载供电。
其中，第二供电装置402包括：第二固态变压器，用于将第二交流电转换为第四直流电；第三DC/DC变换器，与第二固态变压器耦合，用于将第四直流电转换为第五直流电；第二储能部件，与第三DC/DC变换器耦合，用于对第五直流电进行储能；第二开关单元，分别与第三DC/DC变换器以及第四DC/DC变换器耦合；第四DC/DC变换器，与第二开关单元耦合，用于将第五直流电转换为第六直流电，第六直流电用于为负载供电。
其中，母联开关单元403的两端分别与第一开关单元和第二开关单元耦合。在图4的示例中，母联开关单元403的两端分别与第一开关单元与第二DC/DC变换器的连接节点、以及第二开关单元与第四DC/DC变换器的连接节点连接，实际应用中，母联开关单元403的两端也可以分别与第一开关单元与第一固态变压器的连接节点、以及第二开关单元与第二固态变压器的连接节点连接，本申请实施例对此不做具体限定。
不难看出，在供电系统400中包括两个供电装置，即第一供电装置401和第二供电装置402。第一供电装置401和第二供电装置402均可以视为前述供电装置300的一个具体示例，第一供电装置401和第二供电装置402组成供电系统400，供电系统400中的每个供电装置用于将交流电转换为适配负载中部分部件的直流电，从而为负载中的部分部件供电。比如，第一供电装置401将第一交流电转换为第三直流电，为负载中的第一部分部件供电；第二供电装置402将第二交流电转换为第六直流电，为负载中的第二部分部件供电。第一部分部件和第二部分部件为负载中需要供电的所有部件，那么通过供电系统400中的两个供电装置，可以实现为负载中的所有部件供电。
若供电系统400应用于数据中心，则负载可以为数据中心中的服务器，第一储能部件和第二储能部件可以为电池。示例性地，第一供电装置401输入的第一交流电可以为交流中压，输出的第三直流电可以为直流低压，第二供电装置402输入的第二交流电可以为交流中压，输出的第六直流电可以为直流低压。那么，数据中心可采用供电系统400实现交流中压到直流低压的转换，从而为数据中心中的服务器供电。此外，还可通过第一供电装置401中的电池和第二供电装置402中的电池实现储能，在交流电网掉电时由每个供电装置中的电池继续为负载供电。
例如，电网进入建筑物(即数据中心所在的建筑物)时的供电为三相10kV交流电(可以视为第一交流电和第二交流电)，分别经过供电系统400中的第一供电装置401和第二供电装置402进行电压变换后得到两路12V直流电(可以分别视为第三直流电和第六直流电)，每一路12V直流电可以为数据中心中的末端IT设备(例如服务器)中的部分部件供电。
在供电系统400中，第一固态变压器和第二固态变压器的具体结构与前述固态变压器 301的结构类似。具体地，第一固态变压器可以包括：第五AC/DC变换器，用于将第一交流电转换为第一初级直流电；第一高频DC/DC变换器，与第五AC/DC变换器耦合，用于将第一初级直流电转换为第一直流电；第二固态变压器可以包括：第六AC/DC变换器，用于将第二交流电转换为第二初级直流电；第二高频DC/DC变换器，与第六AC/DC变换器耦合，用于将第二初级直流电转换为第四直流电。
其中，第一高频DC/DC变换器和第二高频DC/DC变换器是指内部包含电力电子器件的DC/DC变换器。采用高频DC/DC变换器与采用传统的低频DC/DC变换器相比，高频DC/DC变换器的线圈匝数较少、结构尺寸较小、成本较低。此外，高频DC/DC变换器还可以用于实现交流电和直流电之间的隔离，从而避免交流电对直流电的干扰。
此外，第一固态变压器中还可以包括：第一控制器，用于对第一高频DC/DC变换器的参数进行控制；第二固态变压器中还可以包括：第二控制器，用于对第二高频DC/DC变换器的参数进行控制。具体地，高频DC/DC变换器的参数可以包括下垂斜率，还可以包括电压环和电流环的带宽。
在供电系统400中，第一供电装置401和第二供电装置402通过母联开关单元403连接。母联开关单元403可以在第一固态变压器和第二固态变压器需要维护时发挥作用。实际应用中，在供电系统400正常工作时，第一开关单元和第二开关单元闭合，母联开关单元403断开；在第一固态变压器需要维护时，母联开关单元403闭合、第一开关单元断开；在第一固态变压器维护完成后，第一开关单元闭合、母联开关单元403断开；在第二固态变压器需要维护时，母联开关单元403闭合、第二开关单元断开；在第二固态变压器维护完成后，第二开关单元闭合、母联开关单元403断开。
不难理解，在第一固态变压器需要维护时，第一开关单元断开，第一供电装置401不再工作，母联开关单元403闭合，第二供电装置402中的第二固态变压器输出的第四直流电可以通过母联开关单元403输出至第二DC/DC变换器，因而第二供电装置402可以替代第一供电装置401为负载中的第一部分部件供电，也就是说，在第一固态变压器需要维护时，负载中的全部部件均由第二供电装置402供电；同样地，在第二固态变压器需要维护时，第二开关单元断开，第二供电装置402不再工作，母联开关单元403闭合，第一供电装置401中的第一固态变压器输出的第一直流电可以通过母联开关单元403输出至第四DC/DC变换器，因而第一供电装置401可以替代第二供电装置402为负载中的第二部分部件供电，也就是说，在第二固态变压器需要维护时，负载中的全部部件均由第一供电装置401供电。
实际应用中，在供电系统400正常工作时，第一开关单元和第二开关单元处于闭合状态，母联开关单元403处于断开状态。当需要维护第一固态变压器时，可以先闭合母联开关单元403，再断开第一开关单元。这是因为：若先断开第一开关单元，则第一供电装置401不再工作，无法为负载中的第一部分部件供电，而此时母联开关单元403处于断开状态，第二供电装置402也无法为第一部分部件供电，导致第一部分部件断电，进而导致负载无法正常运行。当第一固态变压器维护完成时，可以先闭合第一开关单元，再断开母联开关单元403。这是因为：若先断开母联开关单元403，由于此时第一开关单元处于断开状态，那么第一供电装置401和第二供电装置402均无法为第一部分部件供电，导致第一部分部件断电，进而导致负载无法正常运行。
同样地，当需要维护第二固态变压器时，可以先闭合母联开关单元403，再断开第二 开关单元；当第二固态变压器维护完成时，可以先闭合第二开关单元，再断开母联开关单元403。具体原因类似，此处不再赘述。
需要注意的是，在对第一固态变压器(或第二固态变压器)进行维护时，为了避免第一固态变压器和第二固态变压器发生并机故障，可以在母联开关单元403两端的电压之差较小或者在母联开关单元403的一端有电另一端无电的情况下闭合母联开关单元403。
此外，如前所述，第一固态变压器中还可以包括第一控制器，第二固态变压器中还可以包括第二控制器。那么，在对第一固态变压器或第二固态变压器进行维护时，第一开关单元的断开和闭合可以由第一控制器控制，第二开关单元的断开和闭合可以由第二控制器控制。此外，母联开关单元403的断开和闭合可以由第一控制器控制，也可以由第二控制器控制。例如，第一控制器可以向母联开关单元403发送用于指示母联开关单元403闭合的指示信号，母联开关单元403在接收到该指示信号后闭合。
当然，第一开关单元、第二开关单元和母联开关单元403的断开和闭合也可以由供电系统400中的其他控制器控制，本申请实施例对此不作具体限定。
从上述分析不难看出，在对第一固态变压器或第二固态变压器进行维护的过程中，存在第一开关单元、第二开关单元和母联开关单元403同时闭合的情况(例如在需要维护第一固态变压器时，母联开关单元403已经闭合、但第一开关单元还未断开时)。在检测到第一开关单元、第二开关单元和母联开关单元403均处于闭合状态的情况下，第一控制器可以控制第一高频DC/DC变换器的控制算法中的下垂斜率增大，第二控制器也可以控制第二高频DC/DC变换器的控制算法中的下垂斜率增大，从而提高第一供电装置401和第二供电装置402的均流性，使得第一供电装置401和第二供电装置402中流过的电流近似相等。
需要理解的是，本申请实施例中，第一供电装置401优先为负载中的第一部分部件供电，第二供电装置402优先为负载中的第二部分部件供电。在维护第一固态变压器时，由第二供电装置402为负载中的所有部件供电，若出现第二供电装置402过载的现象，则可以将母联开关单元402断开，从而保证第二供电装置优先为第二部分部件供电。同样地，第一供电装置401对第一部分部件也有同样的保护机制，此处不再赘述。
综上，采用本申请实施例提供的供电系统400，在每个供电装置中，可以采用固态变压器对交流电进行变换后得到直流电，得到的直流电经过DC/DC变换器后转换成为负载中的部分部件供电的直流电，在这一转换过程中，所需的功率变换器件较少，减少了供电装置的成本和占地面积，降低了供电环节的损耗。此外，在进行储能时，通过另一DC/DC变换器将固态变压器输出的直流电转换为对储能部件进行储能的直流电，可以使得储能部件在充放电过程中的电压波动不对下一级电路产生影响，避免为负载中的部件供电时出现电压波动的现象。通过供电系统400中的两个供电装置，可以实现为负载中的全部部件供电，两个供电装置中的功率变换器件均较少，从而减少了供电系统400的成本和占地面积，降低了供电环节的损耗。
需要说明的是，在供电系统400中，第一供电装置401和第二供电装置402的内部结构和功能与前述供电装置300类似，关于第一供电装置401和第二供电装置402未详尽描述之处可以参见前述供电装置300中的相关描述，此处不再赘述。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种供电系统，如图5所示，该供电系统可 以视为供电系统400的一个具体示例。
具体地，该供电系统包括SST1(第一固态变压器的一个具体示例)、SST2(第二固态变压器的一个具体示例)、电池1(第一储能部件的一个具体示例)及电池DC/DC(第一DC/DC变换器的一个具体示例)、电池2(第二储能部件的一个具体示例)及电池DC/DC(第三DC/DC变换器的一个具体示例)、开关A(第一开关单元的一个具体示例)、开关B(第二开关单元的一个具体示例)、开关C(母联开关单元403的一个具体示例)、末端电源1(第二DC/DC变换器的一个具体示例)、末端电源2(第四DC/DC变换器的一个具体示例)、以及负载。
交流电网中压(10kV)进入SST1，经SST1后，转换成稳定的低压(400V或其它电压)直流电，SST1内有两级变换器，AC/DC和DC/DC，DC/DC变换器可以实现中压交流电到低压直流电的隔离。电池1通过电池DC/DC耦合到直流低压(400V或其它电压)母线A上。低压直流经过开关A以后，供给到末端电源1，末端电源1内有一级DC/DC变换器，将400V直流电变换到更低电压的直流电(12V直流电)。
供电系统内有另外一路相同的供电回路，10kV交流经过SST2到达末端电源2，中间经过电池2和电池DC/DC组成的储能系统。SST2对应的供电回路与SST1对应的供电回路类似，此处不再详细展开介绍。
在图5所示的供电系统中，在开关A和开关B之间设置母联开关C。SST1和SST2可以通过信号线检测开关A、开关B和开关C的状态。
正常工作时，开关A、B闭合，开关C断开，SST除了给末端电源供电以外，还会通过电池DC/DC给电池充电。当SST输入端的10kV电网掉电时，电池将通过电池DC/DC给末端电源供电。电池在充放电期间，电池电压是变化的，但由于电池与直流低压母线之间有电池DC/DC，因此直流低压母线上传输的是稳定的400V直流。由于末端电源的输入是稳定的400V直流，因此末端电源用一级DC/DC变换器就可以将400V直流电转化为稳定的12V直流电，为负载供电。
当需要维护SST1(2)时，先闭合开关C，然后断开开关A(B)；当SST1(2)已经维护完成，需要接入SST1(2)时，先闭合开关A(B)，然后断开开关C。上述过程可以确保在维护SST1(2)时两路末端负载均不断电。
另外，当开关A、开关B和开关C同时闭合，且SST1、SST2正常工作时，SST1和SST2中的控制器可以分别控制DC/DC控制算法中加大下垂斜率，以提高SST1和SST2并机的均流性。当SST1正常工作、SST2不工作，且开关A和开关C闭合、开关B断开时，如SST1过载，则将开关C断开，优先保证SST1对应的末端负载供电。同理，SST2也有相同保护逻辑，此处不再赘述。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种数据中心，如图6所示，该数据中心600负载，以及包括前述供电系统400，供电系统400用于为负载供电。
其中，供电系统400的具体结构和功能可以参见之前的描述，此处不再赘述。
此外，如前所述，在数据中心中可以包括多个供电装置/供电系统以及多个负载，供电装置/供电系统与负载的架构可以有多种类型。下面介绍由供电装置300组成的两种数据中心的架构。
第一种
如图7所示，该数据中心包括N个负载701、至少一个母联开关单元702、以及N个供电装置300，N≥2。其中，在N个供电装置300中，第n个供电装置300通过一个母联开关单元702与第n+1个供电装置300耦合，N个供电装置300用于为N个负载701供电，1≤n≤N-1。
该数据中心可以视为DR数据中心，在该数据中心中，供电装置300的数量与负载701的数量相同，N个供电装置用于为N个负载供电。具体地，在N个供电装置中，第一个供电装置和第二个供电装置用于为一个负载供电，第二个供电装置和第三个供电装置用于为一个负载供电……第N-1个供电装置和第N个供电装置用于为一个负载供电，第一个供电装置和第N个供电装置用于为一个负载供电。
需要说明的是，供电装置300的具体结构可以参见前面的描述，此处不再赘述。
示例性地，图8给出了图7所示的数据中心的一个具体示例。在图8的示例中，该数据中心包括三个负载(负载1、负载2和负载3)、三个供电装置以及两个母联开关单元(开关C和开关E)。我们将自上而下的三个供电装置分别称为第一个供电装置、第二个供电装置和第三个供电装置。其中，第一个供电装置和第二个供电装置用于为负载1供电，第二个供电装置和第三供电装置用于为负载2供电，第一个供电装置和第三供电装置用于为负载3供电。
在图8所示的供电系统中，每个供电装置的具体结构可以参见图5中的相关描述，此处不再赘述。需要注意的是，由于每个供电装置需要分别为两个负载供电，因此在每个供电装置中包括两个末端电源，每个末端电源用于向一个负载提供直流电。例如，第一个供电装置中包括末端电源1和末端电源5，分别用于向负载1和负载3提供直流电。
第二种
如图9所示，该数据中心包括至少一个负载901、至少一个母联开关单元902、以及多个供电装置300。其中，多个供电装置300包括第一供电装置300a以及至少一个第二供电装置300b，至少一个第二供电装置300b中的任一第二供电装置300b以及第一供电装置300a用于为数据中心的一个负载901供电；至少一个第二供电装置300b中的每个第二供电装置300b通过一个母联开关单元902与第一供电装置300a耦合。
该数据中心可以视为N+R数据中心，在该数据中心中，由第一供电装置300a和一个第二供电装置300b为一个负载901供电，第一供电装置300a作为第二供电装置300b的备份，第一供电装置300a和第二供电装置300b不同时工作。也就是说，对于为同一负载供电的第一供电装置300a和第二供电装置300b，在第二供电装置300b正常工作的情况下，第一供电装置300a不参与为负载供电的工作，负载中的全部部件由第二供电装置300b供电；在第二供电装置300b不工作(例如掉电或维护)时，第一供电装置300a才作为第二供电装置300b的备份，为负载中的全部部件供电。
需要说明的是，第一供电装置300a和第二供电装置300b的具体结构可以参见前面关于供电装置300的描述，此处不再赘述。
示例性地，图10给出了图9所示的数据中心的一个具体示例。在图10的示例中，该数据中心包括两个负载(负载1和负载2)、三个供电装置以及两个母联开关单元(开关C和开关E)。我们将自上而下的三个供电装置分别称为第一个供电装置、第二个供电装置和第三个供电装置。其中，第一个供电装置和第二个供电装置可以视为第二供电装置300b， 第三个供电装置可以视为第一供电装置300a。其中，第一个供电装置和第三个供电装置用于为负载1供电，第二个供电装置和第三供电装置用于为负载2供电。
在图10所示的供电系统中，每个供电装置的具体结构可以参见图5中的相关描述，此处不再赘述。需要注意的是，由于第三个供电装置需要分别为两个负载供电，因此在第三个供电装置中包括两个末端电源，末端电源1和末端电源4，分别用于向负载1和负载2提供直流电。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

  1. 一种供电装置，其特征在于，包括：
    固态变压器，用于将交流电转换为第一直流电；
    第一直流/直流变换器，与所述固态变压器耦合，用于将所述第一直流电转换为第二直流电；
    储能部件，与所述第一直流/直流变换器耦合，用于对所述第二直流电进行储能；
    第二直流/直流变换器，与所述第一直流/直流变换器耦合，用于将所述第二直流电转换为第三直流电，所述第三直流电用于为负载供电。
  2. 如权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述固态变压器包括：
    第一交流/直流变换器，用于将所述交流电转换为初级直流电；
    高频直流/直流变换器，与所述第一交流/直流变换器耦合，用于将所述初级直流电转换为所述第一直流电。
  3. 如权利要求1或2所述的供电装置，其特征在于，所述固态变压器还包括：
    控制器，用于对所述高频直流/直流变换器的参数进行控制。
  4. 如权利要求1～3任一项所述的供电装置，其特征在于，还包括：
    开关单元，所述开关单元的第一端与所述第一直流/直流变换器耦合，第二端与所述第二直流/直流变换器耦合。
  5. 如权利要求1～4任一项所述的供电装置，其特征在于，所述负载为数据中心的服务器，所述储能部件为电池。
  6. 一种供电系统，其特征在于，包括第一供电装置、第二供电装置以及母联开关单元；
    所述第一供电装置包括：
    第一固态变压器，用于将第一交流电转换为第一直流电；
    第一直流/直流变换器，与所述第一固态变压器耦合，用于将所述第一直流电转换为第二直流电；
    第一储能部件，与所述第一直流/直流变换器耦合，用于对所述第二直流电进行储能；
    第一开关单元，分别与所述第一直流/直流变换器以及第二直流/直流变换器耦合；
    所述第二直流/直流变换器，与所述第一开关耦合，用于将所述第二直流电转换为第三直流电，所述第三直流电用于为负载供电；
    所述第二供电装置包括：
    第二固态变压器，用于将第二交流电转换为第四直流电；
    第三直流/直流变换器，与所述第二固态变压器耦合，用于将所述第四直流电转换为第五直流电；
    第二储能部件，与所述第三直流/直流变换器耦合，用于对所述第五直流电进行储能；
    第二开关单元，分别与所述第三直流/直流变换器以及第四直流/直流变换器耦合；
    所述第四直流/直流变换器，与所述第二开关单元耦合，用于将所述第五直流电转换为第六直流电，所述第六直流电用于为所述负载供电；
    其中，所述母联开关单元的两端分别与所述第一开关单元和所述第二开关单元耦合。
  7. 如权利要求6所述的供电系统，其特征在于，所述第一固态变压器包括：
    第五交流/直流变换器，用于将所述第一交流电转换为第一初级直流电，以及，
    第一高频直流/直流变换器，与所述第五交流/直流变换器耦合，用于将所述第一初级直流电转换为所述第一直流电；
    所述第二固态变压器包括：
    第六交流/直流变换器，用于将所述第二交流电转换为第二初级直流电，以及，
    第二高频直流/直流变换器，与所述第六交流/直流变换器耦合，用于将所述第二初级直流电转换为所述第四直流电。
  8. 如权利要求6或7所述的供电系统，其特征在于，所述第一固态变压器还包括：
    第一控制器，用于对所述第一高频直流/直流变换器的参数进行控制；
    所述第二固态变压器还包括：
    第二控制器，用于对所述第二高频直流/直流变换器的参数进行控制。
  9. 如权利要求6～8任一项所述的供电系统，其特征在于，在所述供电系统正常工作时，所述第一开关单元和所述第二开关单元闭合，所述母联开关单元断开；
    在所述第一固态变压器需要维护时，所述母联开关单元闭合、所述第一开关单元断开；在所述第一固态变压器维护完成后，所述第一开关单元闭合、所述母联开关单元断开；
    在所述第二固态变压器需要维护时，所述母联开关单元闭合、所述第二开关单元断开；在所述第二固态变压器维护完成后，所述第二开关单元闭合、所述母联开关单元断开。
  10. 如权利要求6～9任一项所述的供电系统，其特征在于，所述负载为数据中心的服务器，所述第一储能部件和所述第二储能部件为电池，所述第三直流电用于为所述服务器中的部分部件供电，所述第六直流电用于为所述服务器中的另一部分部件供电。
  11. 一种数据中心，其特征在于，包括负载，以及如权利要求6～10任一项所述的供电系统，其中所述供电系统用于为所述负载供电。
  12. 一种数据中心，其特征在于，包括N个负载、至少一个母联开关单元、以及N个如权利要求1～5任一项所述的供电装置，N≥2；
    其中，所述N个供电装置中的第n个供电装置通过一个所述母联开关单元与第n+1个供电装置耦合，所述N个供电装置用于为所述N个负载供电，1≤n≤N-1。
  13. 一种数据中心，其特征在于，包括至少一个负载、至少一个母联开关单元、以及多个如权利要求1～5任一项所述的供电装置；
    其中，所述多个供电装置包括第一供电装置以及至少一个第二供电装置，所述至少一个第二供电装置中的任一第二供电装置以及所述第一供电装置用于为所述数据中心的一个负载供电；所述至少一个第二供电装置中的每个第二供电装置通过一个所述母联开关单元与所述第一供电装置耦合。
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