高压直流供电系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种应用于数据中心的新型离线式高压直流供电系统架构。新系统架构具有如下特点：一、新架构IT设备采用市电直供，高压直流完全离线的方式，效率高于传统高压直流在线方式；二、负载直流母线加入备用整流屏，被各个子系统共用，以较少投资极大提高系统可靠性；三、离线模式减少整流模块的使用，提高系统效率，降低投入成本；四、蓄电池组使用二极管接入负载，利用二极管自然续流和反偏截止的优点，无需人工控制开关，即可实现将供电组和备用整流屏的自动隔离。综合来看，新供电架构具有实用、高可靠性、高效和低投入优点。
【专利说明】高压直流供电系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电源【技术领域】，尤其涉及一种高压直流供电系统。
【背景技术】
[0002]现有的数据中心中，通常使用UPS(Uninterruptible Power System,不间断电源)为主要供电设备，但该设备存在转换效率低、输入电流谐波大、可靠性低、成本高等缺点。在此背景下，HVDC (High-Voltage Direct Current,高压直流输电)技术进入人们的视野,并逐渐走向成熟。
[0003]目前，国内高压直流输电技术主流的供电电压为240V，该供电技术的架构形式为，使用整流器输出和蓄电池输出接到同一直流母线上，通过直流供电控制系统实现对负载功率的供电和对蓄电池组的充放电管理。例如，如图1所示，当前高压直流系统由整流屏和直流屏组成，整流模块输出并联挂接在直流母线上，经直流屏配电后为负载供电。当高压直流供电系统正常供电时，整流模块承担全部的功率输出，蓄电池则处于浮充状态；当高压直流供电系统故障时，蓄电池通过直流屏的直流供电母线为负载供电。
[0004]然而，现有的高压直流输电技术存在以下问题:
[0005]I)、高压直流系统通常为在线模式，整流模块会产生能量损耗，导致系统整体的效率降低；
[0006]2)、整流模块的容量配置通常为负载的最大负荷量和蓄电池组充电所需容量，因此导致需要设置多个整流模块，投入成本很高；
[0007]3)、目前蓄电池在线充放电功能无法在离线模式中使用。
【发明内容】
[0008]本发明旨在至少解决上述技术问题。
[0009]为此，本发明的第一个目的在于提出一种高压直流供电系统。该系统具有效率高、生产投入低、可靠性高、操作快速方便的优点。
[0010]为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的高压直流供电系统包括:多个负载；分别为所述多个负载供电的市电直供母线；分别为所述多个负载供电的多个子供电系统，每个所述子供电系统进一步包括:第一整流屏，所述第一整流屏包括至少一个整流模块，所述第一整流屏的一端与交流母线相连；第一蓄电池组和一端与所述第一蓄电池组相连的第一开关；第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述第一整流屏和所述第一开关的另一端相连；负载用直流母线，所述负载用直流母线与所述第一二极管的阴极相连，所述负载用直流母线为所述子供电系统对应的负载供电；第一供电控制器，所述第一供电控制器与所述第一开关相连，所述第一供电控制器控制所述第一开关为所述负载用直流母线供电；以及分别为所述多个子供电系统供电的备用整流系统。
[0011]根据本发明实施例的高压直流供电系统，至少存在以下优点:
[0012]I)采用市电直供、高压直流供电离线模式的方案，供电效率都高于传统的高压直流在线模式供电方案；
[0013]2)负载直流母线上加入备用整流屏，可被各个子供电系统共用，以较少的投入极大的提高了系统的可靠性；
[0014]3)备用整流屏处于热备份状态，保证了备用直流母线一直带电，这样可以保证当其中一个子供电系统出现故障时，只需通过闭合一个开关即可为系统提供冗余供电，操作快速方便。
[0015]4)蓄电池组使用二极管接入负载，利用二极管自然续流和反偏截止的优点，无需人工控制开关，即可实现将供电组和备用整流屏的自动隔离；
[0016]5)离线模式下大大减少了整流模块的数量，降低了投入成本；
[0017]6 )离线模式增加了蓄电池测试用直流母线，根据系统模式和运行状态自动控制开关的断开与闭合，以简单实用的方法解决了高压直流离线模式下蓄电池组定期放电测试的问题。测试母线在蓄电池非测试期，完全可以实现备用直流母线的功能，减少备用直流母线的投入。
[0018]综上所述，本发明实施例的高压直流供电系统具有效率高、成本投入低、可靠性高、操作快速方便的优点。
[0019]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
[0021]图1是现有的闻压直流供电系统的结构不意图；
[0022]图2是根据本发明一个实施例的离线模式高压直流供电系统的结构示意图；
[0023]图3是根据本发明一个实施例的高压直流供电系统离线模式供电控制的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0025]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0026]流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属【技术领域】的技术人员所理解。
[0027]下面参考附图描述根据本发明实施例的高压直流供电系统。
[0028]目前，国内高压直流输电系统的架构形式为，使用整流器输出和蓄电池输出接到同一直流母线上，通过直流供电控制系统实现对负载功率的供电和对蓄电池组的充放电管理。
[0029]图2是根据本发明一个实施例的离线模式高压直流供电系统的结构示意图，图3是根据本发明一个实施例的高压直流供电系统离线模式供电控制的结构示意图。
[0030]如图2和图3所示，高压直流供电系统包括:多个负载100、市电直供母线200、多个子供电系统300、交流母线400、测试用直流母线500、备用整流系统600，其中，多个子供电系统300包括:第一整流屏311、第一蓄电池组312、第一开关313、负载用直流母线330、第一二极管314、第一供电控制器315、第二开关316、第二整流屏321、第二蓄电池组322、第三开关323、第二二极管324、第二供电控制器325和第四开关326，备用整流系统600包括:备用整流屏610、备用直流母线620和第五开关630。
[0031]其中，多个负载100可为例如应用在数据中心中的刀片式服务器、多电源服务器、打印机、扫描仪、传真机等。
[0032]分别为多个负载供电的市电直供母线200。
[0033]分别为多个负载供电的多个子供电系统300，其中，每个子供电系统包括第一整流屏311，第一整流屏311包括至少一个整流模块，第一整流屏311的一端与交流母线400相连；第一蓄电池组312和一端与第一蓄电池组312相连的第一开关313 ;第一二极管314，第一二极管314的一端与第一整流屏311和第一开关313的另一端相连；负载用直流母线330，负载用直流母线330与第一二极管314的另一端相连，负载用直流母线330为子供电系统300对应的负载100供电；第一供电控制器315,第一供电控制器315分别与第一开关313和第一二极管314相连，第一供电控制器315控制第一开关313为负载用直流母线330供电。
[0034]分别为多个子供电系统300供电的备用整流系统600。
[0035]在本发明的一个实施例中，子供电系统300还包括第二开关316，第二开关316的一端与第一整流屏311相连，第二开关316的另一端与测试用直流母线500相连，第一供电控制器315控制第二开关316。
[0036]在本发明的一个实施例中，子供电系统300还包括第二整流屏321，第二整流屏321包括至少一个整流模块，第二整流屏321的一端与交流母线400相连；第二蓄电池组322，第二蓄电池组322和一端与第二蓄电池组322相连的第三开关323 ;第二二极管324，第二二极管324的一端与第二整流屏321和第三开关323的另一端相连，第二二极管324的另一端与负载用直流母线330相连；第二供电控制器325，第二供电控制器325分别与第三开关323和第二二极管324相连，第二供电控制器325控制第三开关323为负载用直流母线330供电。
[0037]在本发明的一个实施例中，子供电系统300还包括第四开关326，第四开关326的一端与第二整流屏321相连，第四开关326的另一端与测试用直流母线500相连，第二供电控制器325控制第四开关326。
[0038]在本发明的一个实施例中，备用整流系统600包括备用整流屏610，备用整流屏610包括至少一个整流模块，备用整流屏610的一端与交流母线400相连；与备用整流屏610相连的备用直流母线620，备用直流母线620的另一端与多个第五开关630相连，多个第五开关630的另一端分别与多个子供电系统300相连。
[0039]下面结合图2和图3详细说明一下高压直流供电系统中各个组成部分的功能和工
作原理。
[0040]I)供电系统部分:如图2所示，高压直流供电系统可由多个子供电系统300组成，例如如图1中所示，由子供电系统300 (1#)、子供电系统300 (2#)、子供电系统300 (3#)...子供电系统300 (η#)组成。其中，每个子供电系统300的系统结构均相同，分别给对应的负载100供电。子供电系统300可通过第二开关316和第四开关326接入到测试用直流母线500上，可以达到高压直流离线模式下蓄电池放电测试的目的，提高了系统的可维护性。[0041 ] 2 )子供电系统部分:如图2所示，每个子供电系统300可包括两个供电组，即供电组I和供电组2，每个供电组主要由一个整流屏、一个二极管和两个开关组成。每个供电组均配置一组蓄电池组，供电组对该蓄电池组进行充电、放电的管理。以子供电系统300(1#)为例，子供电系统300中可包括相同的两组整流屏，即第一整流屏311和第二整流屏321、两组蓄电池组，即第一蓄电池组312和第二蓄电池组322、一组二极管，即第一二极管314和第二二极管324以及对应的两组开关，即第一开关313和第三开关323、第二开关316和第四开关326。其中，第一整流屏311和第二整流屏321均可包括一个或者多个整流模块。
[0042]3)备用整流系统部分:高压直流供电系统中还配有一套备用整流系统600。以子供电系统300 (1#)为例，备用整流屏610接入到备用直流母线620上，子供电系统300 (1#)通过第五开关630和备用直流母线620相连，备用直流母线620和子供电系统300 (1#)内的第一二极管314、第二二极管324配合可为子供电系统300的负载作冗余供电，这提高了系统整体的可靠性。应理解，备用整流系统600通过备用直流母线620和各个子供电系统300对应第五开关620接入到子供电系统300中，由此，实现多个子供电系统的共用。其中，备用直流母线700可以单独设置，也可用测试直流母线500代替。因为测试直流母线500仅蓄电池巡检时使用，绝大多数时间是空置的，并且备用设备的接入采用电操投切的方式，正常时相互隔离，那么测试直流母线500完全可以满足备用供电要求，并且还使系统架构变简单，降低成本。
[0043]下面结合图2和图3详细说明一下高压直流供电系统中离线模式的工作原理。
[0044]在本发明的一个实施例中，第一供电控制器315与第一整流屏311中的整流模块相连，第一供电控制器315控制第一整流屏311的输出状态。其中，输出状态包括但不限于第一整流屏311输出的电压、电流和功率中的一种或者多种。
[0045]在本发明的一个实施例中，当第一蓄电池组312放电时，且第一蓄电池组312的电量低于预设电量时，第一供电控制器315控制第一开关313断开。其中，预设电量可为系统默认的，或者在系统中设置的。此外，当市电供电正常时，保持第一开关313闭合以为第一蓄电池组312充电。由此，可以保护蓄电池组。
[0046]在本发明的一个实施例中，当第一蓄电池组312的电量低于预设电量时,第一供电控制器315控制第一开关313闭合或者保持此开关为闭合状态，以实现对第一蓄电池组312充电。此外,第一供电控制器315还用于调整第一整流屏311的输出功率以使第一蓄电池组312的充电电流保持恒定。
[0047]在本发明的一个实施例中，第一供电控制器315还用于调整第一整流屏311的输出电压以完成对第一蓄电池组312的充电。
[0048]在本发明的一个实施例中，在离线模式下，当市电直供母线200所连接的市电正常时，第一整流屏311和第二整流屏321处于空载热备状态。
[0049]具体地，以子供电系统300 (1#)为例。正常工作时，市电直供母线200承担全部功率输出。第一蓄电池组312接入负载用直流母线330作为后备。整流模块在离线模式下无需向负载100提供功率输出，以此，只需配置少量模块，满足第一蓄电池组312充电和电源的空载损耗即可，大大降低了第一整流屏和第二整流屏的容量，大幅降低了投入成本。
[0050]备用整流屏600配置满容量的整流模块，至少可以为一个子供电系统300提供满负荷功率，正常情况下备用整流屏600中的绝大部分整流模块处于休眠状态，备用整流屏600处于热备份状态，即输出电压但不输出电流。当一个子供电系统300中的市电直供母线200出现故障或需要维护时，闭合第五开关800，备用整流屏600通过备用直流母线700对故障子供电系统中的负载100供电。
[0051]更具体地，在离线模式下，第一供电控制器315控制闭合第一开关313，且断开第三开关316，此时整流模块输出电压270V，第一蓄电池组312处于浮充状态，通过第一二极管314接入至负载直流母线330。由于无负载电流流过，因此此时第一二极管314损耗可以忽略不计。紧急情况时，需要第一蓄电池组312提供功率输出时，整流模块随着负载功率提高进入恒功率模式，即电流升高而电压降低，此时第一蓄电池组312开始放电，以弥补负荷的提高。此外,应理解,子供电系统300中的另外一个供电组，即供电组2，与上述说明的供电组I的构造和功能相同，此处不再复赘。
[0052]此外，还可通过测试用直流母线500对第一蓄电池组312进行放电测试。具体地，以供电组I为例，当第一蓄电池组312放电时，第一供电控制器315控制第三开关316闭合，并且控制整流屏前端开关断开，此时，第一二极管314起到反向截止作用，以使第一整流屏311完全与子供电系统300隔离,此时第一蓄电池组312可对负载100供电。
[0053]应理解，对第二蓄电池组322也可以通过上述方式进行放电测试，其原理相同，此处不再复赘。此外，对第一蓄电池组312进行放电测试时，保证子供电系统300中的第二蓄电池组322在线。此外，第一蓄电池组312放电测试后，需要将第一蓄电池组312恢复到满充状态后，在对第二蓄电池组322进行放电测试，由此，可以降低测试中的风险。
[0054]此外，以子供电系统300 (1#)为例，当子供电系统300 (1#)的市电直供母线200出现故障或需要维护，第一蓄电池组312和第二蓄电池组322通过分别对应的第一二极管314和第二二极管324向负载100进行放电。此时，闭合第五开关800，备用整流屏600将在十几秒内自动启动，备用直流母线700的电压高于第一蓄电池组312和第二蓄电池组322的电压，第一蓄电池组312和第二蓄电池组322停止对负载100供电，转由备用直流母线700对负载100供电。由于第一二极管314和第二二极管324有反向截止作用，备用系统不会对第一蓄电池组312和第二蓄电池组322进行充电动作。如果进行充电动作，则第一蓄电池组312和第二蓄电池组322的充电电流将会不可控，存在安全隐患。由此，提高了系统整体的可靠性，并操作简单灵活。[0055]根据本发明实施例的高压直流供电系统，至少存在以下优点:
[0056]I)采用市电直供、高压直流离线模式的方案，供电效率都高于传统的高压直流在线模式输出的供电方案；
[0057]2)负载直流母线上加入备用整流屏，可被各个子供电系统共用，以较少的投入极大的提高了系统的可靠性；
[0058]3)备用整流屏处于热备份状态，保证了备用直流母线一直带电，这样可以保证当其中一个子供电系统出现故障时，只需通过闭合一个开关即可为系统提供冗余供电，操作快速方便；
[0059]4)蓄电池组使用二极管接入负载，利用二极管自然续流和反偏截止的优点，无需人工控制开关，即可实现将供电组和备用整流屏的自动隔离；
[0060]5)离线模式下大大减少了整流模块的数量，降低了前期硬件投入成本；
[0061 ] 6 )离线模式增加了蓄电池测试用直流母线，根据系统模式和运行状态自动控制开关的断开与闭合，以简单实用的方法解决了高压直流离线模式下蓄电池组定期放电测试的问题。并且测试母线在蓄电池非测试期，完全可以实现备用直流母线的功能，减少备用直流母线的投入。
[0062]综上所述，本发明实施例的高压直流供电系统具有实用性高、可靠性高、可维护性高、效率高、生产投入低的优点。
[0063]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0064]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种高压直流供电系统，其特征在于，包括: 多个负载； 分别为所述多个负载供电的市电直供母线； 为所述多个负载供电的多个子供电系统，每个所述子供电系统进一步包括: 第一整流屏，所述第一整流屏包括至少一个整流模块，所述第一整流屏的一端与交流母线相连； 第一蓄电池组和一端与所述第一蓄电池组相连的第一开关； 第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述第一整流屏和所述第一开关的另一端相连； 负载用直流母线，所述负载用直流母线与所述第一二极管的阴极相连，所述负载用直流母线为所述子供电系统对应的负载供电； 第一供电控制器，所述第一供电控制器与所述第一开关相连，所述第一供电控制器控制所述第一开关为所述负载用直流母线供电；以及分别为所述多个子供电系统供电的备用整流系统。
2.如权利要求1所述的高压直流供电系统，其特征在于，所述第一供电控制器与所述第一整流屏中的整流模块相 连，所述第一供电控制器控制所述第一整流屏的输出电压。
3.如权利要求1所述的高压直流供电系统，其特征在于，当所述第一蓄电池组放电时，且所述第一蓄电池组的电量低于预设电量时，所述第一供电控制器控制所述第一开关断开。
4.如权利要求2所述的高压直流供电系统，其特征在于，所述第一供电控制器还用于调整所述第一整流屏的输出电压以完成对所述第一蓄电池组的充电。
5.如权利要求1所述的高压直流供电系统，其特征在于，所述子供电系统还包括: 第二开关，所述第二开关的一端与所述第一整流屏相连，所述第二开关的另一端与测试用直流母线相连，所述第一供电控制器控制所述第二开关。
6.如权利要求1所述的高压直流供电系统，其特征在于，所述子供电系统还包括: 第二整流屏，所述第二整流屏包括至少一个整流模块，所述第二整流屏的一端与交流母线相连； 第二蓄电池组和一端与所述第二蓄电池组相连的第三开关； 第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述第二整流屏和所述第三开关的另一端相连； 第二供电控制器，所述第二供电控制器与所述第三开关相连，所述第二供电控制器控制所述第三开关为所述负载用直流母线供电。
7.如权利要求6所述的高压直流供电系统，其特征在于，所述子供电系统还包括: 第四开关，所述第四开关的一端与所述第二整流屏相连，所述第四开关的另一端与测试用直流母线相连，所述第二供电控制器控制所述第四开关。
8.如权利要求6所述的高压直流供电系统，其特征在于，在离线模式下，当所述市电直供母线所连接的市电正常时，第一整流屏和第二整流屏处于空载热备状态。
9.如权利要求1所述的高压直流供电系统，其特征在于，所述备用整流系统包括: 备用整流屏，所述备用整流屏包括至少一个整流模块，所述备用整流屏的一端与交流母线相连； 备用整流屏满配，满足一个子供电系统供电需求，子系统故障时，闭合一个开关即可投入使用。正常情况下其整流模块处于休眠状态，能耗低。 与所述备用整流屏相连的备用直流母线，所述备用直流母线的另一端与多个第五开关相连，所述多个第五开关的另一端分别与所述多个子供电系统相连。
10.如权利要求9所述的高压直流供电系统，其特征在于，所述备用直流母线可以单独加装，亦可为所述测 试用直流母线。
【文档编号】H02J7/34GK103490492SQ201310381629
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】张企宇, 朱永忠, 李孝众, 王俊平 申请人:北京百度网讯科技有限公司