高压直流供电系统的制作方法

1.本技术涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种高压直流供电系统。


背景技术：

2.随着互联网数据中心业务的持续快速发展，对数据中心的供电系统的要求也越来越高，高压直流供电系统凭借其高效率、高灵活性的特点，在行业内被广泛应用。
3.目前，传统的高压直流供电系统是通过隔离型的高压直流模块(high voltage direct current，hvdc)来实现高压直流供电系统中的电压隔离。然而，这种隔离型的高压直流模块的成本较高。
4.因此，亟需一种新的高压直流供电系统，在实现高压直流供电的同时有效降低高压直流供电系统的成本。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本技术实施例提供一种高压直流供电系统，可以在实现高压直流供电的同时，有效降低高压直流供电系统的成本。
6.第一方面，本技术提供了一种变压器高压直流供电系统，用于数据中心，该高压直流供电系统包括：工频变压器和至少一个高压直流供电单元；
7.其中，每个高压直流供电单元包括至少一个非隔离型的高压直流供电模块，工频变压器包括原边绕组以及至少一个副边绕组；原边绕组接电网，用于输入第一交流电，副边绕组与至少一个高压直流供电单元电气连接，工频变压器用于将第一交流电转换为第二交流电，并将第二交流电传输至高压直流供电单元；高压直流供电单元为非隔离型单元，用于将第二交流电转换为第一直流电；其中，第二交流电的电压小于第一交流电的电压。
8.在其他可选的实施方式中，每个副边绕组的电压相位相同。
9.在其他可选的实施方式中，每个高压直流供电单元包括多个非隔离型的高压直流供电模块，多个高压直流供电模块的输入端并联后与副边绕组电气连接。
10.在其他可选的实施方式中，每个高压直流供电模块包括：功率因数校正单元以及电压变换单元；功率因数校正单元的输入端与对应的副边绕组连接，功率因数校正单元的输出端与电压变换单元的输入端连接。
11.在其他可选的实施方式中，副边绕组包括n个端子，功率因数校正单元包括：n个第一电感，n组第一开关单元以及第一电容组；
12.其中，副边绕组的每一端子通过第一电感与对应的第一开关单元电气连接，n组第一开关单元之间并联连接，第一电容组并联在功率因数校正单元的正极输出端和负极输出端之间，第一开关单元包括至少两个串联的开关管，第一电容组包括多个串联的电容。
13.在其他可选的实施方式中，电压变换单元的正极输入端和负极输入端分别与功率因数校正单元的正极输出端和负极输出端连接；电压变换单元包括两个子电压变换单元，两个子电压变换单元之间电气连接，两个子电压变换单元的输入端串联形成电压变换单元
的输入端，两个子电压变换单元的输出端串联形成电压变换单元的输出端；
14.其中，子电压变换单元包括：第二开关单元、第一二极管、第二电感以及第二电容，第二开关单元和第二电感依次串联在电压变换单元的输入端和输出端之间，第一二极管和第二电容并联在子电压变换单元的输入端和输出端之间。
15.在其他可选的实施方式中，每个高压直流供电模块包括：升压变换单元以及降压变换单元；升压变换单元的输入端与副边绕组连接，升压变换单元的输出端与降压变换单元的输入端连接，升压变换单元用于将接收到的第二交流电转换为第二直流电，并将第二直流电传输至降压变换单元；降压变换单元用于将第二直流电转换为第一直流电；
16.其中，第二直流电的电压大于第一直流电的电压。
17.在其他可选的实施方式中，副边绕组包括n个端子和一个中线端子，升压变换单元包括n组升压变换电路，n组升压变换电路的输出端之间并联连接；
18.其中，副边绕组的端子及中线端子与升压变换电路的输入端对应连接。
19.在其他可选的实施方式中，升压变换电路包括二极管整流电路、第三电感、第三开关单元和第二二极管；
20.其中，二极管整流电路与升压变换电路的输入端电气连接，第三电感与第二二极管串联连接在二极管整流电路和升压变换电路输出端之间，第三开关单元的一端与第三电感及第二二极管电气连接，另一端与二极管整流电路电气连接。
21.在其他可选的实施方式中，降压变换单元包括n组降压变换电路，n组降压变换电路之间并联连接。
22.在其他可选的实施方式中，降压变换电路包括：第三电容、第四电容、第四电感、第三二极管以及第四开关单元；
23.其中，第四电感、第四开关单元串联连接在降压变换电路的输入端和输出端之间，第三电容与降压变换电路的输入端并联，第四电容与降压变换电路的输出端并联，第三二极管的一端与第四电感及第四开关单元电气连接，另一端与降压变换电路的输出端电气连接。
24.在其他可选的实施方式中，n的值为3。
25.本技术提供的高压直流供电系统，应用于数据中心，该高压直流供电系统包括：工频变压器和高压直流供电单元，每个高压直流供电单元包括至少一个非隔离型的高压直流供电模块；工频变压器包括原边绕组以及多个副边绕组，原边绕组接电网，用于输入第一交流电，副边绕组与至少一个高压直流供电单元电气连接，工频变压器用于将第一交流电转换为第二交流电，并将第二交流电传输至高压直流供电单元；高压直流供电单元为非隔离型单元，用于将第二交流电转换为第一直流电；其中，第二交流电的电压小于第一交流电的电压。本方案中，通过工频变压器的副边多绕组来实现电压隔离，再采用低成本的非隔离型高压直流单元来实现电压转换，可以在实现高压直流供电的同时，有效降低高压直流供电系统的成本。
26.应当理解，上述

技术实现要素：
部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
27.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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为现有技术中的高压直流供电系统的结构示意图；
29.图2为本技术一实施例提供的高压直流供电系统的结构示意图；
30.图3为本技术另一实施例提供的高压直流供电系统的结构示意图；
31.图4为本技术又一实施例提供的高压直流供电系统的结构示意图；
32.图5为本技术一实施例提供的高压直流供电模块的电路图；
33.图6为本技术又一实施例提供的高压直流供电系统的结构示意图；
34.图7为本技术另一实施例提供的高压直流供电模块的电路图。
35.附图标记说明：
36.100
‑
电网；
37.200
‑
高压直流供电系统；
38.201
‑
工频变压器；
39.202
‑
高压直流供电单元；
40.203
‑
原边绕组；
41.204
‑
副边绕组；
42.205
‑
高压直流供电模块；
43.2051
‑
功率因数校正单元；
44.2052
‑
功率因数校正单元；
45.r、s、t
‑
副边绕组的端子；
46.l1、l2、l3
‑
第一电感；
47.2053
‑
第一开关单元；
48.2054
‑
第一电容组；
49.q1、q2、q3、q4、q5、q6开关管；
50.c1、c2
‑
电容；
51.2055
‑
第一子电压变换单元；
52.2056
‑
第二子电压变换单元；
53.q7、q8
‑
第二开关单元；
54.d1、d2
‑
第一二极管；
55.l4、l5
‑
第二电感；
56.c3、c4
‑
第二电容；
57.2151
‑
升压变换单元；
58.2152
‑
降压变换单元；
59.p
‑
中线端子；
60.2153
‑
第一升压变换电路；
61.2154
‑
第二升压变换电路；
62.2155
‑
第三升压变换电路；
63.2156
‑
二极管整流电路；
64.2157
‑
第一降压变换电路；
65.2158
‑
第二降压变换电路；
66.2159
‑
第三降压变换电路；
67.l6
‑
第三电感；
68.q9
‑
第三开关单元；
69.d3
‑
第二二极管；
70.c5
‑
第三电容；
71.c6
‑
第四电容；
72.l7
‑
第四电感；
73.d4
‑
第三二极管；
74.q10
‑
第四开关单元。
具体实施方式
75.为使本发明实施例的目的、技术方案和有点更加清楚，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。
76.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
77.随着互联网数据中心业务的持续快速发展，对数据中心的供电系统的要求也越来越高，高压直流供电系统凭借其高效率、高灵活性的特点，在行业内被广泛应用。目前，传统的高压直流供电系统是通过隔离型的高压直流模块(high voltage direct current，hvdc)来实现高压直流供电系统中的电压隔离。
78.图1为现有技术中的高压直流供电系统的结构示意图。如图1所示，该基于隔离型高压直流模块的高压直流供电系统包括：工频变压器和隔离单元，其中，该工频变压器包括一个原边绕组和一个副边绕组，该原边绕组与电网电气连接(图中以三相电网为例示出)。
79.在实际应用中，隔离单元号包括多个隔离型hvdc单元(图中以隔离型hvdc单元
…
隔离型hvdc单元m为例示出)，每个隔离型hvdc单元均与工频变压器的副边绕组的输出端子连接。
80.在实际应用中，由工频变压器将电网输出的第一电压大小的交流电(图中以10kv为例示出)降为第二电压大小的交流电(图中以380v为例示出)，并将第二电压大小的交流电输入给隔离单元中的每个隔离型hvdc单元，再由每个隔离型hvdc单元将第二电压大小的
交流电转换为直流电(图中以240v为例示出)，从而通过隔离型hvdc单元来实现输出电压vo1、
……
vom与副边绕组的输出端子之间的隔离。
81.然而，上述高压直流供电系统中，由于隔离型hvdc的成本较高，从而导致高压直流供电系统的成本高，难以满足大量的数据中心业务的要求，并且隔离型hvdc的效率较低。
82.针对上述问题，有一些前案提出采用非隔离型单元，但是在这种情况下，变压器需要采用移相式变压器，移相式变压器的焊点较多，可靠性较差，且成本较高。
83.有鉴于此，本技术实施例提供一种高压直流供电系统，通过工频变压器的副边多绕组来实现电压隔离，再采用低成本的非隔离型高压直流模块实现电压转换，从而在实现高压直流供电的同时，有效降低高压直流供电系统的成本，满足大量数据中心业务的需求。下面结合具体实施例对本技术的方案进行详细说明：
84.图2为本技术一实施例提供的高压直流供电系统的结构示意图。其中，该高压直流供电系统用于数据中心，如图2所示，高压直流供电系统200包括：工频变压器201和多个高压直流供电单元202(图中以高压直流供电单元1
…
高压直流供电单元m为例示出)。
85.其中，每个高压直流供电单元202包括至少一个非隔离型的高压直流供电模块(在后续的图中示出)；工频变压器201包括原边绕组203以及至少一个副边绕组204，且每个副边绕组204与至少一个高压直流供电单元202电气连接。
86.需要说明的是，本技术实施例对于高压直流供电单元202和副边绕组204的数量均不作具体限定。一方面，多个副边绕组204与多个高压直流供电单元202可以一一对应连接，即每个副边绕组204连接一个高压直流供电单元202；另一方面，多个副边绕组204与多个高压直流供电单元202也可以为一对多的连接关系，即每个副边绕组204可以连接多个高压直流供电单元202，应理解，图2中以副边绕组204与高压直流供电单元202一一对应连接为例示出，但不以此为限定。
87.在实际应用中，原边绕组203接入电网100，以从电网100输入第一交流电，进一步的，工频变压器201用于将第一交流电转换为第二交流电，并将第二交流电通过副边绕组204传输至该副边绕组204对应的高压直流供电单元202。
88.其中，第二交流电的电压大小小于第一交流电。
89.更进一步的，每个高压直流供电单元202与其对应的副边绕组204电气连接，用于输入第二交流电，并将第二交流电转换为第一直流电。
90.其中，高压直流供电单元202为非隔离型高压直流单元，对于非隔离型高压直流单元的具体结构，在后续实施例中说明，此处不再赘述。另外，对于第一直流电的电压大小，本技术实施例也不做具体限定，例如，第一直流电的电压大小可以小于或等于第二交流电的额定电压。
91.本技术实施例中，通过工频变压器来实现电压隔离，再采用低成本的非隔离型高压直流单元实现电压转换，从而可以在实现高压直流供电的同时，有效降低高压直流供电系统的成本。
92.在一些实施例中，每个副边绕组204的电压相位相同。
93.在一些实施例中，每个高压直流供电单元202可以包括多个并联的非隔离型的高压直流供电模块，为方便理解，请参考图3：
94.图3为本技术另一实施例提供的高压直流供电系统的结构示意图。如图3所示，每
个高压直流供电单元202可以包括多个并联的非隔离型的高压直流供电模块205(图3中以高压直流供电模块1、高压直流供电模块2
…
高压直流供电模块n为例示出)，且多个高压直流供电模块205的输入端并联后与副边绕组204电气连接。
95.应理解，图3以高压直流供电单元1(图中高压直流供电单元202)为例示出，其他高压直流供电单元的结构与连接方法均和上述高压直流供电单元1类似，例如，高压直流供电单元m等，此处不再一一示出并赘述。
96.在实际应用中，高压直流供电模块205可以有多种类型，不同类型的高压直流供电模块的电路结构不同，下面结合图4～图7对高压直流供电模块205进行详细说明。
97.例如，一些实施例中，高压直流供电模块205可以由功率因数校正单元(power factor correction，pfc)和电压变换单元构成。图4为本技术又一实施例提供的高压直流供电系统的结构示意图。如图4所示，每个高压直流供电模块205可以包括：功率因数校正单元2051以及电压变换单元2052。
98.应理解，图4中以高压直流供电单元1(图中的高压直流供电单元202)中的高压直流供电模块205为例示出，其他的高压直流供电模块的结构与连接方法均和高压直流供电模块205类似，且其他高压直流供电单元202的结构与连接方法也和高压直流供电单元1类似，例如，高压直流供电单元m等，此处均不再一一示出和赘述。
99.应理解，对于电压变换单元2052的具体类型，本技术实施例不做具体限定，示例性的，电压变换单元2052可以为buck单元。
100.其中，功率因数校正单元2051的输入端与对应的副边绕组204的输出端连接，功率因数校正单元2051的输出端与电压变换单元2052的输入端连接。
101.在实际应用中，功率因数校正单元2051用于对接收到的第二交流电进行功率校正，并将输出的直流电输出至电压变换单元2052，由电压变换单元2052将功率因数校正单元2051输出的直流电转换为第一直流电。
102.本实施例中，通过功率因数校正单元对功率因数校正单元205输入的电流进行校正，可以不污染电网的电流，从而提升本系统的稳定性。
103.在一些实施例中，每个功率因数校正单元2051包括：n个第一电感、n组第一开关单元以及第一电容组，每个功率因数校正单元2051的n组第一开关单元分别通过n个第一电感与副边绕组204的n个端子对应连接。为方便理解，下面以n为3为例，结合图5对本实施例中高压直流供电模块205的具体电路结构及原理进行详细说明：
104.图5为本技术一实施例提供的高压直流供电模块的电路图。如图5所示，每个副边绕组204包括n个端子(图中以3个端子r、s、t为例示出，但不以此为限定)，相应的，每个功率因数校正单元2051包括：n个第一电感(图中以3个第一电感l1、l2、l3为例示出)、n组第一开关单元2053以及第一电容组2054。
105.其中，副边绕组204的每一端子通过第一电感与对应的第一开关单元电气连接，以端子r为例，端子r通过第一电感l1与第一开关单元2053电气连接。
106.一些实施例中，n组第一开关单元2053之间并联连接，第一电容组2054并联在功率因数校正单元的正极输出端(图中的bus+)和负极输出端(图中的bus
‑
)之间。
107.可选的，第一开关单元2053包括至少两个串联的开关管。例如，图中的开关管q1、开关管q2为一组第一开关单元，开关管q3、开关管q4为另一组第一开关单元，开关管q5、开
关管q6也为一组第一开关单元。应理解，图中以每组第一开关单元包括两个开关管为例示出，但在实际应用中不以此为限定。
108.另一些实施例中，该第一电容组2054包括多个串联的电容，应理解，图中以每组第一电容组2054包括两个电容为例示出(图中的电容c1、电容c2)，但在实际应用中不以此为限定。
109.在实际应用中，电压变换单元2052的正极输入端(图中的bus+)和负极输入端(图中的bus
‑
)分别与功率因数校正单元2051的正极输出端(图中的bus+)和负极输出端(图中的bus
‑
)连接。
110.在其他可选的实施方式中，电压变换单元2052包括两个子电压变换单元，分别为图5中的第一子电压变换单元2055和第二子电压变换单元2056，其中，第一子电压变换单元2055和第二子电压变换单元2056之间电气连接，第一子电压变换单元2055和第二子电压变换单元2056的输入端串联形成电压变换单元2052的输入端，第一子电压变换单元2055和第二子电压变换单元2056的输出端串联形成电压变换单元2052的输出端。
111.具体的，第一子电压变换单元2055包括：第二开关单元q7、第一二极管d1、第二电感l4以及第二电容c3，第二开关单元q7和第二电感l4依次串联在第一子电压变换单元2055的输入端和输出端之间，第一二极管d1和第二电容c3并联在第一子电压变换单元2055的输入端和输出端之间。
112.类似的，第二子电压变换单元2056包括：第二开关单元q8、第一二极管d2、第二电感l5以及第二电容c4，其连接关系与第一子电压变换单元2055类似，具体可参考上述，此处不再赘述。
113.本技术实施例提供的高压直流供电模块205，通过功率因数校正单元2051和电压变换单元2052，可以实现第二交流电到第一直流电的转换，同时支持功率因数校正功能和总谐波失真(total harmonic distortion，thd)调节功能，可以在实现高压直流供电的同时，提升本系统的稳定性。
114.另一些实施方式中，高压直流供电模块还可以由升压变换单元和降压变换单元构成，图6为本技术又一实施例提供的高压直流供电系统的结构示意图。如图6所示，高压直流供电模块205可以包括：升压变换单元2151以及降压变换单元2152，应理解，图中以两个高压直流供电模块205为例示出，其他的高压直流供电模块的结构与之类似，此处不再一一示出并赘述。
115.应理解，对于升压变换单元2151和降压变换单元2152的具体类型，本技术实施例不做具体限定，示例性的，升压变换单元2151可以为boost单元，降压变换单元2152可以为buck单元。
116.在实际应用中，升压变换单元2151的输入端与对应的副边绕组204连接，升压变换单元2151的输出端与降压变换单元2152的输入端连接，升压变换单元2151用于将接收到的第二交流电转换为第二直流电，并将第二直流电传输至降压变换单元2152。
117.进一步的，降压变换单元2152用于将第二直流电转换为第一直流电，其中，第二直流电的电压大于第一直流电的电压。
118.在一些实施例中，升压变换单元2151包括n组升压变换电路，n组升压变换电路的输出端之间并联连接。相应的，降压变换单元2512包括n组降压变换电路，n组降压变换电路
之间并联连接后与n组升压变换电路连接。为方便理解，下面以n为3为例，结合图7对本技术实施例中高压直流供电模块205的具体电路结构及原理进行详细说明：
119.图7为本技术另一实施例提供的高压直流供电模块的电路图。如图7所示，副边绕组包括n个端子和一个中线端子p，在实际应用中n的值可以为任意值，例如n可以为3，相应的图中以副边绕组包括3个端子r、s、t为例示出，但不以此为限定。
120.相应的，升压变换单元2151包括3组升压变换电路，分别为第一升压变换电路2153、第二升压变换电路2154和第三升压变换电路2155；降压变换单元2152包括3组降压变换电路，分别为第一降压变换电路2157、第二降压变换电路2158和第三降压变换电路2159。
121.仍以上述为例，升压变换电路可以为boost电路，降压变换电路可以为buck电路。
122.具体的，副边绕组204的每个端子及中线端子p与升压变换电路的输入端对应连接。具体的，第一升压变换电路2153与副边绕组204的端子r和端子p连接，第二升压变换电路2154与副边绕组204的端子s和端子p连接，第三升压变换电路2155与副边绕组204的端子t和端子p连接。
123.在一些实施例中，每组升压变换电路可以包括二极管整流电路、第三电感、第三开关单元和第二二极管。
124.示例性的，以第一升压变换电路2153为例，第一升压变换电路2153包括二极管整流电路2156、第三电感l6、第三开关单元q9和第二二极管d3。
125.其中，二极管整流电路2156与第一升压变换电路2153的输入端电气连接，第三电感l6与第二二极管d3串联连接在二极管整流电路2156和第一升压变换电路2153输出端之间，第三开关单元q9的一端与第三电感l6及第二二极管d3电气连接，另一端与二极管整流电路2156电气连接。
126.需要说明的是，第二升压变换电路2154、第三升压变换电路2155的电路结构与第一升压变换电路2153类似，此处不再赘述。
127.在一些实施例中，每组降压变换电路包括：第三电容、第四电容、第四电感、第三二极管以及第四开关单元。
128.示例性的，以第一降压变换电路2157为例，第一降压变换电路2157包括：第三电容c5、第四电容c6、第四电感l7、第三二极管d4以及第四开关单元q10。
129.其中，第四电感l7、第四开关单元q10串联连接在第一降压变换电路2157的输入端和输出端之间，第三电容c5与第一降压变换电路2157的输入端并联，第四电容c6与第一降压变换电路2157的输出端并联，第三二极管d4的一端与第四电感l7及第四开关单元q10电气连接，另一端与第一降压变换电路2157的输出端电气连接。
130.需要说明的是，第二降压变换电路2158、第三降压变换电路2159的电路结构与第一降压变换电路2157类似，此处不再赘述。
131.本方案中的高压直流供电模块，通过升压变换电路和降压变换单元，可以实现第二交流电到第一直流电的转换，同时支持功率因数校正功能和thd调节功能，可以在实现高压直流供电的同时，提升本系统的稳定性。本方案中的高压直流供电模块采用工频变压器，使得制程更加简单，减少焊接点，提高可靠性，并且降低成本。
132.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的高压直流供电系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的各模块实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划
分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
133.作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
134.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。