直流供电系统的制作方法

1.本技术涉及电力领域，尤其涉及一种用于实现冗余供电的直流供电系统。


背景技术：

2.数据中心中会容纳大量的it设备，例如服务器、数据存储装置和网络设备等，为了确保这些it设备的正常运行，一般会采用冗余供电系统，以避免it设备因主用供电模组供电异常而导致断电。在n+1架构的冗余供电系统中一般会采用sts(static transfer switch，静态转换开关)作为切换的元件，以达到较短的切换时间，但是目前sts适用于交流供电系统，并不能兼容直流供电设计。因此在实现冗余供电的直流供电系统中，无法利用n+1交流供电系统使用sts实现公共备份切换的功能，由此导致直流供电系统在n+1系统设计上，主用供电模组供电异常时，备用供电模组切换时间较长，无法适用于it设备的供电场景。


技术实现要素：

3.本技术的一个目的是提供一种直流供电系统，用以解决直流供电系统在进行供电模组切换时切换时间较长的问题。
4.为实现上述目的，本技术实施例提供了一种直流供电系统，所述供电系统包括：
5.至少一个主用直流供电模组，每个主用直流供电模组的输出端通过第一二极管连接对应的负载设备的输入端，所述主用直流供电模组的输出端与第一二极管的阳极连接，所述负载设备的输入端与第一二极管的阴极连接，当所述主用直流供电模组的电力输入正常时，所述主用直流供电模组的输出电压为第一电压值，当所述主用直流供电模组的电力输入异常时，所述主用直流供电模组的输出电压由第一电压值开始下降；
6.至少一个备份直流供电模组，每个备份直流供电模组的输出端分别通过第二二极管连接每个负载设备的输入端，所述备份直流供电模组的输出端与第二二极管的阳极连接，所述负载设备的输入端与第二二极管的阴极连接，所述备份直流供电模组的输出电压为第二电压值，其中，第一电压值高于第二电压值；
7.在所述主用直流供电模组的输出电压高于备份直流供电模组的输出电压时，所述第一二极管处于导通状态，所述第二二极管处于截止状态，由主用直流供电模组为负载设备供电；在所述主用直流供电模组的输出电压低于备份直流供电模组的输出电压时，所述第二二极管处于导通状态，所述第一二极管处于截止状态，由备用直流供电模组为负载设备供电。
8.进一步地，所述主用直流供电模组包括直流供电模块和供电电池，所述直流供电模块的输入端连接用于提供电力输入的电源，所述直流供电模块的输出端与供电电池、第一二极管的阳极连接；
9.在所述主用直流供电模组的电力输入正常时，供电电池处于充电状态，由电源通过直流供电模块提供电力输出；在所述主用直流供电模组的电力输入异常时，供电电池处
于放电状态，由供电电池提供电力输出。
10.进一步地，所述备份直流供电模组包括直流供电模块、dc/dc充放电控制模块和供电电池，所述直流供电模块的输入端连接用于提供电力输入的电源，所述直流供电模块的输出端与第二二极管的阳极连接，并通过dc/dc双向充放电控制模块与供电电池连接；
11.在所述备份直流供电模组的电力输入正常时，供电电池处于充电状态，由电源通过直流供电模块提供电力输出；在所述备份直流供电模组的电力输入异常时，供电电池处于放电状态，由供电电池提供电力输出，并通过所述dc/dc充放电控制模块控制输出电压保持第二电压值。
12.进一步地，所述负载设备的输入端包括第一输入端和第二输入端，每个主用直流供电模组的输出端分别通过一个第一二极管连接对应的负载设备的第一输入端和第二输入端，每个备份直流供电模组的输出端分别通过一个第二二极管连接每个负载设备的第一输入端和/或第二输入端连接。
13.进一步地，备份直流供电模组的数量为一个，每个备份直流供电模组的输出端分别通过一个第二二极管连接每个负载设备的第一输入端和第二输入端连接。
14.进一步地，所述主用直流供电模组的数量大于等于2个。
15.进一步地，备份直流供电模组的数量为两个，包括第一备份直流供电模组和第二直流供电模组，所述第一备份直流供电模组的输出端分别通过一个第二二极管连接每个负载设备的第一输入端，所述第二备份直流供电模组的输出端分别通过一个第二二极管连接每个负载设备的第二输入端。
16.进一步地，所述主用直流供电模组的数量大于等于2个。
17.进一步地，所述负载设备的输入端为两个电源分配单元。
18.进一步地，所述第一电压值为270v(可设)，所述第二电压值为240v(可设)。
19.本技术实施例提供的一种直流供电系统中，包括了至少一个主用直流供电模组和至少一个备份直流供电模组，每个主用直流供电模组的输出端通过第一二极管连接对应的负载设备的输入端，所述主用直流供电模组的输出端与第一二极管的阳极连接，所述负载设备的输入端与第一二极管的阴极连接，当所述主用直流供电模组的电力输入正常时，所述主用直流供电模组的输出电压为第一电压值，当所述主用直流供电模组的电力输入异常时，所述主用直流供电模组的输出电压由第一电压值开始下降；而每个备份直流供电模组的输出端分别通过第二二极管连接每个负载设备的输入端，所述备份直流供电模组的输出端与第二二极管的阳极连接，所述负载设备的输入端与第二二极管的阴极连接，所述备份直流供电模组的输出电压为第二电压值，且第一电压值高于第二电压值。该直流供电系统的工作过程中，利用了二极管导通和截止的特性，在所述主用直流供电模组的输出电压高于备份直流供电模组的输出电压时，所述第一二极管处于导通状态，所述第二二极管处于截止状态，由主用直流供电模组为负载设备供电；在所述主用直流供电模组的输出电压低于备份直流供电模组的输出电压时，所述第二二极管处于导通状态，所述第一二极管处于截止状态，由备用直流供电模组为负载设备供电，由于二极管导通和截止状态的切换速度较快，能够达到毫秒级别，可以与交流系统中sts的切换性能达到同一水平。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
21.图1为一种交流供电系统的结构示意图；
22.图2为本技术实施例提供的一种直流供电系统的结构示意图；
23.图3为本技术实施例中一种直流供电系统中二极管状态变化的时序图；
24.图4为本技术实施例提供的另一种直流供电系统的结构示意图；
25.图5为本技术实施例提供的一种n+1架构的直流供电系统的结构示意图；
26.图6为本技术实施例提供的一种n+2架构的直流供电系统的结构示意图；
27.图7为采用本技术实施例方案原理的一种直流公共备份供电系统的结构示意图；
28.图8为本技术实施例中一种公共备份直流供电系统的工作模式切换过程时序图；
29.附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
30.下面结合附图对本技术作进一步详细描述。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
33.图1示出了一种交流供电系统，该供电系统包括n个主用供电模组及一个备份供电模组，以此形成一个n+1架构的冗余供电系统。在本实施例中，n设定为3，即有3个主用供电模组，每个主用电力模组和备份电力模组都包括了ups(uninterruptible power supply，不间断电源)模块，ups电源通过两路输出在连接sts后，为机架的两路pdu(power distribution unit，电力分配单元)供电。由于sts不能兼容直流供电设计，因此在实现冗余供电的直流供电系统中，无法使用sts作为切换元件，由此导致直流供电系统在主用供电模组供电异常时，切换时间较长，无法适用于为机架上的各类it设备供电的场景。
34.为解决上述问题，本技术实施例提供了一种直流供电系统，包括至少一个主用直流供电模组和至少一个备份直流供电模组，其中，主用直流供电模组和备份直流供电模组的数量可以根据实际场景的需求来确定。例如，在如图2所示的场景中，负载设备30有两组，则可以将主用直流供电模组40设定为2个，分别为2组负载设备进行供电，备份直流供电模组50的数量设定为1个，同时为该2个负载设备提供备用电源。
35.其中，主用直流供电模组的数量可以根据实际供电场景的需求确定，例如可以设定为至少2个、4个、16个甚至更多，本技术实施例中不对具体数量进行限制。每个主用直流供电模组40的输出端通过第一二极管d1连接对应的负载设备30的输入端，主用直流供电模组40的输出端与第一二极管d1的阳极连接，所述负载设备30的输入端与第一二极管d1的阴极连接。当主用直流供电模组40的电力输入正常时，所述主用直流供电模组40的输出电压
vm为第一电压值v1，当主用直流供电模组40的电力输入异常时，所述主用直流供电模组的输出电压vm由第一电压值v1开始下降。
36.每个备份直流供电模组50的输出端分别通过第二二极管d2连接每个负载设备30的输入端，所述备份直流供电模组50的输出端与第二二极管d2的阳极连接，所述负载设备30的输入端与第二二极管d2的阴极连接，所述备份直流供电模组50的输出电压vr为第二电压值v2，且第一电压值v1高于第二电压值v2。其中，第一电压值和第二电压值的具体取值可以根据实际应用场景中负载设备的具体需求设定，例如当应用于it设备的供电场景时，可以将第二电压值设定为240v，将第一电压值设定为270v，当应用于其它设备的供电场景时，也可以根据需求将第一电压值和第二电压值设定为更高或更低的电压值。
37.在主用直流供电模组40的电力输入由正常变为异常的过程中，主用直流供电模组40的输出电压vm会从第一电压值v1开始下降，并逐渐降低至低于第二电压值v2，由此会导致第一二极管d1和第二二极管d2的状态发生变化，使得负载设备的供电模组在主用直流供电模组40和备份直流供电模组50之间切换。图3示出了二极管状态的变化情况，在变化过程中，相关的电压输入如下表1所示：
[0038][0039]
表1
[0040]
在主用直流供电模组40的输入电力正常、以及输入电力异常的前一阶段中，主用直流供电模组40的输出电压vm高于备份直流供电模组50的输出电压vr，此时，所述第一二极管d1处于导通状态，所述第二二极管d2处于截止状态，由主用直流供电模组40为负载设备30供电，即负载设备的输入电压vin为vm。在主用直流供电模组40的输入电力异常的后一阶段中，主用直流供电模组40的输出电压vm低于备份直流供电模组50的输出电压vr时，此时，所述第二二极管d2处于导通状态，所述第一二极管d1处于截止状态，由备用直流供电模组50为负载设备30供电，即负载设备的输入电压vin为vr。
[0041]
该直流供电系统的工作过程中，利用了二极管导通和截止的特性，通过二极管的导通和截止实现主用直流供电模组和备份直流供电模组之间的切换。由于二极管导通和截止状态的切换速度快，能够达到毫秒级别，可以与交流系统中sts的切换性能达到同一水平，实现主备供电模组之间的快速切换。
[0042]
在本技术的一些实施例中，所述主用直流供电模组40可以包括直流供电模块41和供电电池42。该直流供电模块41的输入端连接用于提供电力输入的电源60，所述直流供电
模块41的输出端第一二极管10的阳极连接。其中，所述直流供电模块用于提供直流输出，在实际场景中，所述直流供电模块41可以是一个ac/dc(交流/直流)转换模块，例如一个具有整流、变压功能的装置，用于接入市电等交流电源60，将交流电源经过ac/dc转换之后输出直流电，如图4所示。
[0043]
在所述主用直流供电模组40的电力输入正常时，供电电池42处于充电状态，由电源通过直流供电模块提供电力输出。此时，整个主用直流供电模组40的电力输出可以是由直流供电模块41的输出端直接提供，也可以是由供电电池42的输出端提供，即充电电池在充电的同时放电作为主用直流供电模组40的电力输出。在所述主用直流供电模组的电力输入异常时，供电电池处于放电状态，由供电电池42提供电力输出。以图4所示的场景为例，当交流电源60能够正常地向ac/dc转换模块41输入电力时，ac/dc转换模块41能够将交流电转换为第一电压值的直流电进行输出，输出的直流电能够为供电电池42进行充电，同时能够作为整个主用直流供电模组40的输出。
[0044]
而在所述主用直流供电模组40的电力输入异常时，供电电池处于放电状态，由供电电池提供电力输出。仍以图3所示的场景为例，当交流电源60停止供电，或者是交流电源与主用直流供电模组40之间出现断路时，交流电源60无法正常地向ac/dc转换模块41输入电力，此时ac/dc转换模块将无法输出直流电，供电电池42将从充电状态转换为放电状态，即供电电池42输出的直流电将作为整个主用直流供电模组40的输出。在供电电池42的放电过程，其存储的电力会逐渐减少，因此会导致主用直流供电模组的输出电压vm由初始的第一电压值开始下降。
[0045]
在本技术的一些实施例中，所述备份直流供电模组50可以包括直流供电模块51、dc/dc充放电控制模块53和供电电池52。所述直流供电模块51的输入端连接用于提供电力输入的电源60，所述直流供电模块51的输出端通过dc/dc双向充放电控制模块53与供电电池52连接。类似于主用直流供电模组，备份直流供电模组50的直流供电模块也同样用于提供直流输出，在实际场景中，所述直流供电模块51也可以是一个ac/dc(交流/直流)转换模块，例如一个具有整流、变压功能的装置，用于接入市电等交流电源60，将交流电源经过ac/dc转换之后输出直流电，如图4所示。与主用直流供电模组的不同之处在于，备份直流供电模组50中，还包括了dc/dc充放电控制模块53，该dc/dc充放电控制模块53能够在供电电池52处于放电状态时，控制其输出电压vr，使其输出电压vr始终保持在第二电压值v2。
[0046]
由此，在所述备份直流供电模组50的电力输入正常时，供电电池52处于充电状态，由电源60通过直流供电模块51提供电力输出。此时，整个备份直流供电模组50的电力输出可以是由直流供电模块51的输出端直接提供，也可以是由供电电池52的输出端提供，即充电电池在充电的同时放电作为主用直流供电模组50的电力输出。以图4所示的场景为例，当交流电源60能够正常地向ac/dc转换模块51输入电力时，ac/dc转换模块51能够将交流电转换为第二电压值的直流电进行输出，输出的直流电能够为供电电池52进行充电，同时能够作为整个备份直流供电模组50的输出。
[0047]
而在备份直流供电模组50的电力输入异常时，供电电池52处于放电状态，由供电电池52提供电力输出，并通过所述dc/dc充放电控制模块53控制输出电压vr保持第二电压值v2。由此，对于备份直流供电模组50无论其电力输入是否异常，都可以始终保持输出第二电压值的直流电，而不会因供电电池52的电力流失而导致输出电压降低。
[0048]
由此，在正常工作的时候，由于主用直流供电模组的输出电压(例如设定270v)比备用直流供电模组的输出电压(例如设定240v)高，因此负载设备的连接主用直流供电模组的第一二极管导通，连接备用直流供电模组的第二二极管截止，此时主用直流供电模组给负载供电。当主用直流供电模组的输入电力异常时，其供电电池放电直到低于备份直流供电模组的输出电压，此时负载设备的连接主用直流供电模组的第一二极管截止，而负载设备的连接备份直流供电模组的第二二极管导通，负载设备的电力输入从主用直流供电模组切换到备份直流供电模组。
[0049]
在本技术的一些实施例中，所述负载设备可以采用接受双路直流供电的设备，即负载设备的输入端包括了第一输入端a和第二输入端b，在使用过程中仅需要确保其中一路输入端能够获得正常的供电，即可使得负载设备正常工作。例如，本技术实施例中的负载设备在正常使用时，a和b两路输入端各承担50％的电力供应，而当其中某一路输入端故障时，剩余的一路输入端提供100％的电力，由此提高了供电的可靠性。对于此种双路直流供电的负载设备，每个主用直流供电模组40的输出端分别通过一个第一二极管d1连接对应的负载设备30的第一输入端a和第二输入端b，每个备份直流供电模组50的输出端分别通过一个第二二极管d2连接每个负载设备的第一输入端a和/或第二输入端b连接。
[0050]
在实际场景中，对于任意一个备份直流供电模组而言，其输出端是通过第二二极管与负载设备的两个输入端同时连接，还是与通过第二二极管仅与其中一个输入端连接，可以取决于整个直流供电系统的架构。例如当直流供电系统采用n+1架构时，即主用直流供电模组40的数量为n个，而备份直流供电模组50的数量为一个时，每个备份直流供电模组50的输出端分别通过一个第二二极管d2连接每个负载设备30的第一输入端a和第二输入端b连接，如图5所示。由此，当任意一个主用直流供电模组40失效时，备份直流供电模组50仍然可以通过负载设备30的两路输入端为其供电，以确保负载设备继续正常工作。
[0051]
还如，当直流供电系统采用n+2架构时，即主用直流供电模组40的数量为n个，而备份直流供电模组50的数量为两个时，每个备份直流供电模组50的输出端分别通过一个第二二极管d2连接每个负载设备30的其中一个输出端。如图6所示，若两个备份直流供电模组50分别为第一备份直流供电模组501和第二直流供电模组502，则所述第一备份直流供电模组501的输出端分别通过一个第二二极管d2连接每个负载设备的第一输入端a，所述第二备份直流供电模组502的输出端分别通过一个第二二极管d2连接每个负载设备的第二输入端b。
[0052]
相较于n+1架构的直流供电系统，n+2架构的直流供电系统具有更好的可用性。当采用n+1架构时，若n的值设定过高则可能会在较多主用直流供电模组40故障时无法确保所有负载设备正常工作。当采用n+2架构时，直流供电系统对于主用直流供电模组40故障数量的容忍度更高，因此可以将n设定的更大，此时，可以达到可用性和成本的平衡，在负载设备较多时，相较于n+1的架构综合成本更低。
[0053]
图7示出了采用本技术实施例方案原理的一种直流公共备份供电系统，该供电系统包括1个备份直流供电模组50和两个主用直流供电模组40，其中，每个主用直流供电模组40包括ac/dc转换模块41和供电电池42，ac/dc转换模块41的输入端连接市电60，输出端连接供电电池42，输出直流电为供电电池42充电，供电电池42直挂第一输出母线10，作为整个主用直流供电模组40的输出端。在市电电力输入正常时的输出电压可以设定为270v。
[0054]
每个备用直流供电模组50包括ac/dc转换模块51、供电电池52和dc/dc双向充放电
控制模块53，ac/dc转换模块51的输入端连接市电60，输出端连接供电电池52，输出直流电为供电电池52充电，供电电池52通过dc/dc双向充放电控制模块53挂在第二输出母线20，作为整个主用直流供电模组50的输出端，因此输出电压在任意时刻都能稳定维持在240v。
[0055]
本实施例中的负载设备为双电源服务器，其对应的输入端分别为两个电源分配单元(pdu)，对于每一个电源分配单元都通过第一二极管d1和第二二极管d2分别连接对应的主用直流供电模组40和备份直流供电模组50，其中，二极管的阳极连接主用直流供电模组40或备份直流供电模组50，二极管的阴极连接电源分配单元，因此两个二极管的阴极是连通的，具有相同的电位。在切换过程中，利用了二极管阳极电压大于阴极电压时，二极管导通，否则二极管截止的原理，由此实现了主备直流供电模组之间的快速切换。下表2示出了图7中的直流公共备份供电系统的工作模式，图8示出了相关工作模式切换时的时序图。
[0056][0057][0058]
表2
[0059]
综上所述，本技术实施例提供了方案中，利用了二极管导通和截止的特性，在所述主用直流供电模组的输出电压高于备份直流供电模组的输出电压时，所述第一二极管处于导通状态，所述第二二极管处于截止状态，由主用直流供电模组为负载设备供电；在所述主用直流供电模组的输出电压低于备份直流供电模组的输出电压时，所述第二二极管处于导通状态，所述第一二极管处于截止状态，由备用直流供电模组为负载设备供电，由于二极管导通和截止状态的切换速度较快，能够达到毫秒级别，可以与交流系统中sts的切换性能达到同一水平。
[0060]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
[0061]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等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，以便这里描述的本技术的实施例。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。