CN111244961B - 一种高效率电源***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高效率电源***及方法，所述高效率电源***包括:电力变压器，接收电网电力输入并对电网电力进行隔离降压，所述电力变压器至少包括第一输出绕组和第二输出绕组，所述第一输出绕组为后级高压直流总线提供电力，所述第二输出绕组提供辅助交流供电；以及AC/DC变换器，将所述第一输出绕组提供的交流电转化为高压直流电，实现高压直流供电。由此，本发明实现了从高压交流电网同时获得高压直流供电和辅助交流供电，并且提高了从电网侧至高压直流总线的转换效率，还可以为机房的交流用电设备提供后备供电保障。因此，使得一次供电更加高效，简洁，可靠。

Description

一种高效率电源***及方法
技术领域
本发明涉及大功率高效率电源***技术领域，尤其涉及一种高效率电源***及方法。
背景技术
大型电子设备，如大型通讯设备，大型数据存储设备，超级计算机等，通常采用高压直流总线的集中供电方式，即通过一次电源***将电网提供的工频交流电转化为稳定可控的高压直流电，然后再将该高压直流电通过直流母线引入设备机房实现分布式供电。这个一次电源***除了提供交流转直流的整流功能外，还提供在电网中断的情况下后备供电的功能，在直流母线上挂有一定容量的后备电池，在正常情况下一次电源对后备电池维持浮充状态，在交流输入中断的情况下，由后备电池向直流母线提供电力，保证机房设备的持续供电。
目前国内有中国电信制定的240VDC高压直流总线标准和***制定的336VDC高压直流总线标准，分别以标称电压为240V和336V的电池作为后备电池，一次电源***也同时为后备电池提供充电管理功能。一次电源的输入通常是机房提供的380VAC的三相交流电。考虑到高压直流总线与机房内其它用电设备的安全隔离问题，一次电源通常是一个隔离型的AC/DC电源变换器，一般包含一个隔离型的DC/DC变换器和一个前置的功率因数校正器(PFC)，考虑到一次电源***的可靠性和扩容的灵活性，一次电源通常做成几kW到几十kW的模块电源，再通过并联方式提供几十到几百kw的输出功率。
随着电子设备用电功率的增加，特别是新建的大规模数据中心，设备的用电功率达到了MW(1000kW)甚至几十MW的量级，电费成为数据中心主要的运营费用，人们越来越关注电源变换器的效率。目前380VAC通常是由10kVAC的交流电网经过电力变压器降压获得，这一级的转换效率大约是99％，380VAC再通过隔离性AC/DC转化为240/336VDC，这一级的效率大约是95～96％，因此整个一次电源的效率在94～95％左右，在一次电源***上大约有5～6％的功率损耗。
数据中心机房除了直流用电设备外，还要一些辅助的电气设备，如空调，风机等，需要交流供电。为了保证供电的可靠性，机房通常需要配备一定容量的UPS，当电网供电中断时通过UPS向这些辅助电设备提供380VAC的交流电；或者在电源***中增加一个逆变器，将后备电池的直流电转换为380VAC的交流电，在电网电力中断时将这些辅助切换至该逆变器的输出，保障设备的供电。如何整合机房的这些辅助设备的供电，也是一个非常有价值的课题。
可见，现有技术中的一次电源供电***，不论是从效率上，还是从结构复杂度上，都需要进行改善。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种高效率电源***，可以直接从高压交流电网同时获得高压直流供电和辅助交流供电。
本发明的一个目的在于提出一种高效率电源***，提高从电网侧至高压直流总线的转换效率。
根据本发明的第一方面，提供一种高效率电源***，从高压交流电网同时获得高压直流供电和辅助交流供电，包括:
电力变压器，接收电网电力输入并对电网电力进行隔离降压，所述电力变压器至少包括第一输出绕组和第二输出绕组，所述第一输出绕组为后级高压直流总线提供电力，所述第二输出绕组提供辅助交流供电；以及
AC/DC变换器，将所述第一输出绕组提供的交流电转化为高压直流电，实现高压直流供电。
可选的，对于所述的高效率电源***，所述AC/DC变换器为双向属性；所述高效率电源***还包括：
后备电池，所述后备电池的电压与所述高压直流电匹配，并直接与高压直流总线并联连接；以及
控制单元，用于检测电网电压，当电网电力中断时为所述AC/DC变换器提供信号，使所述AC/DC变换器进入DC至AC的工作模式，从而将后备电池的电力送至所述电力变压器，进而通过电力变压器的第二输出绕组提供辅助交流供电。
可选的，对于所述的高效率电源***，所述AC/DC变换器为非隔离型。
可选的，所述高压直流的总线标称电压为240V或336V。
可选的，非隔离型AC/DC变换器的输入电压与高压直流的总线电压相匹配。
可选的，对于所述的高效率电源***，所述AC/DC变换器包含多个变换单元，所述多个变换单元的输入与输出分别并联，工作于并联均流状态，达成冗余备份的高可靠性***结构。
可选的，对于所述的高效率电源***，所述AC/DC变换器包含六开关的PFC整流电路。
可选的，对于所述的高效率电源***，所述AC/DC变换器包含三相三电平的PFC整流电路。
可选的，对于所述的高效率电源***，所述AC/DC变换器中功率器件的耐压等于或低于650V。
可选的，对于所述的高效率电源***，所述电力变压器的铁芯呈横着的“日”字型，输入绕组为U、V、W三相，输入绕组、第一输出绕组和第二输出绕组分别皆绕在铁芯的三个柱上；第一输出绕组与输入绕组之间以及第二输出绕组与第一输出绕组之间皆设置有绝缘层以提供绝缘距离。
可选的，对于所述的高效率电源***，所述第一输出绕组的标称电压为240Vrms，所述第二输出绕组的标称电压为380Vrms。
根据本发明的第二方面，提供一种高效率电源获取方法，包括:
利用电力变压器从高压电网获得相互隔离的第一组三相交流电和第二组三相交流电，所述第二组三项交流电提供辅助交流供电；以及
所述第一组三相交流电经过AC/DC变换器获得高压直流电，实现高压直流供电。
可选的，对于所述的高效率电源获取方法，所述第一组三相交流电的线电压峰值与所述高压直流电的最大值相匹配。
可选的，对于所述的高效率电源获取方法，在AC/DC变换器的输出并联有后备电池，当电网中断时，由后备电池向高压直流总线提供电力，并通过AC/DC变换器逆向变换向电力变压器提供电力，进而维持第二组三相交流电的输出。
与现有技术相比，本发明提供一种高效率电源***，包括:电力变压器，接收电网电力输入并对电网电力进行隔离降压，所述电力变压器至少包括第一输出绕组和第二输出绕组，所述第一输出绕组为后级高压直流总线提供电力，所述第二输出绕组提供辅助交流供电；以及AC/DC变换器，将所述第一输出绕组提供的交流电转化为高压直流电，实现高压直流供电。由此，本发明实现了从高压交流电网同时获得高压直流供电和辅助交流供电，并且提高了从电网侧至高压直流总线的转换效率；进一步的，本发明还可以为机房的交流用电设备提供后备供电保障。因此，使得一次供电更加高效，简洁，可靠。
附图说明
图1为本发明一实施例的高效率电源***的电路结构框图；
图2为本发明一实施例中三相电力变压器的绕组示意图；
图3为本发明一实施例中非隔离AC/DC变换器的一种电路图；
图4为本发明一实施例中非隔离AC/DC变换器的又一种电路图；
图5为本发明一实施例中非隔离AC/DC变换器的控制电路图；
图6为本发明一实施例中非隔离AC/DC变换器的输入输出波形；
图7为本发明一实施例中非隔离AC/DC变换器的另一种电路图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
本案发明人经过长期研究后发现，如背景技术中记载的现有技术，效率可以进一步提升，并且单独的UPS需要额外的成本，并占据较大的空间，结构复杂、分散。于是提出了一种能够适用于高压电网(10kV三相交流电，在某些技术领域也称中压电网)直接介入数据中心机房的高效率电源***，本***可以将10kV三相交流电直接转化为稳定可控的直流电压(如240VDC或336VDC)，同时提供电气相互隔离的380V三相交流电，整个供电***高效，简洁，可靠。
请参考图1，图1是本发明一实施例中高效率电源***的电路结构框图。所述高效率电源***包括电力变压器T和AC/DC变换器。
高压电网输入HVin，例如是10kV的三相交流电，经过电力变压器T降压成为两组低压的三相交流电：第一输出绕组N1为主输出绕组，为后级的高压直流母线提供电力，第一输出绕组N1的电压设置可以根据高压直流母线HDCout的电压而定，以使非隔离AC/DC的效率到达较佳情况甚至最优，例如可以是第一输出绕组N1的第一组三相交流电的线电压峰值与高压直流电压的最大值相匹配，以达成AC/DC变换器的最优效率。第二输出绕组N2为辅助绕组，为机房的交流用电设备提供电力，例如第二输出绕组N2的电压设置为380V。
在本发明一个实施例中，所述高效率电源***还包括：
后备电池E，所述后备电池的电压与所述高压直流电匹配，并直接与高压直流总线并联连接；例如，后备电池E直接并联在AC/DC的输出，在电网中断的情况下，由后备电池E向高压直流母线上的设备提供电力。
进一步的，所述AC/DC变换器为双向属性；所述双向AC/DC变换器具有一个控制端口，通过该控制端口可以实现该变换器从AC至DC的工作模式或从DC至AC的工作模式。
所述高效率电源***还包括：控制单元，用于检测电网电压，当电网电力中断时为所述AC/DC变换器提供信号，使所述AC/DC变换器进入DC至AC的工作模式，从而将后备电池的电力送至所述电力变压器，进而通过电力变压器的第二输出绕组提供辅助交流供电。
在本发明一个实施例中，所述AC/DC变换器可以是非隔离型的。
在传统的供电方案中，10kV的三相交流电通过电力变压器降压为380V的三相交流电，为了使后备电池与其它用电设备隔离，将380V三相交流电转化为240/336VDC的AC/DC必须是隔离型的，因此整个***的效率受到隔离型AC/DC的制约。非隔离型的AC/DC电路比隔离型AC/DC简单，效率也高于隔离型的AC/DC。在图1的电源***中隔离的功能交由电力变压器实现。给后备电池充电的主绕组和给机房设备供电的辅助绕组，在电力变压器中相互隔离，同时这两个绕组也与输入绕组保持足够的隔离距离，实现至少10kV的隔离电压。
图2是本发明一实施例中电力变压器的一种绕组布局图。电力变压器的铁芯为横着的“日”字形硅钢片铁芯10，输入绕组为U，V，W三相，三个绕组分别绕在硅钢片铁芯的三个柱上，三个绕组采用三角形连接法，三个端点分别连接高压电网的U，V，W三相；第一输出绕组N1的三相输出为A，B，C，第二输出绕组N2的三相输出为a，b，c，输出绕组的连接方式既可以是三角形接法，也可以是星型接法，当辅助绕组的输出需要零线时，则采用星型接法。第一输出绕组N1与输入绕组N0之间靠绝缘层11提供足够的绝缘距离，以满足10kV以上的隔离电压要求；第二输出绕组N2与第一输出绕组N1之间也设有绝缘层11，提供足够的绝缘距离，根据不同的使用要求，绝缘层11的绝缘电压可以是1kV，3kV或其它电压值。
非隔离型AC/DC变换器的设计主要是以提高效率为目的，本发明一实施例中采用拓扑是用六开关的PFC整流加上Buck型的DC/DC。图3是本发明一实施例中非隔离型AC/DC的一种电路图，其中S1，S2，S3，S4，S5，S6构成一个三桥臂的PFC整流电路，三个电感LA，LB，LC的一端分别连接在三个桥臂的中点，另一端分别连接至第一输出绕组N1提供的三相电压A，B，C。三相交流电经过三个电感LA，LB，LC以及六开关PFC整流电路，在电容Cbus上获得一个直流电压Vbus；直流电压Vbus再经过由S7，D1和Lo构成的Buck型DC/DC，在输出电容Co得到输出电压Vo。S1-S6为带有反并二极管的IGBT功率开关，或者SiC材料的MOSFET功率开关等，值得一提的是，普通Si基的MOSFET功率开关，由于反并二极管的反向恢复损耗大而不建议用在这里。S7可以选用导通损耗低的Si基MOSFET或IGBT，D1可以选用Si基的快恢复二极管或SiC材料的肖特基二极管，以使变换器的效率达到最优。
由于六开关的PFC整流电路天然具有双向工作的特性，要使整个AC/DC变换器具有双向变换的功能，可以只需要将图3中的D1更换为有源开关S8，整体电路如图4所示。该电路正向工作时，将三相交流电转换为可控的直流电压Vo，并实现接近1的输入功率因数；该电路逆向工作时，将直流电压Vo升压至Vbus，再通过三相逆变桥获得三相正弦交流电。
图5是本发明一实施例中非隔离AC/DC变换器的控制框图，可以用一个功能足够强大的DSP来实现各个开关的实时控制，例如，TI公司的32位DSP芯片F28035能满足这里的控制要求。利用DSP的模拟输入端口，获取三相电压信号VA，VB，VC以及三相电流信号IA，IB，IC以及Vbus的实时电压值，DSP经过实时运算获得S1-S6六路PWM信号，经过驱动电路1施加到六个功率开关，实现VA，VB，VC往Vbus的升压功能，同时调控三相电流IA，IB，IC分别跟随三相电压VA，VB，VC而呈现正弦波形，从而达成接近1的输入功率因数。Buck型DC/DC作为独立的变化单元，也可以由同一个DSP来实现，DSP需要采集输出电压信号Vo，输出电流信号Io，再结合Vbus的实时信号，给出适当的PWM信号，经过驱动电路2施加到S7和S8，实现Vbus往Vo的降压功能。同时DSP还具有一个数字输入端口接受来自***的控制信号，以决定变换器正向工作或者逆向工作。
图6为本发明一实施例中非隔离AC/DC变换器的输入输出波形。下面给出详细分析：
非隔离AC/DC变换器的效率很大程度上取决于三相输入电压，PFC总线Vbus和输出电压Vo。一般来讲Vbus的电压越接近三相输入线电压(VAB)的峰值，PFC整流一级的效率就越高；Vo越接近Vbus，Buck降压一级的效率就越高，在本发明中满足如下关系：
Vbus＝(1.1～1.3)*VAB(峰值) (1)
Buck型降压电路输入与输出满足如下关系：
Vo＝Vbus*D (2)
其中D为Buck变换器的占空比，一般D的最大值可取0.95，则输出电压的最大值Vo_max与Vbus应满足如下关系：
Vo_max＝0.95*Vbus (3)
对于***的336V的***，输出电压Vo的典型值为336V，假设电池充电管理需要+-15％的电压范围，则Vo的最大值为：
Vo_max＝336*1.15＝386V (4)
根据关系式(3)，可以得到Vbus的最佳值为407V，再根据关系式(1)得到VAB(峰值)为370V，则
VAB(有效值)＝370*0.707＝262Vrms (5)
考虑到电网电压有一定的变化范围，取240Vrms为VAB设计的典型值，这样可以得到电力变压器的匝数比：
输入绕组匝数：第一输出绕组匝数＝10000：240＝41.7：1
输入绕组匝数：第二输出绕组匝数＝10000：380＝26.3：1
对于非隔离AC/DC变换器在240Vrms输入的情况下，所有功率器件的电压应力均小于407V，因此可以使用性能优异的650V或600V的功率器件，如果直接采用380Vrms作为变换器的输入，则需要选用更高一个挡位900V或1200V的器件。正是由于非隔离的变化拓扑和低耐压的功率器件，使得这个变换器的效率可以达到98％以上。相比于传统的方案，电力变压器的输出电压是380Vrms,电压从380Vrms下降到240Vrms，在同样功率的情况下绕组的电流会相应增加，但由于输出绕组的匝数会下降，可以通过增加输出绕组的截面积来减少绕组损耗，在同样的用铜量的前提下，电力变压器的效率仍然可以做到99％以上，这样本发明的一次电源的效率可以达到97％以上，比传统的方案高出2～3％，整个一次电源的损耗下降一半左右。
非隔离AC/DC变换器也可以采用其它PFC整流拓扑，如图7所示的本发明一个实施例中三相三电平PFC拓扑，这种电路结构中开关器件S1，S2，S3的电压应力更低，适合于输出电压较高的应用，比如Vo～600V的情况，这个电路比六开关的电路更有优势，可以采用650V的器件实现600～700V的直流输出，达到提高效率的目的。
对于数百kW的电源***，非隔离AC/DC变换器可以设计成为单一的大功率变换器，以降低硬件成本；也可以设计成为多个模块并联的方式，在多个模块并联的方式中，各个模块独立工作，模块之间通过均流总线或数据通讯总线均分输出功率，实现模块间的冗余备份，增加***的可靠性。相比于传统的隔离型AC/DC，非隔离型AC/DC的效率更高，功率密度更大，电路结构更简单，因此具有更高的可靠性。
采用双向工作的非隔离AC/DC，在电网中断的情况下，可以实现后备电池电力向辅助输出的逆变，可以省略数据中心机房辅助设备的UPS，保证机房的可靠运作，使供电***更加简洁可靠。在双向变换的结构下，进一步还可以实现后备电池电力向输入电网的逆变，可以将数据中心的后备电池作为电网削峰填谷的储能环节，从而开发数据中心电源***的附加价值。
综上所述，本发明提供一种高效率电源***，包括:电力变压器，接收电网电力输入并对电网电力进行隔离降压，所述电力变压器至少包括第一输出绕组和第二输出绕组，所述第一输出绕组为后级高压直流总线提供电力，所述第二输出绕组提供辅助交流供电；以及AC/DC变换器，将所述第一输出绕组提供的交流电转化为高压直流电，实现高压直流供电。由此，本发明实现了从高压交流电网同时获得高压直流供电和辅助交流供电，并且提高了从电网侧至高压直流总线的转换效率；进一步的，本发明还可以为机房的交流用电设备提供后备供电保障。因此，使得一次供电更加高效，简洁，可靠。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种高效率电源***，从高压交流电网同时获得高压直流供电和辅助交流供电，其特征在于，包括:
电力变压器，输入绕组接收电网电力输入并对电网电力进行隔离降压，所述电力变压器至少包括第一输出绕组和第二输出绕组，所述第一输出绕组为后级高压直流总线提供电力，所述第二输出绕组只提供辅助交流供电，第一输出绕组与输入绕组之间以及第二输出绕组与第一输出绕组之间皆设置有绝缘层以提供绝缘距离，满足10kV以上的隔离电压；
双向非隔离型AC/DC变换器，将所述第一输出绕组提供的交流电转化为高压直流电，实现高压直流供电；并在控制单元检测到电网电力中断时接收来自所述控制单元的信号，进入DC至AC的工作模式，从而将后备电池的电力经过所述第一输出绕组送至所述电力变压器，进而通过电力变压器的第二输出绕组提供辅助交流供电；以及
所述后备电池的电压与所述高压直流电匹配，并直接与高压直流总线并联连接；
数字信号处理器，所述数字信号处理器获取所述电网电力的三相交流电压、与之对应的三相交流电流信号以及所述双向非隔离型AC/DC变换器的输出电压值，并实施运算调整经过所述双向非隔离型AC/DC变换器的PWM信号，使得PWM信号的占空比可达95％；所述输入绕组的匝数与所述第一输出绕组的匝数比为41.7：1，所述输入绕组的匝数比与所述第二输出绕组的匝数比为26.3：1；电力变压器接收电网电力输入的一级效率为99％以上，生成高压直流供电和辅助交流供电的一级效率为98％以上，从而电源***的效率达到97％以上。
2.根据权利要求1所述的高效率电源***，其特征在于，所述高压直流的总线标称电压为240V或336V，双向非隔离型AC/DC变换器的输入电压与高压直流的总线电压相匹配。
3.根据权利要求2所述的高效率电源***，其特征在于，所述双向非隔离型AC/DC变换器包含多个变换单元，所述多个变换单元的输入与输出分别并联，工作于并联均流状态，达成冗余备份的高可靠性***结构。
4.根据权利要求2所述的高效率电源***，其特征在于，所述双向非隔离型AC/DC变换器包含六开关的PFC整流电路，或者，所述双向非隔离型AC/DC变换器包含三相三电平的PFC整流电路；优选的，所述双向非隔离型AC/DC变换器中功率器件的耐压等于或低于650V。
5.根据权利要求1所述的高效率电源***，其特征在于，所述电力变压器的铁芯呈横着的“日”字型，输入绕组为U、V、W三相，输入绕组、第一输出绕组和第二输出绕组分别皆绕在铁芯的三个柱上。
6.根据权利要求5所述的高效率电源***，其特征在于，所述第一输出绕组的标称电压为240Vrms，所述第二输出绕组的标称电压为380Vrms。
7.一种高效率电源获取方法，采用如权利要求1-6中任意一项所述的高效率电源***，其特征在于，包括:
利用电力变压器从高压电网获得相互隔离的第一组三相交流电和第二组三相交流电，所述电力变压器的第一输出绕组与输入绕组之间以及第二输出绕组与第一输出绕组之间皆设置有绝缘层以提供绝缘距离，满足10kV以上的隔离电压，所述第二组三项交流电提供辅助交流供电；
所述第一组三相交流电经过双向非隔离型AC/DC变换器获得高压直流电，所述双向非隔离型AC/DC变换器为双向非隔离型，实现高压直流供电；
在双向非隔离型AC/DC变换器的输出并联有后备电池，当电网中断时，由后备电池向高压直流总线提供电力，并通过双向非隔离型AC/DC变换器逆向变换向电力变压器提供电力，进而维持第二组三相交流电的输出。
8.根据权利要求7所述的高效率电源获取方法，其特征在于，所述第一组三相交流电的线电压峰值与所述高压直流电的最大值相匹配。
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