储能装置

技术领域

本公开涉及储能供电技术领域，具体涉及数据中心的不间断供电技术领域。

背景技术

数据中心是信息整合的核心区域，通常承载着重要的存储或计算资源，必须要有充足的电力电源保障。通常，数据中心架构会配置HVDC(High-Voltage Direct Current，高压直流输电)与铅酸电池作为数据中心服务器的后备电源，用于在市电供电发生异常时，对负载提供不间断电力供应。

铅酸电池由于其应用历史悠久，化学特性相对不活跃，业界认为其相对安全，所以一般铅酸电池都放在数据中心楼内部。但是铅酸电池循环寿命短，无法进行储能应用。

发明内容

本公开实施例提出了一种储能装置，包括电池模组、控制系统和储能母线：电池模组，通过储能母线连接在数据中心的输出母线上，用于从数据中心获取电能进行充电和向数据中心的负载提供电能；控制系统，连接电池模组和储能母线，用于控制电池模组充电和放电。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1是根据本公开的储能装置的一个实施例的电路结构示意图；

图2是根据本公开的储能装置的又一个实施例的电路结构示意图；

图3是根据本公开的储能装置的另一个实施例的电路结构示意图；

图4是接入储能装置的数据中心的架构图；

图5是数据中心的供电电路的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

随着国家双碳目标的提出，政府鼓励用电企业进行储能建设。数据中心建设储能，一方面配合电网进行削峰填谷，即通过参与当地的用户侧响应，用户侧自己调节自己的用电峰值来进行电网的间接调峰；另一方面可以进行峰谷差价获取收益。目前，各地峰谷差价越来越大，通过配置储能可以直接通过峰谷差价获取收益。

本申请提出了一种新的数据中心的储能实现方式，能够保证数据中心架构简单，一次性投资少，可靠性高，而且适合新建数据中心与已建数据中心改造。

图1示出了根据本公开的储能装置的一个实施例的电路结构示意图。

如图1所示，储能装置1可以包括电池模组101、控制系统102和储能母线103。

其中，电池模组101可以通过储能母线103连接在数据中心的输出母线上，用于从数据中心获取电能进行充电和向数据中心的负载提供电能。

在一些实施例中，电池模组101可以包括N个锂电池簇。其中，N-X个锂电池簇可以为供电锂电池簇，其余X个锂电池簇可以为冗余锂电池簇。N和X为正整数，且N>X。

通常，数据中心的输出母线是HVDC输出母线，每个HVDC输出母线可以根据自己负载的特性、需求等情况，选择性地接入储能装置。

通常，储能装置1可以由N个锂电池簇组成。储能装置1可以以独立的空间放到数据中心外部，比如建筑或者集装箱等形式。这样就可以通过物理位置把储能装置与数据中心隔离开，从而避免锂电池发生火灾等对数据中心的影响。储能装置的大小，以及占地面积，根据园区的可用空间、物理位置、HVDC的需求等进行灵活配置。并且，锂电池簇的数量N不受限制。这样可以对于改造数据中心或者数据中心面积十分紧凑的情况下，灵活地进行储能装置的配置与改造，应用场景十分广泛。

这里，电池模组101包括的锂电池簇的数量N与接入的HVDC输出母线的数量可以不一致。N可以根据储能的电量大小、电池的新旧程度等等进行灵活组合，且支持新旧混用，对于梯次电池等场景下具有很大的应用前景。N的配置可以进行冗余设计。其中，N-X个锂电池簇满足负载全部额定功率。X一般根据系统容量配置一定冗余数量。这样，可以保证N个锂电池簇中有1～X个锂电池簇发生故障时，储能装置1仍能保证全部负载功率。例如，电池模组101包括十个锂电池簇，接入一个数据中心的两个HVDC输出母线。其中，有八个锂电池簇是供电锂电池簇，当由电池模组101供电时，这八个锂电池簇向负载提供电能，满足负载全部额定功率。另外两个锂电池簇为冗余锂电池簇，当这八个供电锂电池簇中存在两个锂电池簇故障时，这两个冗余锂电池簇变成供电锂电池簇。此时，还是八个锂电池簇向负载提供电能，仍能保证全部负载功率。

其中，控制系统102可以连接电池模组101和储能母线103，用于控制电池模组101充电和放电。

在一些实施例中，控制系统102可以根据设定的电价峰谷段的时间，控制电池模组101在电价峰段和/或电价平段进行放电，在电价谷段进行充电，以便于通过峰谷差价获取收益。

通常，储能装置1具有控制系统102，控制系统102可以对储能装置1进行控制，与HVDC等其他设备没有任何通讯。

继续参考图2，其示出了根据本公开的储能装置的又一个实施例的电路结构示意图。

如图2所示，储能装置1可以包括电池模组101、控制系统102、储能母线103、第一DC/DC(Direct Current，直流转直流电源)104和第二DC/DC105。

其中，电池模组101可以通过储能母线103连接在数据中心的输出母线上，用于从数据中心获取电能进行充电和向数据中心的负载提供电能。并且，电池模组101可以包括N个锂电池簇。

其中，控制系统102可以连接电池模组101、储能母线103和第一DC/DC104，用于控制电池模组101充电和放电，以及第一DC/DC104。

在一些实施例中，控制系统102可以采集N个锂电池簇的状态信息、总放电电流和总充电电流，根据N个锂电池簇的状态信息、总放电电流和总充电电流控制N个第二DC/DC105中的第二DC/DC105的充电电流和放电电流，以及第一DC/DC104的输出电压。

通常，储能装置1具有控制系统102，控制系统102可以对储能装置1和第一DC/DC进行控制，与HVDC等其他设备没有任何通讯。控制系统102可以负责锂电池簇信息的采集、母线电流的采集、第二DC/DC的控制等。锂电池簇内部设置有电池管理系统，负责锂电池簇内电池信息的采集、均衡管理等。锂电池簇的电池管理系统可以把锂电池簇的状态信息、充放电的能力等传递给控制系统102。控制系统102可以通过母线上的电池传感器，采集储能装置1的总放电电流与充电电流。控制系统102可以根据总电流、各锂电池簇的状态信息等进行控制各锂电池簇的第二DC/DC105的充电电流与放电电流，以及HVDC侧的第一DC/DC104的输出电压等。

其中，第一DC/DC 104可以连接在储能母线103与输出母线之间，用于对电池模组101充电和放电，以及在电池模组101故障时隔离电池模组101。

通常，每个HVDC可以通过第一DC/DC104与储能装置1进行连接，该第一DC/DC104为隔离型DC/DC，即，储能装置1发生任何故障，都不会影响到原供电系统。并且，第一DC/DC104为双向DC/DC,既可以通过第一DC/DC104对储能装置1充电，又可以把储能装置1的电供电给负载。第一DC/DC104可以把储能装置1的电源转化为HVDC输出母线电压，比如将1500V的储能电压传化为272V母线电压。

其中，储能装置1还可以包括N个第二DC/DC105。锂电池簇与第二DC/DC105一一对应，且第二DC/DC105连接在对应的锂电池簇与储能母线103之间，用于管理锂电池簇的充电和放电。

通常，储能装置1内的N个锂电池簇也分别配置一个双向非隔离型的第二DC/DC105，主要用于各锂电池簇的充电和放电管理。第二DC/DC105可以把电池变化的电池范围转化为稳定的电压输出，具体电压根据实际应用进行设定，比如1500V。

进一步参考图3，图3是根据本公开的储能装置的另一个实施例的电路结构示意图；

如图3所示，储能装置1可以包括电池模组101、控制系统102、储能母线103、第一DC/DC104、第二DC/DC105、第一开关106和第二开关107。

其中，电池模组101可以通过储能母线103连接在数据中心的输出母线上，用于从数据中心获取电能进行充电和向数据中心的负载提供电能。并且，电池模组101可以包括N个锂电池簇。

其中，控制系统102可以连接电池模组101、储能母线103和第一DC/DC104，用于控制电池模组101充电和放电，以及第一DC/DC104。

其中，第一DC/DC 104可以连接在储能母线103与输出母线之间，用于对电池模组101充电和放电，以及在电池模组101故障时隔离电池模组101。

其中，储能装置1还可以包括N个第二DC/DC105。N个第二DC/DC105中的第二DC/DC105连接在N个锂电池簇中的锂电池簇与储能母线103之间，用于管理锂电池簇的充电和放电。

其中，第一开关106可以连接在第一DC/DC104与输出母线之间，用于控制电池模组101与输出母线之间的接通和断开。

通常，HVDC输出母线可以通过第一开关106(通常为断路器)连接到第一DC/DC104，该第一开关106可以方便HVDC输出母线与储能装置1进行断开，以进行检修等操作。

其中，储能装置1还可以包括N个第二开关107，第二开关与第二DC/DC一一对应，且第二开关107可以连接在对应的第二DC/DC105和储能母线103之间，用于N个锂电池簇之间的相互解耦。

通常，每个锂电池簇与储能母线103可以通过一个第二开关107(通常为断路器)进行连接，用于各个锂电池簇的维护或者维修时的断电开关。各锂电池簇互相解耦，即，任何一个锂电池簇故障或者断电维护，都不影响其他锂电池簇的运行。

进一步参考图4，其示出了接入储能装置的数据中心的架构图。

如图4所示，数据中心引入两路10kV市电(即第一市电和第二市电)。两路10kV市电分别为两段10kV母线(即第一10kV母线和第二10kV母线)，两段10kV母线间有一个母联开关。同时，各10kV母线会连接同一套柴油发电机。10kV母线电压经过变压器(即第一变压器和第二变压器)转化为380V交流电(即第一380V母线和第二380V母线)，然后经过分布式的HVDC输出母线转化为直流电(如270V)，为负载供电。数据中心正常供电时，两路市电分别带50％的负载。当一路市电掉电时，另一路市电带100％负载；当两路市电均掉电时，柴油发电机启动带100％负载。由于柴油发电机启动需要时间，因此HVDC输出母线上挂接铅酸电池作为备电系统。在两路市电掉电之后，柴油发电机启动成功之前，为负载供电。

但是，铅酸电池循环寿命短，无法进行储能应用，因此HVDC输出母线上还连接储能装置。

每个HVDC输出母线可以根据自己负载的特性、需求等情况，选择性地接入储能装置。每个HVDC可以通过一个DC/DC与储能装置进行连接。该DC/DC为隔离型的DC/DC，即储能装置发生任何故障，都不会影响到原供电系统。同时，该DC/DC为双向DC/DC,既可以通过它对储能装置充电，又可以把储能装置的电供电给负载。HVDC输出母线可以通过开关(通常为断路器)连接到该DC/DC，该开关可以方便HVDC母线与储能装置进行断开，以进行检修等操作。该DC/DC可以把储能装置的电源转化为HVDC母线电压，比如将1500V的储能电压传化为272V母线电压。

储能装置可以由N个锂电池簇组成。储能装置可以以独立的空间放到数据中心外部，比如建筑或者集装箱等形式。这样就可以通过物理位置把锂电池与数据中心隔离开，从而避免锂电池发生火灾等对数据中心的影响。储能装置的大小，以及占地面积，根据园区的可用空间、物理位置、HVDC的需求等进行灵活配置，且锂电池簇的数量N不受限制。这样可以对于改造数据中心、或者数据中心面积十分紧凑的情况下，灵活地进行储能装置的配置与改造，应用场景十分广泛。而且,锂电池簇的数量N与接入的HVDC输出母线的数量可以不一致，N可以根据储能的电量大小、电池的新旧程度等等进行灵活组合，且支持新旧混用，对于梯次电池等场景下具有很大的应用前景。N的配置可以进行冗余设计，其中N-X个锂电池簇满足负载全部额定功率，X一般根据系统容量配置一定冗余数量。这样可以保证N个锂电池簇中有1～X个簇发生故障时，系统仍能保证全部负载功率。

储能装置内的N个锂电池簇也分别配置一个双向非隔离型DC/DC,主要用于各锂电池簇的充电和放电管理。DC/DC把电池变化的电池范围转化为稳定的电压输出，具体电压根据实际应用进行设定，比如1500V。每个锂电池簇与储能母线可以通过一个开关(通常为断路器)进行连接，用于各个锂电池簇的维护或者维修时的断电开关。各锂电池簇互相解耦，即任何一个锂电池簇故障或者断电维护，都不影响其他锂电池簇的运行。

储能装置具有一个控制系统，该控制系统只对储能装置、HVDC侧的DC/DC进行控制，与HVDC等其他设备没有任何通讯。控制系统可以负责锂电池簇信息的采集、母线电流的采集、DC/DC的控制等。锂电池簇内部设置有电池管理系统，负责锂电池簇内电池信息的采集、均衡管理等。锂电池簇的电池管理系统可以把锂电池簇的状态信息、充放电的能力等传递给控制系统。控制系统可以通过母线上的电池传感器，采集储能装置的总放电电流与充电电流。控制系统可以根据总电流、各锂电池簇的状态信息等进行控制各锂电池簇的DC/DC的充电电流与放电电流，以及HVDC侧DC/DC的输出电压等。同时，控制系统还可以进行峰谷段的时间设定，从而进行在电价峰段和/或平段进行放电、谷段进行放电等控制。

需要说明的是，图4中为简要示意图，实际系统中各级设备配置数量会有变化，且各级直接配置的常规开关等未展示。

进一步参考图5，其示出了数据中心的供电电路的结构示意图。

如图5所示，数据中心的铅酸电池连接在输出母线上。在储能装置待机时，铅酸电池浮充，由输出母线为负载提供电能；在储能装置放电时，铅酸电池浮充，由储能装置为负载提供电能；在储能装置充电时，计算N个锂电池簇中的锂电池簇需要的充电电流，基于N个锂电池簇中的锂电池簇需要的充电电流计算总充电电流，由第一DC/DC根据总充电电流限流充电，由控制系统根据N个锂电池簇中的锂电池簇需要的充电电流，对N个第二DC/DC中的第二DC/DC进行电流分配；在市电掉电时，在储能装置有电的情况下，由储能装置通过第一DC/DC放电，在储能装置没电的情况下，由铅酸电池放电；在储能装置故障时，第一DC/DC断开。

以两套数据中心的HVDC输出母线接入储能装置为例，HVDC输出电压为270V恒定。铅酸电池直接挂在母线M1上，正常工作时为浮充。即，以很小的涓流电池进行充电，可以认为不充不放状态。储能装置由3个锂电池簇组成。每个锂电池簇由420节电池串联组成。每节电池工作电压定为2.5V～3.5V，所以锂电池簇的输出电压范围为1050V～1470V。通过锂电池簇侧的DC/DC(如D1)转化为恒定的1500V，即母线M2为1500V恒定。HVDC侧DC/DC(如C1)将1500V电压转为不同的输出电压，比如268V、272V等。

在待机状态下，铅酸电池浮充，HVDC输出电压为270V，储能装置控制C1、C2电压调节为268V。此时，由于HVDC输出电源最高，由HVDC对负载进行供电。

在储能放电时，铅酸电池仍然浮充，HVDC输出电压为270V，储能装置控制C1、C2电压调节为272V。此时，铅酸继续以272V进行浮充。由于储能装置输出电压高于HVDC电压，所以由储能装置进行放电。

在储能充电时，储能装置通过当前时段以及锂电池簇的状态计算每个锂电池簇需要的充电电流，比如分别为A1、A2、A3。此时系统默认C1、C2分别需要(A1+A2+A3)/2的电流，同时控制C1、C2的充电回路接通。若此时负载较小，各HVDC均可以给出足够的电流，此时，C1、C2分别按照(A1+A2+A3)/2的电流进行限流充电。此时，控制系统通过得到的总电流，对D1、D2、D3进行电流分配。如果C1侧给不出最大电流，则C1侧HVDC则会按照能给出的最大电流(HVDC自己控制)。此时，系统控制C2进行对应剩余电流的限流请求。如果C2侧也负载较大，则C2侧HVDC按照能给出的最大电流(HVDC自己控制)。此时，母线M1得到总电流后，系统继续根据各锂电池簇的状态进行动态分配电流，以保证各锂电池簇的充电状态保持一致，尽可能同时充满。

当市电掉电时，若储能装置还有电，则可以通过C1、C2进行放电，若储能装置已经没有电，则输出电压会逐渐降低，此时铅酸电池进行放电。

当储能故障时，C1、C2断开，且C1、C2为隔离型器件，即没有电路联通，所以对原供电系统没有任何影响。

上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。