一种基于分层的数据中心混合能量存储系统及能耗控制方法技术方案

一种基于分层的数据中心混合能量存储系统及能耗控制方法，ATS用于将数据中心的供电在发电机和主电源之间自动转换；PDU用于为不同的机架提供不同的电源环境；HHEB用于为数据中心提供所需的能量并储存多余的能量，其分布在数据中心的不同供电层；HHEB中央控制器用于管理不同供电层的能源分配；当负载功耗需求低于预分配的能源时，主电源给位于不同层级的储能设备充电；HHEB中央控制器控制着三个层级的能源分配。本发明专利技术能够消除数据中心电力供给与需求不匹配问题，从而克服单一的铅酸电池能量存储系统在消除数据中心电力不匹配问题时的缺陷。本发明专利技术为每个负载分配不同的能源，实现了能耗控制，并且方法简便，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种面向数据中心的混合能量存储装置，涉及一种基于分层的混合能量存储系统消除数据中心电源供给与需求之间不匹配的能耗控制方法，具体涉及一种基于分层的数据中心混合能量存储系统及能耗控制方法。
技术介绍
数据中心巨大的能耗成本和高碳排放对环境的不利影响促使着工业界从数据中心电力基础设施的角度来解决这两个问题。目前有两种主要的技术：(1)极大地降低数据中心的电力配额(也称为电力低配额数据中心)。这种技术已经被证明可以显著地降低数据中心的电力基础设施投资成本和每月的运营成本。(2)利用可再生能源驱动数据中心。为了有效降低数据中心的碳排放量，许多著名的IT公司(像微软、IBM、苹果、谷歌、惠普等等)已经开始建设可再生能源驱动的绿色数据中心。这两种数据中心都能有效降低其能耗成本及碳排放量，但是更容易导致能源供给和负载需求之间的不匹配问题：比如(1)在电力低配额的数据中心中，由于故意地降低了电力供应配额，当遇到大量无规则或猝发性的服务请求时，很有可能造成负载功耗需求超出电力配额。(2)可再生能源本身就具有间歇性和波动性，因此，即使是平稳的负载功耗需求，由于可再生能源供应的波峰波谷变化也会导致数据中心能源供给和负载功耗需求之间的不匹配。目前已存有的技术是采用由铅酸电池构成的能量存储系统来解决数据中心中电力不匹配问题，采用的能耗控制方法为：当能量源供给(或可再生能源产量)多于数据中心负载需求的时候，多余的能源会被存储在能量存储设备中。相反地，当能量源的供给(或可再生能源产量)不能满足负载功耗需求的时候，能量存储设备会释放出一些存储的能量供负载使用以保证负载正常运行。由于铅酸电池生产技术成熟且成本较低，数据中心中广泛采用了铅酸电池作为能量存储设备，但铅酸电池存在一些缺陷：(1)电池具有有限的生命周期(大约2000到3000次的充放电次数)，频繁的充放电会导致更短的电池生命周期；(2)大电流放电会减少电池的可用容量(普克特方程(Peukert Equation)作用)；(3)为了避免电池在充电过程中发热，电池不能非常快地使用大电流进行充电。此外，电池的另一个重要缺点是它具有很低的能量效率(一次循环的充放电可以导致15％-20％的能量损失)。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于分层的数据中心混合能量存储系统及能耗控制方法，该系统能够消除数据中心电力供给与需求不匹配问题，从而克服单一的铅酸电池能量存储系统在消除数据中心电力不匹配问题时的缺陷。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于分层的数据中心混合能量存储系统，包括ATS、PDU、HHEB以及HHEB中央控制器；所述ATS用于将数据中心的供电在发电机和主电源之间自动转换；所述PDU用于为不同的机架提供不同的电源环境；所述HHEB用于为数据中心提供所需的能量并储存多余的能量，其分布在数据中心的不同供电层；所述HHEB中央控制器用于管理不同供电层的能源分配；其中，ATS为自动转换开关，PDU为电源分配单元，HHEB为混合分层的能量存储器。本专利技术进一步的改进在于，所述HHEB由储能单元、本地控制器以及智能电源分配单元组成；所述储能单元由超级电容组、蓄电池组以及充电器组成；所述超级电容组包括若干个超级电容、传感器和DC/AC；其中，超级电容用来储存能量；传感器用来检测超级电容的电流、电压以及剩余容量以决定是否继续为其充电或者让其放电；DC/AC用来对超级电容的充放电电流进行直流和交流的转换；所述蓄电池组包括若干个蓄电池、传感器和DC/AC；其中，蓄电池用来储存能量；传感器用来检测蓄电池的电流、电压以及剩余容量以决定是否继续为其充电或者让其放电；DC/AC用来对蓄电池的充放电电流进行直流和交流的转换；所述本地控制器用于控制当前层级储能设备的充放电以及负载功耗监测。本专利技术进一步的改进在于，所述HHEB中央控制器包括能量分配表、动态调度模块以及优化器；其中，能量分配表用于分配储能设备中的能量；动态调度模块用于选择不同的超级电容供电比例以解决能源与负载能耗需求之间的不匹配问题；优化器用来优化储能设备供电时超级电容供电的比例。一种基于分层的数据中心混合能量存储系统的能耗控制方法，HHEB分配在数据中心的三个层级，HHEB包括HHEB1、HHEB2和HHEB3，HHEB1应用在PDU层级，HHEB2应用在机架层级，HHEB3应用在服务器层级；当负载功耗需求低于预分配的能源时，主电源给位于不同层级的储能设备充电；HHEB中央控制器控制着三个层级的能源分配，其中，HHEB中的继电器开关R控制着ESD中的能源以输送到不同的负载；通过传感器收集的ESD的电压和电流被传送到本地控制器中；继电器的状态以及所有服务器的能耗需求信息也传送到了本地控制器中；本地控制器将上述电压、电流以及能耗需求信息反馈到HHEB中央控制器中，然后HHEB中央控制器基于能耗控制方法做出相应的决定并将命令信号传给本地控制器来控制每个能源开关，为每个负载分配不同的能源。本专利技术进一步的改进在于，所述机架层、PDU层以及服务器层的HHEB1、HHEB2和HHEB3结构都是相同的。本专利技术进一步的改进在于，所述能耗控制方法包括以下步骤：预测：在每一次能耗控制周期开始时，周期性地预测功率峰值为小功率峰值还是大功率峰值；当功率峰值为小功率峰值时，单独用电池或者超级电容来消除掉；对于小功率峰值的处理具体过程为：HHEB中央控制器优先采用超级电容来去峰，这时与超级电容相连的继电器Rx全部开启，x为偶数；当所有的超级电容被用完了，控制器会打开所有电池的控制继电器，使得所有服务器都由电池接管并执行削峰处理，这时与电池相连的继电器Rx全部开启，x为奇数；当功率峰值为大功率峰值时，若预测的功率峰值持续时间长时，控制器会将电池和超级电容作为一个联合体来共同处理功率峰值；HHEB中央控制器同时为电池和超级电容分配不同比例的ΔPM来共同地消除大功率峰值需求，此时Rx根据不同储能设备的供电比例相应地开启与关闭；其中，ΔPM为峰值和谷值的差值，ΔPM＝Ppeak–Pvalley，Ppeak为峰值，Pvalley为谷值；为了找到最优的分配比例，HHEB中央控制器为这个异构能量存储维护着一个能量分配表，记为PAT；这个表一开始记录了最初的粗粒度的负载分配及对应的超级电容和电池的供电比例；基于每个控制周期内的能量存储中当前可用的能量及预测的平均电力不匹配值，控制器总能找到一个能量分配比例Rλ，或者近似的能量分配比例Rλ去决定不同的负载被分配到不同的能量存储设备上；为了确保控制的有效性，HHEB中央控制器在系统运行期间不断地更新PAT表：(1)在PAT表中不断增加新的条目；(2)基于运行结果，更新已存在的条目；利用分层ESD能量管理策略进行层级能量存储管理：当单个层级的能量存储设备没有足够的能量时，将进一步利用分层ESD能量管理策略来协助功率失配处理；基于上述分层ESD能量管理策略，HHEB中其它ESD也能够从底层到顶层地依次进行充电，从顶层到底层依次进行放电；经过层级能量存储管理后，若功率谷值不匹配则首先对超级电容充电，当其充满后对电池充电；若是功率谷值匹配则开始下一个周期。本专利技术进一步的改进在于，采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分层的数据中心混合能量存储系统，其特征在于，包括ATS、PDU、HHEB以及HHEB中央控制器；所述ATS用于将数据中心的供电在发电机和主电源之间自动转换；所述PDU用于为不同的机架提供不同的电源环境；所述HHEB用于为数据中心提供所需的能量并储存多余的能量，其分布在数据中心的不同供电层；所述HHEB中央控制器用于管理不同供电层的能源分配；其中，ATS为自动转换开关，PDU为电源分配单元，HHEB为混合分层的能量存储器。

【技术特征摘要】
1.一种基于分层的数据中心混合能量存储系统，其特征在于，包括ATS、PDU、HHEB以及HHEB中央控制器；所述ATS用于将数据中心的供电在发电机和主电源之间自动转换；所述PDU用于为不同的机架提供不同的电源环境；所述HHEB用于为数据中心提供所需的能量并储存多余的能量，其分布在数据中心的不同供电层；所述HHEB中央控制器用于管理不同供电层的能源分配；其中，ATS为自动转换开关，PDU为电源分配单元，HHEB为混合分层的能量存储器。2.根据权利要求1所述的一种基于分层的数据中心混合能量存储系统，其特征在于，所述HHEB由储能单元、本地控制器以及智能电源分配单元组成；所述储能单元由超级电容组、蓄电池组以及充电器组成；所述超级电容组包括若干个超级电容、传感器和DC/AC；其中，超级电容用来储存能量；传感器用来检测超级电容的电流、电压以及剩余容量以决定是否继续为其充电或者让其放电；DC/AC用来对超级电容的充放电电流进行直流和交流的转换；所述蓄电池组包括若干个蓄电池、传感器和DC/AC；其中，蓄电池用来储存能量；传感器用来检测蓄电池的电流、电压以及剩余容量以决定是否继续为其充电或者让其放电；DC/AC用来对蓄电池的充放电电流进行直流和交流的转换；所述本地控制器用于控制当前层级储能设备的充放电以及负载功耗监测。3.根据权利要求1所述的一种基于分层的数据中心混合能量存储系统，其特征在于，所述HHEB中央控制器包括能量分配表、动态调度模块以及优化器；其中，能量分配表用于分配储能设备中的能量；动态调度模块用于选择不同的超级电容供电比例以解决能源与负载能耗需求之间的不匹配问题；优化器用来优化储能设备供电时超级电容供电的比例。4.一种基于分层的数据中心混合能量存储系统的能耗控制方法，其特征在于，HHEB分配在数据中心的三个层级，HHEB包括HHEB1、HHEB2和HHEB3，HHEB1应用在PDU层级，HHEB2应用在机架层级，HHEB3应用在服务器层级；当负载功耗需求低于预分配的能源时，主电源给位于不同层级的储能设备充电；HHEB中央控制器控制着三个层级的能源分配，其中，HHEB中的继电器开关R控制着ESD中的能源以输送到不同的负载；通过传感器收集的ESD的电压和电流被传送到本地控制器中；继电器的状态以及所有服务器的能耗需求信息也传送到了本地控制器中；本地控制器将上述电压、电流以及能耗需求信息反馈到HHEB中央控制器中，然后HHEB中央控制器基于能耗控制方法做出相应的决定并将命令信号传给本地控制器来控制每个能源开关，为每个负载分配不同的能源。5.根据权利要求4所述的一种基于分层的数据中心混合能量存储系统的能耗控制方法，其特征在于，所述机架层、PDU层以及服务器层的HHEB1、HHEB2和HHEB3结构都是相同的。6.根据权利要求4所述的一种基于分层的数据中心混合能量存储系统的能耗控制方法，其特征在于，所述能耗控制方法包括以下步骤：预测：在每一次能耗控制周期开始时，周期性地预测功率峰值为小功率峰值还是大功率峰值；当功率峰值为小功率峰值时，单独用电池或者超级电容来消除掉；对于小功率峰值的处理具体过程为：HHEB中央控制器优先采用超级电容来去峰，这时与超级电容相连的继电器Rx全部开启，x为偶数；当所有的超级电容被用完了，控制器会打开所有电池的控制继电器，使得所有服务器都由电池接管并执行削峰处理，这时与电池相连的继电器Rx全部开启...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘龙军，孙宏滨，辛景民，郑南宁，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61