适用于AIDC的中压固态变压器、系统及在线更换方法与流程

本发明涉及供电，具体涉及一种适用于aidc的中压固态变压器、系统及在线更换方法。

背景技术：

1、景技术

2、在数字化浪潮席卷全球的当下，算力成为数字经济核心生产力，aidc（人工智能数据中心）产业作为数字经济的核心基础设施，正以前所未有的速度蓬勃发展。数据中心规模的急剧扩张和设备功率密度的持续攀升，使得供电架构面临新的挑战。

3、传统的供电模式为：ac 10kv母线→工频变压器（降压）→ac 380v→ups整流逆变→220v ac→服务器整流→服务器内部直流负载。该模式中间经过多次转换，每级转换损耗1%～3%，整体效率不足92%。

4、随着单机柜功耗从数千瓦提升至数十千瓦甚至更高，传统供电模式输出电压低、电流大的弊端日益凸显。当单机柜功耗从8kw提升到120kw、输出电压为220v时，电流将从约36a激增至545a。巨大的电流在传输线路中产生大量的热量损耗，造成能源严重浪费，也给配电系统带来巨大压力，增加线缆铺设、配电开关选型的难度，甚至存在安全隐患。随着aidc产业的进一步发展，这种供电模式无法满足更高功率密度的需求。

5、中压固态变压器（medium-voltage solid-state transformer, mv-sst）是一种融合了电力电子与智能控制技术的新型电力设备，与传统的ac 10kv/380v工频变压器不同，能够实现电网ac 10kv电能与柔性dc 800v供电母线之间的高效双向能量变换，体积减少70%～90%，效率可提升至98.5%以上，重构了电力系统的底层逻辑。中压固态变压器是固态变压器（sst）在10kv至35kv电压等级下的具体实现，是高功率密度应用的配电入口。

6、采用中压固态变压器后，典型的供电模式为：10kv中压交流电→中压固态变压器→800v高压直流电（hvdc）→服务器电源（进一步降压）→低压直流电给服务器。即sst替换了传统供电模式中ups整流逆变和服务器整流两个环节，大幅减少了变换次数，提升了系统效率。

7、目前，业界在中大容量领域多采用输入串联输出并联（isop）架构的电压拆分方案来实现mv-sst。该方案通过三级变换完成电能转换：第一级利用级联h桥变换器（chb）实现ac 10kv的分压与ac/dc变换；第二级将低压dc转换为数十khz的高频ac；第三级通过高频变压器进行电气隔离与变压，最后整流为低压dc并输出并联，如公开号为的cn120433595a的发明专利。

8、现有技术中，中压固态变压器的结构原理如图1所示：多个功率单元串联连接于10kv母线上，每个功率单元分担部分电压，共同承受10kv高压。

9、针对输入级串联可能出现的问题，现有方案采用串联功率单元旁路及每相n+1冗余设计。例如，10kv的mv-sst共有9+1个功率单元串联，每个模块分担的电压为1000v，模块的电压上限约1200v。当其中一个模块故障时，将其对应的隔离开关合闸后可将该模块短路，剩余9个模块分担的电压为1111v，系统仍可正常运行。但故障模块仍在10kv中压线路中，根据中压系统的操作规范，故障模块未断电及接地保护，故障单元无法脱离带电系统进行拆卸及更换。当出现2个模块故障时，剩余8个模块分担的电压为1250v，已超出其承受范围，无法正常工作。

10、因此，现有mv-sst存在以下缺点：

11、（1）无法在线更换：功率单元发生故障时，虽可通过旁路开关将其短路，但故障模块仍物理连接在10kv中压线路上，根据中压配电安全规程，故障模块未彻底断电和接地前，不允许进行任何拆卸和更换操作，必须整机停机检修，无法实现在线更换。

12、（2）冗余能力有限：n+1设计仅能容忍一个模块故障，当第二个模块故障时，剩余模块因电压超标而无法支撑，系统最终崩溃。

13、（3）输出端口单一，无法直接支持不间断供电：现有mv-sst通常仅具备单一低压直流输出端口，输出电压固定（如800v），缺乏专用的储能接口，无法直接连接电池等储能设备。当市电中断时，现有mv-sst无法为下游负载提供无缝备电切换，需额外配置独立的ups或储能变换装置，增加了系统复杂度和投资成本。

14、上述缺陷使得现有mv-sst在应用于aidc数据中心时，一旦发生功率单元故障，需整机停电方可维修，而aidc数据中心对供电连续性要求极为严苛，任何计划外停电均可能导致算力服务中断，造成重大经济损失。因此，现有mv-sst难以满足aidc数据中心对供电可靠性99.999%的要求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明为了克服上述现有技术的不足，提供适用于aidc的中压固态变压器及其系统，通过改变功率单元与其他部件的拓扑结构，实现功率单元在不中断10kv供电的前提下安全在线更换；同时设置双低压直流输出端口，第一端口用于主供电，第二端口用于直接连接储能单元，实现市电与备电的无缝切换，本发明还提供一种适用于aidc的中压固态变压器的在线更换方法及系统。

2、技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种适用于aidc的中压固态变压器，包括：

3、多个功率单元，其用于将外部中压交流母线提供的中压交流电转换为直流电，各所述功率单元具有用于挂接至所述外部中压交流母线的交流接入端，以及与所述输出负载连接的直流输出端；

4、模式切换装置，所述模式切换装置一一对应地设置于各所述功率单元的交流接入端与所述外部中压交流母线之间的连接路线上，所述功率单元的交流接入端分别经各自对应的所述模式切换装置，并联连接至所述外部中压交流母线上；

5、所述模式切换装置具有预充电状态、接通状态、放电状态和接地状态，用于切换对应的所述功率单元与所述外部中压交流母线之间的电气连接状态，从而使得所述功率单元独立地从所述中压固态变压器中插拔更换。

6、进一步的，包括：

7、所述模式切换装置为四档位切换开关，分别对应预充电档位、接通档位、放电档位和接地档位，基于所述预充电档位、接通档位、放电档位和接地档位分别形成预充电回路、接通回路、放电回路和接地回路。

8、进一步的，包括：

9、所述基于所述预充电档位、接通档位、放电档位和接地档位分别形成预充电回路、接通回路、放电回路和接地回路，包括：

10、当所述交流接入端置于所述预充电档位时，所述功率单元通过第一预充电电阻与外部中压交流母线相连，所述第一预充电电阻串联在电流路径中，形成预充电回路；

11、当所述交流接入端置于所述接通档位时，所述功率单元直接与外部中压交流母线相连，形成接通回路；

12、当所述交流接入端置于所述放电档位时，所述功率单元通过放电电阻与地相连，形成放电回路；

13、当所述交流接入端置于所述接地档位时，所述功率单元的交流接入端，直接与地短接，形成接地回路。

14、进一步的，包括：

15、所述功率单元还包括：

16、第一低压侧端口，其为第一直流电压输出端口，作为主供电输出端；

17、第二低压侧端口，其为第二直流电压输出端口，作为备电输出端；

18、所述第一直流电压为800v，所述第二直流电压为600v～800v。

19、进一步的，包括：

20、所述功率单元还包括：低压连接器，所述低压连接器设置在所述功率单元的后部，所述第一低压侧端口和所述第二低压侧端口分别通过各自对应的低压连接器与外部设备连接；

21、所述低压连接器至少包括一组触头，每组触头均包括预充电触头和主功率触头；所述预充电触头在所述功率单元插入时先于主功率触头接通，使直流输出母线经第二预充电电阻向所述功率单元内部的电容充电；并在所述功率单元拔出时后于主功率触头断开，为所述电容的残余电荷提供泄放路径；

22、所述主功率触头在所述功率单元插入时后于预充电触头接通，将所述第二预充电电阻短路；并在所述功率单元拔出时先于预充电触头断开。

23、另一方面，本发明还提供一种适用于aidc的中压固态变压器系统，包括：

24、进线柜，设置于外部中压交流母线的进线端，包括中压断路器和接地开关；

25、整流柜，所述整流柜的交流输入端分别连接至所述进线柜的输出端，各所述整流柜内设置如第一方面所述的中压固态变压器，所述中压固态变压器设置有两个以上的所述功率单元；

26、直流输出母线，用于连接各所述功率单元的主供电输出端；

27、储能单元，用于连接至各所述功率单元的备电输出端，在所述外部中压交流母线断电时提供后备电源；

28、双电源切换模块，用于实现所述中压固态变压器供电与所述储能单元供电之间的切换。

29、第三方面，本发明还提供一种适用于aidc的中压固态变压器的在线更换方法，

30、该方法包括：

31、检测各所述功率单元的运行状态，当检测到功率单元发生故障时，发出故障信号；

32、故障功率单元接收所述故障信号后，切断功率输出，所述模式切换装置切换至所述放电状态，释放所述故障功率单元内部的残余电荷，放电完成后切换至所述接地状态；

33、将处于所述接地状态的故障功率单元从所述中压固态变压器中拔出；

34、将新的功率单元插入所述中压固态变压器，所述模式切换装置切换至所述预充电状态，通过预充电回路对所述新的功率单元进行限流充电；

35、预充电完成后，所述模式切换装置切换至所述接通状态，所述新的功率单元投入运行。

36、进一步的，包括：

37、所述将处于所述接地状态的故障功率单元从所述中压固态变压器中拔出，包括：

38、拔出过程中所述低压连接器的主功率触头先断开、预充电触头后断开。

39、进一步的，包括：

40、所述拔出过程中所述低压连接器的主功率触头先断开、预充电触头后断开，包括：

41、将所述故障功率单元从低压连接器的就位位置拉回至预充位置，由于所述主功率触头的接触端短于所述预充电触头的接触端，所述主功率触头先断开，所述预充电触头保持接触，所述功率单元内部电容的残余电荷经第二预充电电阻泄放；放电完成后，将所述故障功率单元完全拉出，所述预充电触头后断开，所述故障功率单元与所述直流输出母线完全隔离。

42、进一步的，包括：

43、所述将新的功率单元插入所述中压固态变压器，包括：

44、插入至所述低压连接器的预充位置时，所述低压连接器的预充电触头先与新的功率单元接触，在所述预充电触头接触后，所述模式切换装置切换至所述预充电状态，通过预充电回路对所述新的功率单元进行限流充电；

45、预充电完成后，将新的功率单元继续推入至低压连接器的就位位置，所述低压连接器的主功率触头后接触，在所述主功率触头接触后，所述模式切换装置切换至所述接通状态，新的功率单元投入运行。

46、进一步的，包括：

47、该方法还包括：

48、中压固态变压器的中心控制器向新的功率单元的中心所述新的功率单元下发端口配置指令，配置所述第一低压侧端口为恒压输出模式、输出电压为800v，作为主供电输出端向所述直流输出母线供电；

49、配置所述第二低压侧端口为可调输出模式，作为备电输出端连接至所述储能单元，实现对所述储能单元的充放电控制。

50、进一步的，包括：

51、所述配置所述第二低压侧端口为可调输出模式，作为备电端口连接至所述储能单元，实现对所述储能单元的充放电控制，包括：

52、在所述外部中压交流母线正常供电时，所述中心控制器控制所述第二低压侧端口以恒流模式或恒功率模式向所述储能单元充电；

53、在所述外部中压交流母线断电时，所述中心控制器控制所述第二低压侧端口切换至恒压输出模式，输出电压为600v～800v，所述储能单元经所述第二低压侧端口向直流输出母线供电。

54、第四方面，本发明还提供一种适用于aidc的中压固态变压器的在线更换系统，该系统包括：

55、信号检测模块，用于检测各所述功率单元的运行状态，当检测到功率单元发生故障时，发出故障信号；

56、故障单元处理模块，用于基于故障功率单元接收所述故障信号后，切断功率输出，所述模式切换装置切换至所述放电状态，释放所述故障功率单元内部的残余电荷，放电完成后切换至所述接地状态；

57、将处于所述接地状态的故障功率单元从所述中压固态变压器中拔出；

58、新功率单元运行模块，用于将新的功率单元插入所述中压固态变压器，所述模式切换装置切换至所述预充电状态，通过预充电回路对所述新的功率单元进行限流充电；预充电完成后，所述模式切换装置切换至所述接通状态，所述新的功率单元投入运行。

59、第五方面，本发明还提供一种电子设备，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如第三方面所述的适用于aidc的中压固态变压器的在线更换方法的步骤。

60、第六方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行第三方面所述的适用于aidc的中压固态变压器的在线更换方法的步骤。

61、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

62、（1）实现功率单元的在线更换，无需整机停电：本发明采用功率单元在交流侧并联连接至10kv母线，各功率单元独立工作、互不干扰。通过在功率单元的交流接入端设置四档位开关，该切换装置具有预充电、接通、放电和接地四个档位，并结合低压连接器的预充电触头的接触端凸出于主功率触头的接触端这一特点，实现了功率单元从接入到退出全过程的电气安全控制。当单个功率单元发生故障时，只需通过模式切换装置将该单元切换至放电档位释放残余电荷、再切换至接地档位实现安全隔离，然后将该故障单元从系统中拔出，其余功率单元不受任何影响，无需对整台固态变压器进行停电操作，彻底解决了现有技术中故障模块虽被旁路但仍带电挂接在10kv回路中、无法安全拆卸更换的技术难题。

63、（2）实现真正的n+x冗余保障：本发明中n+x个功率单元并联连接，各单元独立承受10kv电压。故障功率单元可被完全隔离、放电、接地并物理拔出，在拔出和更换过程中，剩余功率单元的电压不发生变化、不受影响，无需因电压升高而降额运行。新单元插入后通过预充电电阻缓启动，不会对系统产生冲击。冗余机制真实有效，不会因电压分配失衡导致二次故障。冗余数量可根据负载重要级别灵活配置为n+1、n+2、2n或2n+1等，在aidc数据中心等高可靠性场景下，可确保在任一功率单元故障更换期间，系统仍具备完整的冗余能力。

64、（3）双端口输出设计，实现不间断供电：本发明中功率单元设有第一低压侧端口和第二低压侧端口，第一端口为800v恒压输出，用于主供电；第二端口为600～800v可调输出，支持恒压、恒流、恒功率多种工作模式，用于直接连接储能单元。通过双电源切换模块，在市电正常时第二端口以恒流或恒功率模式为储能单元充电，市电断电时第二端口在小于4ms内切换至恒压输出模式，储能单元经第二端口向直流输出母线供电，实现it负载完全无感知的电源切换。相比现有单一输出端口的sst需额外配置独立ups或储能变换装置，本发明简化了系统架构，降低了投资成本，可直接满足aidc数据中心对供电可靠性的严苛要求；

65、因此，综上所述，本发明通过上述技术手段的综合运用，实现了sst系统在不停电状态下完成故障功率单元的在线更换，同时具备储能直连和无缝备电切换功能，使sst从单一的电压变换设备升级为具备高可靠性和不间断供电能力的智能能源路由器，为aidc数据中心提供了满足99.999%供电可用性要求的完整解决方案。