基于數據中心多站融合的直流供電系統(tǒng)的研究

時間：2021-02-25

朱鹍

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 2018011

摘要：針對現有數據中心站配電效率低、經濟性差等問題，結合儲能站、變電站的優(yōu)勢，提出了基于儲能變流器（PCS）的多站融合直流吸引供電系統(tǒng)方案，搭建一套統(tǒng)一、合理的信息統(tǒng)一管理一體化直流供電系統(tǒng)，通過多端口低壓直流電源系統(tǒng)電路拓撲及其控制技術研究，實現三站之間信息統(tǒng)一管理、能量統(tǒng)一控制功能，根據與傳統(tǒng)高壓直流方案對比，本方案具有運行可靠性高、建設成本低、能量轉換優(yōu)勢，給多站融合建設提供理論上的借鑒。

關鍵詞：PCS；數據中心站；直流供電系統(tǒng)；多站融合

0引言

在傳統(tǒng)電網中，變電站只負責能量的單向輸送，整個電網的電能由發(fā)電廠供應，調度中心的調度控制相對簡單。隨著分布式電網的建設與發(fā)展，變電站的功能還將包括儲能、電力變換，能量的傳輸也從單向變成了雙向，電力的調度就變得非常復雜，所需要采集的數據劇烈增加，因此，在儲能站的基礎之上進行數據中心站的建設，除了要對變電站和儲能站進行各項數據采集、發(fā)送外，還要根據電網的需要，實現在電力過剩時向儲能裝置充電，當電網電力不足時，由儲能裝置向電網供電的功能。

本文基于數據中心站高壓直流供電方案提出一種數據中心、儲能、變電站多站融合方案，在能耗、安全性、可靠性、后期維護還有工作效率以及環(huán)保方面具有很大優(yōu)勢。

1系統(tǒng)方案

1.1系統(tǒng)方案設計

同里綜合能源服務中心采用PCS和電力電子變壓器構造低壓直流電網，但大容量PCS和電力電子變壓器所需占地面積大，投資高，安裝困難、調試難度大，不適用于能源站。

儲能、數據中心和變電站共站建設后，能夠融合三者的個體優(yōu)勢，符合綠色數據中心建設的發(fā)展方向，可以為泛在物聯網提供有力**。

三者融合具備以下優(yōu)勢：

（1）儲能能夠為數據中心提供備用電源，減少數據中心UPS的配置容量，降低數據中心占地及建設成本。

（2）儲能PCS長時間處于低功率運行狀態(tài)，若可復用其構造直流配電網，則能夠大幅提高站內設備利用率，進一步節(jié)約資源。

基于上述考慮，提出了利用儲能電站PCS的冗余容量的直流數據中心供電策略。具體方案如下：

圖1 多站融合直流供電方案系統(tǒng)圖

如圖所示，供電方案為由多組PCS和DC/DC組成的立低壓直流微電網，具備以下特點：

（1）各PCS提供120kW的直流負荷，占PCS總容量的20%，各儲能集裝箱內2個PCS的直流側分別接入兩路750V直流母線，形成雙電源。

（2）PCS供給的直流功率在儲能集裝箱附近由750V母線匯集，通過一根直流電纜輸送至數據中心樓內。方案中組數N根據750V電纜的載流能力確定，N=載流能力/120kW。

（3）為防止PCS直流送出線的功率倒送，各送出線配置二極管作為單向導通。

（4）數據中心站每兩個120kW的DC/DC組成一組供電電源分別接至數據中心側的750V直流母線上，供給120kW的數據中心機柜，當一路電源故障時，機柜內部可以自動切換至另一路電源，形成數據中心雙電源供電模式。

（5）對于A類數據中心負荷，還需要配置三路電源，三路電源可由附近站引入10kV電纜經過10MVA的10kV/400V變壓器形成400V交流母線，由其引出多條出線接入PCS的交流側。

（6）在該方案中，每組DC/DC供電負荷形成一個小型的220V局部直流微網，同時多組儲能PCS供給N組DC/DC直流負荷，形成一個立的750V直流微網。根據直流負荷總容量，可以構建多個相互立的低壓直流微網。這種各直流低電壓等級局部成網的拓撲結構具有較高的供電可靠性，是低壓直流配電網的發(fā)展趨勢，具有很好的工程意義。

1.2系統(tǒng)運行方式

PCS直流供電方案共有三種運行方式：

（1）蓄電池放電方式，蓄電池的一部分功率供給DC/DC直流負荷，另一部分經由PCS流入電網。用電高峰時采用該運行方式。

（2）蓄電池充電方式，功率由PCS分別供給蓄電池和DC/DC直流負荷。用電低谷時采用該運行方式。

（3）蓄電池不充不放方式，功率由PCS供給DC/DC直流負荷。平時用電采用該運行方式。以上三種運行方式下，DC/DC是穩(wěn)定的直流負荷，其只需要高壓側定功率，低壓側定電壓輸出即可，根據其他設備的運行狀態(tài)來改變策略；PCS需要根據DC/DC功率調節(jié)直流側功率參考值，從而定功率輸出；蓄電池可以采用定電壓的控制策略，根據PCS的功率情況進行充放電。三者采用上述控制策略可以在不需要協(xié)調控制下達到自主功率平衡狀態(tài)，符合直流配電網的發(fā)展趨勢。

1.3可靠性分析

鑒于數據中心的供電可靠性要求，本站需設置三路電源作為備用，以防止變電站內兩路主供電源失電后可以及時切換。正常工作情況下，兩路工作電源互為冗余且熱備用。其中任意一個元件的故障或檢修都不方案數據中心的正常供電，僅需要正常的電源切換就可以數據中心的不掉電運行。

在兩路主供電源消失的時候，服務器需要瞬間切換至儲能電池供電，在此期間三路電源需要進行切換操作，并在有限的時間內替代電池，防止儲能電池過放電。本方案考慮利用1路10kV專線作為本數據中心的三路電源。

2與HVDC供電方案對比

目前數據中心采用HVDC高壓直流供電方式，其拓撲結構如圖2所示，首先10kV線路經過變壓器降壓至AC380V形成交流母線，然后通過HVDC系統(tǒng)進行整流變換。其中HVDC實際為AC/DC和DC/DC拓撲的級聯，即先由AC380V變換至DC700V，然后經由DC/DC變換至240V[7]，拓撲結構如圖3所示，除此之外HVDC的DC240V還并聯了蓄電池作為后備，而本文提出的基于儲能PCS直流供電方式是通過儲能系統(tǒng)經DC/DC給IT負荷供電。

圖2 HVDC供電方案

圖3 （a）AC/DC變換

圖3 （b）DC/DC變換

圖3 HVDC供電拓撲圖

直流供電方案里的儲能PCS和DC/DC電力電子變壓器的拓撲結構[8]，如圖4所示。由圖拓撲結構對圖可知，直流供電方案里的儲能PCS等同于HVDC供電拓撲的AC/DC變換，而DC/DC電力電子變壓器等同于HVDC供電拓撲的DC/DC變換。

圖4 （a）PCS變換環(huán)節(jié)拓撲

圖4（b）DC/DC電力電子變壓器拓撲

圖4 基于PCS直流供電方案拓撲圖

由此可以將兩種方案對比如下：

（1）供電效率方面，目前調研結果，變壓器效率約為98%，PCS約為98%，帶隔離的DC/DC約為97%，HVDC效率約為96%，兩種方案供電效率基本一致。

（2）設備數量方面，直流方案能夠節(jié)省變壓器，AC/DC變換，同樣儲能可以作為UPS，從而節(jié)省一部分蓄電池，占地和設備數量相比HVDC方案具有較大優(yōu)勢。

（3）設備使用率方面，直流方案復用了儲能PCS作為AC/DC變換，使用儲能作為一定的UPS，提高了蓄電池的利用率，因此直流方案設備使用率方面占優(yōu)。

（4）可靠性方面，DC/DC的直流電壓供電質量如供電穩(wěn)定性、電壓紋波、抗交流電壓暫降能力高。

（5）經濟性方面，基于儲能PCS供電方案中的蓄電池可在用電高峰向DC/DC直流負荷供電，在用電低谷回充電量，具有較好的經濟性。

3安科瑞ANDPF精密列頭柜介紹

3.1產品介紹

隨著數據中心的迅猛發(fā)展，數據中心能耗問題也越來越**，可靠的數據中心配電系統(tǒng)方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。

AMC系列數據中心配電系統(tǒng)是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供準確的電參量信息，并可通過通訊將數據上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現對整個數據機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現綠色IDC提供可靠。

3.2安科瑞精密配電產品解決方案

1）交流系統(tǒng)

功能要求

遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、有功電度；

遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相，過流，頻率過高/過低，輸入分路的開關狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現電壓、電流、頻率等參數的越限報警功能。

配置方案如圖5，

圖5 交流系統(tǒng)配置方案

2）直流系統(tǒng)

功能要求

遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；

遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。

配置方案如圖6，

圖6 直流系統(tǒng)配置方案

3.3產品選型

表1 精密列頭柜產品選型表

4 安科瑞智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)介紹

4.1產品介紹

針對數據中心智能小母線的監(jiān)控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監(jiān)控解決方案，該方案包括采集模塊、配套附件、監(jiān)控系統(tǒng),能對母線運行過程中的各種參數進行監(jiān)控，發(fā)生故障則進行告警，以系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

AMB檢測單元是針對數據中心智能小母線插接箱/始端箱的監(jiān)控要求新設計的產品，該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內部，插接箱/始端箱采用特別的方式與母線連通，它集成全部電力參數的測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數)以及電能監(jiān)測和考核管理。同時可以實時監(jiān)控母線接口溫度，配合2路Rs45通訊接口（1進1出）或LORA無線通訊，采用MODBUS-RTU協(xié)議可以方便可靠的將監(jiān)測數據上傳至主控箱和后臺系統(tǒng)，系統(tǒng)安全可靠運行。

4.2產品選型

安科瑞智能母線測控儀表選型如表2，

表2 安科瑞智能母線測控儀表選型表

注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統(tǒng)、D-直流系統(tǒng)可選配AMB10顯示器，顯示器只循環(huán)顯示電壓、電流參數。

5結束語

本文通過研究多組儲能電池系統(tǒng)并聯組成的低壓直流母線網絡拓撲結構，通過雙電源系統(tǒng)、**裝置多冗余配置以及能量流傳輸保護策略掌握，多端口低壓直流電源系統(tǒng)可靠性設計；構建多端口低壓直流電源系統(tǒng)的總體控制體系，設計電源測端口、負荷測端口、母線雙向能量的控制策略，結合各控制策略提出的多端口低壓直流電源協(xié)調控制方法，實現能源利用；通過對比拓撲結構驗證方案的可行性、有效性。

【參考文獻】

[1]林波.淺談UPS不間斷電源工作原理及在電力系統(tǒng)中的應用[J].科技風，2013（23）：92-92.

[2][2]王佰，陳彥奎，劉玉振，王浩，徐利凱，李國柱，詹金果.基于多站融合的直流供電系統(tǒng)的研究[J].專題技術,2020,(02):75-76．

[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版.

作者簡介：

朱鹍，女，就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為企業(yè)能源管控

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