數據中心直流供電系統的研究

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

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方案，搭建一套統一、合理、高效三站之間信息統一管理一體化直流供電系統，通過多端口低壓直流電源系統電路拓撲及其控制技術研究，實現三站之間信息統一管理、能量統一控制功能，根據與傳統高壓直流方案對比，本方案具有運行可靠性高、建設成本低、能量轉換效率高優勢，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；多站融合

1引言

在傳統電網中，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保方面具有很大優勢。

2系統方案

2.1系統方案設計

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勢，符合綠色數據中心建設的發展方向，可以為泛在物聯網提供有力保障。三者融合具備以下優勢：

（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，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圖

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

（1）各PCS大提供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，還需要配置第三路電源，第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，形成一個獨立的750V直流微網。根據直流負荷總容量，可以構建多個相互獨立的低壓直流微網。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展趨勢，具有很好的工程示范意義。

2.2系統運行方式

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，無需根據其他設備的運行狀態來改變策略；PCS需要根據DC/DC功率調節直流側功率參考值，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調控制下達到自主功率平衡狀態，符合直流配電網的發展趨勢。

2.3可靠性分析

鑒于數據中心的供電可靠性要求，本站需設置第三路電源作為備用，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保證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，在此期間第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第三路電源。

3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，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

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，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變換環節拓撲

圖4（b） DC/DC電力電子變壓器拓撲

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，直流方案能夠節省一級變壓器，一級AC/DC變換，同樣儲能可以作為UPS，從而節省一部分蓄電池，占地和設備數量相比HVDC方案具有較大優勢。

（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。

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

（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。

4安科瑞蓄電池監測系統介紹設備選型

4.1概述

安科瑞公司ABAT系列鉛酸蓄電池在線監測系統是在線電池監測產品，可以提前對失效的鉛酸蓄電池進行預警及電池均衡，符合ANSI/TIA-942標準要求。

??該系統具有監測電池的電壓、內阻與內部溫度功能，安裝、維護與接入非常方便。系統主要由ABAT-S模塊、ABAT-C模塊及ABAT-M采集器組成，可通過采集器查詢告警與實時數據、設置參數等，可選配監測平臺實現網絡化集中管理。

4.2系統組網

4.3硬件選型

5結束語

本文通過研究多組儲能電池系統并聯組成的低壓直流母線網絡拓撲結構，通過雙電源系統、核心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可靠性設計；構建多端口低壓直流電源系統的總體控制體系，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調控制方法，實現能源利用大化；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中的應用[J].科技風，2013（23）：92-92

【2】王佰超，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的研究［Ｊ］．專題技術，2020（02）：75-76

【3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版

作者簡介：任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心的設計與應用。