基于數(shù)據(jù)中心多站的直流供電系統(tǒng)的研究

安科瑞 鮑靜君

　　摘  要：針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心站配電效率低、經(jīng)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(xiàn)三站之間信息統(tǒng)一管理、統(tǒng)一控制功能，根據(jù)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、轉換效率高優(yōu)勢，給多站建設提供理論上的借鑒。

　　關鍵詞：PCS；數(shù)據(jù)中心站；直流供電系統(tǒng)；多站

　　0引言

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

　　本文基于數(shù)據(jù)中心站高壓直流供電方案提出一種數(shù)據(jù)中心、儲能、變電站多站方案，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(wǎng)，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(diào)試難度大，不適用于能源站。

　　儲能、數(shù)據(jù)中心和變電站共站建設后，能夠三者的個體優(yōu)勢，符合綠色數(shù)據(jù)中心建設的發(fā)展方向，可以為泛在物聯(lián)網(wǎng)提供有力保障。

　　三者具備以下優(yōu)勢：

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

　?。?）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(wǎng)，則能夠大幅提高站內(nèi)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(shù)據(jù)中心供電策略。具體方案如下：

圖1 多站直流供電方案系統(tǒng)圖

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

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

　?。?）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(shù)據(jù)中心樓內(nèi)。方案中組數(shù)N根據(jù)750V電纜的載流能力確定，N=載流能力/120kW。

　?。?）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。

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

　?。?）對于A類數(shù)據(jù)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(jīng)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。

　?。?）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(wǎng)，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(wǎng)。根據(jù)直流負荷總容量，可以構建多個相互獨立的低壓直流微網(wǎng)。這種各直流低電壓等級局部成網(wǎng)的拓撲結構具有較高的供電可靠性，是低壓直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，具有很好的工程示范意義。

　　1.2系統(tǒng)運行方式

　　PCS直流供電方案共有三種運行方式：

　?。?）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(jīng)由PCS流入電網(wǎng)。用電高峰時采用該運行方式。

　?。?）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，無需根據(jù)其他設備的運行狀態(tài)來改變策略；PCS需要根據(jù)DC/DC功率調(diào)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(jù)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(diào)控制下達到自主功率平衡狀態(tài)，符合直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

　　1.3可靠性分析

　　鑒于數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)中心的正常供電，僅需要正常的電源切換就可以保證數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)中心的第三路電源。

　　2與HVDC供電方案對比

　　目前數(shù)據(jù)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(jīng)過變壓器降壓至AC380V形成了交流母線，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(lián)，即先由AC380V變換至DC700V，然后經(jīng)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(lián)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(jīng)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：

　?。?）供電效率方面，目前調(diào)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。

　?。?）設備數(shù)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(shù)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)。

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

　?。?）經(jīng)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(jīng)濟性。

　　3安科瑞ANDPF列頭柜介紹

　　3.1產(chǎn)品介紹

　　隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設備能耗的方式。

　　AMC系列數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。

　　3.2安科瑞配電產(chǎn)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(xiàn)電壓、電流、頻率等參數(shù)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(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)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(chǎn)品選型

表1 列頭柜產(chǎn)品選型表

　　4 安科瑞智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)介紹

　　4.1產(chǎn)品介紹

　　針對數(shù)據(jù)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(shù)進行監(jiān)控，發(fā)生故障則進行告警，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

　　AMB檢測單元是針對數(shù)據(jù)中心智能小母線插接箱/始端箱的監(jiān)控要求新設計的產(chǎn)品，該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內(nèi)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(shù)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(shù))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(shù)據(jù)上傳至主控箱和后臺系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全可靠運行。

　　4.2產(chǎn)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(shù)。

　　5結束語

　　本文通過研究多組儲能電池系統(tǒng)并聯(lián)組成的低壓直流母線網(wǎng)絡拓撲結構，通過雙電源系統(tǒng)、核心裝置多冗余配置以及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(diào)控制方法，實現(xiàn)能源利用；通過對比拓撲結構驗證方案的可行性。