數據中心直流供電係統的研究

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(chu) 能站、變電站的優(you) 勢，提出了基於(yu) 儲(chu) 能變流器（PCS）的多站融合直流吸引供電係統方案，搭建一套統一、合理、高效三站之間信息統一管理一體(ti) 化直流供電係統，通過多端口低壓直流電源係統電路拓撲及其控製技術研究，實現三站之間信息統一管理、能量統一控製功能，根據與(yu) 傳(chuan) 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(you) 勢，給多站融合建設提供理論上的借鑒。

關(guan) 鍵詞：PCS；數據中心站；直流供電係統；多站融合

1引言

在傳(chuan) 統電網中，變電站隻負責能量的單向輸送，整個(ge) 電網的電能由發電廠供應，調度中心的調度控製相對簡單。隨著分布式電網的建設與(yu) 發展，變電站的功能還將包括儲(chu) 能、電力變換，能量的傳(chuan) 輸也從(cong) 單向變成了雙向，電力的調度就變得非常複雜，所需要采集的數據劇烈增加，因此，在儲(chu) 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(chu) 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(chu) 能裝置充電，當電網電力不足時，由儲(chu) 能裝置向電網供電的功能。本文基於(yu) 數據中心站高壓直流供電方案提出一種數據中心、儲(chu) 能、變電站多站融合方案，在能耗、安全性、可靠性、後期維護還有工作效率以及環保方麵具有很大優(you) 勢。

2係統方案

2.1係統方案設計

同裏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麵積大，投資高，安裝困難、調試難度大，不適用於(yu) 能源站。儲(chu) 能、數據中心和變電站共站建設後，能夠融合三者的個(ge) 體(ti) 優(you) 勢，符合綠色數據中心建設的發展方向，可以為(wei) 泛在物聯網提供有力保障。三者融合具備以下優(you) 勢：

（1）儲(chu) 能能夠為(wei) 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(chu) 能PCS長時間處於(yu) 低功率運行狀態，若可複用其構造直流配電網，則能夠大幅提高站內(nei) 設備利用率，進一步節約資源。

基於(yu) 上述考慮，提出了利用儲(chu) 能電站PCS的冗餘(yu) 容量的直流數據中心供電策略。具體(ti) 方案如下：

圖1 多站融合直流供電方案係統圖

如圖所示，供電方案為(wei) 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(chu) 能集裝箱內(nei) 2個(ge) PCS的直流側(ce) 分別接入兩(liang) 路750V直流母線，形成雙電源。

（2）PCS供給的直流功率在儲(chu) 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(nei) 。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(wei) 防止PCS直流送出線的功率倒送，各送出線配置二極管作為(wei) 單向導通。

（4）數據中心站每兩(liang) 個(ge) 120kW的DC/DC組成一組供電電源分別接至數據中心側(ce) 的750V直流母線上，供給120kW的數據中心機櫃，當一路電源故障時，機櫃內(nei) 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）對於(yu) 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(ce) 。

（6）在該方案中，每組DC/DC供電負荷形成一個(ge) 小型的220V局部直流微網，同時多組儲(chu) 能PCS供給N組DC/DC直流負荷，形成一個(ge) 獨立的750V直流微網。根據直流負荷總容量，可以構建多個(ge) 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，具有很好的工程示範意義(yi) 。

2.2係統運行方式

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。用電低穀時采用該運行方式。

（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，其隻需要高壓側(ce) 定功率，低壓側(ce) 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(ce) 功率參考值，從(cong) 而定功率輸出；蓄電池可以采用定電壓的控製策略，根據PCS的功率情況進行充放電。三者采用上述控製策略可以在不需要協調控製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

鑒於(yu) 數據中心的供電可靠性要求，本站需設置第三路電源作為(wei) 備用，以防止變電站內(nei) 兩(liang) 路主供電源失電後可以及時切換。正常工作情況下，兩(liang) 路工作電源互為(wei) 冗餘(yu) 且熱備用。其中任意一個(ge) 元件的故障或檢修都不方案數據中心的正常供電，僅(jin) 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(liang) 路主供電源消失的時候，服務器需要瞬間切換至儲(chu) 能電池供電，在此期間第三路電源需要進行切換操作，並在有限的時間內(nei) 替代電池，防止儲(chu) 能電池過放電。本方案考慮利用1路10kV專(zhuan) 線作為(wei) 本數據中心的第三路電源。

3與(yu) 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，然後通過HVDC係統進行整流變換。其中HVDC實際為(wei) AC/DC和DC/DC拓撲的級聯，即先由AC380V變換至DC700V，然後經由DC/DC變換至240V，拓撲結構如圖3所示，除此之外HVDC的DC240V還並聯了蓄電池作為(wei) 後備，而本文提出的基於(yu) 儲(chu) 能PCS直流供電方式是通過儲(chu) 能係統經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

直流供電方案裏的儲(chu) 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，直流供電方案裏的儲(chu) 能PCS等同於(yu) HVDC供電拓撲的AC/DC變換，而DC/DC電力電子變壓器等同於(yu) 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(liang) 種方案對比如下：

（1）供電效率方麵，目前調研結果，變壓器效率約為(wei) 98%，PCS約為(wei) 98%，帶隔離的DC/DC約為(wei) 97%，HVDC效率約為(wei) 96%，兩(liang) 種方案供電效率基本一致。

（2）設備數量方麵，直流方案能夠節省一級變壓器，一級AC/DC變換，同樣儲(chu) 能可以作為(wei) UPS，從(cong) 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(you) 勢。

（3）設備使用率方麵，直流方案複用了儲(chu) 能PCS作為(wei) AC/DC變換，使用儲(chu) 能作為(wei) 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麵占優(you) 。

（4）可靠性方麵，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）經濟性方麵，基於(yu) 儲(chu) 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，在用電低穀回充電量，具有較好的經濟性。

4安科瑞蓄電池監測係統介紹設備選型

4.1概述

安科瑞公司ABAT係列鉛酸蓄電池在線監測係統是在線電池監測產(chan) 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。

  該係統具有監測電池的電壓、內(nei) 阻與(yu) 內(nei) 部溫度功能，安裝、維護與(yu) 接入非常方便。係統主要由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(yu) 實時數據、設置參數等，可選配監測平台實現網絡化集中管理。

4.2係統組網

4.3硬件選型

5結束語

本文通過研究多組儲(chu) 能電池係統並聯組成的低壓直流母線網絡拓撲結構，通過雙電源係統、核心裝置多冗餘(yu) 配置以及能量流傳(chuan) 輸保護策略掌握，多端口低壓直流電源係統可靠性設計；構建多端口低壓直流電源係統的總體(ti) 控製體(ti) 係，設計電源測端口、負荷測端口、母線雙向能量的控製策略，結合各控製策略提出的多端口低壓直流電源協調控製方法，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。

安科瑞侯文莉