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綠色數據中心柔性供電系統技術方案
  • 基于數據中心碳中和大背景和降低PUE的剛性需求,本文提出了以10kV能量路由器為核心技術的柔性供電系統方案。該方案解決目前數據中心供電系統不能大規模接入光伏、儲能的問題,大幅減小數據中心電網電能消耗,提高數據中心運營效益;優化數據中心供電系統架構,利用儲能系統替代長期浮充狀態的應急電源蓄電池組,解決單體電池開路隱患、蓄電池組運維工作量大的問題;通過電能轉換裝置模塊化冗余設計解決模塊可靠性、運維方便性問題;通過柔性控解決系統電壓、電流、功率平衡問題,解決電力電子模塊工作效率問題。
  • 2020年9月,政府宣布采取更加有力的政策和措施,二氧化碳的碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取到2060年前實現“碳中和”。數據中心是耗能大戶,規?;瘧每稍偕茉词谴蟓h境必然要求。
      
      據統計中國數據中心的電費占了數據中心運維總成本的60%~70%。從用電能耗角度來看,光伏是可再生能源,目前性價比較高。儲能則可平抑光伏的波動性,還可以充分發揮削峰填谷作用協助節省電費、降低能耗。光伏+儲能系統供電將會成為新型數據中心的綠色解決方案。
      
      1 常規方案的問題
      
      1.1 大規模接入光伏、儲能,常規方案存在缺陷
      
      (1)不能實現光伏等可再生能源100%帶載。10kV變壓器為不能雙向控制的常規變壓器,反向送電將造成電網不可控制的沖擊。
      
      (2)當光伏等可再生能源輸出小于負載時,需要配置微網控制器進行光伏、儲能的調度,保證系統平衡穩定。由于光伏輸出存在不可預測性,會造成供電母線電壓大幅波動,影響供電安全性和供電質量。
      
      1.2 長期處于浮充狀態的應急電源蓄電池組問題突出
      
      (1)目前在線監測技術對于長期處于浮充狀態的鉛酸蓄電池組,很難準確發現隱患電池,導致串聯的蓄電池組存在單體電池開路的風險。
      
      (2)長期處于浮充狀態的鉛酸蓄電池需要定期進行人工操作的全容量離線核實容量,運維問題突出。
      
      2 柔性供電系統方案
      
      2.1以10kV能量路由器為核心,重構數據中心供電系統電力電子變壓器(PET)是一種將電力電子變換技術和基于電磁感應原理的高頻電能變換技術相結合,實現將一種電力特征的電能轉變為另一種電力特征電能的靜止電氣設備。具備變壓、隔離、功率雙向傳輸等功能,可以連接主網與微網,實現功率的準確協調和可靠傳輸。能量路由器(EER)則是多端口電力電子變壓器(MTPET)的簡稱。本方案以模塊化多端口10kV能量路由器為核心重構數據中心供電系統。
      
      2.2 柔性供電系統方案
      
      柔性控制是基于電力電子技術對電能的各個環節進行快速、精確控制的技術。
      
      數據中心柔性供電系統基于模塊化的電力電子裝置組成,包括兩路供電鏈路:一路以10kV能量路由器為核心,采用10kV電力電子固態變壓器,光伏、儲能作為應急電源,取消常規應急蓄電池組的高壓直流供電系統,為機架服務器提供一路電源;另一路采用常規變壓器降壓、柴油發電機系統為后備電源的交流直接供電鏈路,給空調、風機等動力負荷供電,提供機架服務器另一路交流直供電源。
      
      2.3 運行方式
      
      (1)以10kV能量路由器為核心的柔性供電系統
      
      正常運行方式:10kV電網電源通過10kV電力電子固態變壓器形成DC匯流母線,光伏、儲能電能轉換模塊與10kV電力電子固態變壓器組成多電源能量路由器,為機架服務器提供正常高壓直流供電;光伏充足時,優先供應數據中心負荷,有多余部分對儲能電池充電;儲能系統分為兩組:一組作為機架服務器應急電源;一組利用峰谷電差進行充放電,按儲能模式運行。兩組儲能系統在監控系統控制下智慧輪換。
      
      10kV交流電源停電運行方式:10kV交流停電時,由光伏系統、儲能系統作為的機架服務器應急電源供電。即使另一路供電鏈路10kV交流電源也出現停電,能保證柴油發電機系統自啟動后作為后備電源繼續為數據中心供電。
      
      (2)另一路交流直供電供電系統
      
      正常運行方式:10kV電源通過常規變壓器輸出AC380V電源,供給空調、風機等動力負荷,同時作為交流直供電源為機架服務器提供正常交流供電。
      
      10kV交流電源停電運行方式:10kV交流停時,柴油發電機系統自啟動,作為數據中心后備電源繼續供電。
      
      3 方案優勢
      
      (1)數據中心柔性供電系統以10kV能量路由器為核心,適合大規模接入光伏、儲能等分布式電源。
      
      (2)光伏、儲能通過10kV電力電子固態變壓器接入電網,潮流大小方向、電能質量雙向可控。
      
      10kV電子固態變壓器與光伏、儲能系統組成10kV能量路由器,可接受來自電網調度的控制。
      
      (3)10kV電力電子固態變壓器可有效降低DC匯流母線諧波、提高供電電能功率因數,具備完善的保護功能,對供電系統短路電流進行抑制。
      
      (4)儲能系統雙重化配置。一組用于通過峰谷電差節約電費,一組作為機架服務器應急電源,兩組儲能系統功能在監控系統控制下智慧輪換。
      
      (5)柔性供電系統優化了架構設計,精簡了長期浮充的應急蓄電池組配置,使用經常充放電的儲能系統代替,既解決了長期浮充蓄電池組單體開路隱患,又避免了浮充蓄電池組離線核容等運維工作。
      
      (6)系統中10kV電力電子固態變壓器、光伏單向DC/DC、儲能雙向DC/DC、高壓直流單向DC/DC等各種電力電子裝置全部實現模塊化冗余設計。
      
      (7)系統在總監控協調下,可對各種電力電子裝置進行柔性控制,實現智慧管理??偙O控故障,不影響系統正常運行。
      
      4 總結
      
      數據中心柔性供電系統方案基于電力電子的柔性控制技術,解決目前數據中心供電系統不能大規模接入光伏、儲能的問題,大幅減小數據中心電網電能消耗,提高數據中心運營效益;優化數據中心供電系統架構,利用儲能系統替代長期浮充狀態的應急電源蓄電池組,解決單體電池開路隱患、蓄電池組運維工作量大的問題;通過電能轉換裝置模塊化冗余設計解決模塊可靠性、運維方便性問題;通過柔性控制解決系統電壓、電流、功率平衡問題,解決電力電子模塊工作效率問題。
      
      作者簡介
      
      冷旭東,深圳市泰昂能源科技股份有限公司研究院院長,重慶大學電力自動化專業,高級工程師。專業特長:繼電保護、電源技術、微網儲能,是并聯型直流電源技術的主要發明人。
      
      編輯:Harris
      
      

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