預(yù)制式HVDC供配電系統(tǒng)的研究

吳華勇，王安林，顧 華

（維諦技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，使得互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務(wù)的需求量與日俱增。作為大數(shù)據(jù)承載和信息媒體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中心，樞紐地位越來(lái)越凸顯，其供配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行、節(jié)能降耗、快速投用、省地建設(shè)等諸多現(xiàn)實(shí)問題成為從業(yè)人員關(guān)注的重點(diǎn)。在此背景下，考慮節(jié)能環(huán)保，減少數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)和營(yíng)運(yùn)成本，建立創(chuàng)新型供電系統(tǒng)的架構(gòu)，形成綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)勢(shì)在必行。因此，本文重點(diǎn)對(duì)一體化融合中壓配電、中壓變電、低壓配電及HVDC供電系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行研究。

1 數(shù)據(jù)中心建設(shè)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)建設(shè)模式是中壓配電、中壓變電、低壓配電和低壓供電各個(gè)環(huán)節(jié)都完全割裂，從10 kV中壓輸入到UPS或者HVDC系統(tǒng)輸出之間存在眾多中間設(shè)備，放置在不同的房間內(nèi)。各典型功能區(qū)分布見圖1。

需要因地制宜地根據(jù)數(shù)據(jù)中心工程的特點(diǎn)、負(fù)荷性質(zhì)、用電容量、供電條件和節(jié)約電能等因素，綜合考量并且合理制定設(shè)計(jì)方案。

這種布局松散的供配電方式建立了不同功能區(qū)的物理間隔，并分割成相互獨(dú)立的2 000 kVA或2 500 kVA的變配電子系統(tǒng)，然后在其下掛接300～600 kVA的電源子系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)用中，這些后備電源總存在5%～15%的碎片容量。對(duì)這些碎片容量的有效盤活和管理，成為當(dāng)今大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)的一個(gè)難題。此外，不同機(jī)柜都要預(yù)留操作和維護(hù)空間，極大地浪費(fèi)了機(jī)房的有效面積，降低了空間利用率。

圖1 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的傳統(tǒng)建設(shè)模式

因?yàn)樯婕爸小⒌蛪汗┡潆姴煌嚓P(guān)專業(yè)工程接口，施工復(fù)雜且周期長(zhǎng)，各子系統(tǒng)分別交付后需要在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備聯(lián)合調(diào)試。同時(shí)，在不同設(shè)備間使用電纜連接，既升高了系統(tǒng)壓降，也增加了額外的故障點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的可靠性，且增加了不必要的電能損耗和運(yùn)營(yíng)成本。此外，相當(dāng)規(guī)模的大功率電纜走線，顯著增加了投資建設(shè)成本。敷設(shè)電纜的橋架體積較大也間接阻擋了空間風(fēng)道，進(jìn)一步降低了制冷效率。

因此，從總擁有成本的經(jīng)濟(jì)可行性和保障供配電鏈路的系統(tǒng)可靠性兩個(gè)角度分析，傳統(tǒng)供配電的建設(shè)方式都不能達(dá)成理想的預(yù)期效果，而且存在一定的弊端，有必要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)架構(gòu)。

2 預(yù)制式供配電系統(tǒng)方案架構(gòu)

為了解決上述傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心存在的問題，滿足互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和通信運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)中心直流供電需求，本文提出了預(yù)制式HVDC供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

該系統(tǒng)集成了10 kVac配電、隔離變壓、模塊化直流電源和輸出配電單元等環(huán)節(jié)，使得該產(chǎn)品具有高可靠性、高效率、高可用性、高功率容量、高功率密度和高可維護(hù)性等特點(diǎn)。單套系統(tǒng)容量可達(dá)2.5 MW以上，深度契合和滿足5G時(shí)代數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)品化、智能化、高效化、快速部署和平滑過渡等核心需求。以典型應(yīng)用的1.6 MW系統(tǒng)為例，整體布局如圖2所示。

該1.6 MW系統(tǒng)由中壓開關(guān)柜、中壓變壓器柜、交流配電柜、2個(gè)HVDC整流柜和2個(gè)直流配電柜組成。此架構(gòu)的原理如圖3所示。

中壓變壓器采用Dyn11的干式電力10 kV/0.4 kV變壓器，只有1個(gè)次級(jí)繞組，工藝成熟簡(jiǎn)便，更容易滿足初級(jí)繞組引出線的安規(guī)要求。鐵芯采用有取向硅鋼片（其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中晶粒朝向基本一致），熱損耗小，相比傳統(tǒng)的無(wú)取向硅鋼片更有利于提高效率到99%以上。絕緣等級(jí)為H級(jí)。能夠通過熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量各繞組溫度，同時(shí)配備強(qiáng)制散熱風(fēng)機(jī)，并可以根據(jù)溫度閾值設(shè)定啟停。

圖2 預(yù)制化HVDC供配電系統(tǒng)

圖3 預(yù)制化HVDC供配電系統(tǒng)原理圖

日益增大的設(shè)備負(fù)載對(duì)數(shù)據(jù)中心顆粒度提出了更高的要求，業(yè)界通常采用的15 kW中功率HVDC整流模塊已經(jīng)不再適合。本系統(tǒng)中，5個(gè)25 kW恒定大功率整流模塊（M1～M5）組成一個(gè)125 kW的模組單元G1，單整流柜可以放6個(gè)模組單元（G1～G6，即共計(jì)30個(gè)整流模塊），使得其單整流柜容量達(dá)到750 kW，而2個(gè)整流柜滿足1.5 MW的功率輸出，柜內(nèi)采取良好的散熱和風(fēng)道設(shè)計(jì)，達(dá)到了功率密度與溫升的統(tǒng)一。

同時(shí)，整流柜上的主監(jiān)控模塊能夠同時(shí)采集中壓、變壓器、模塊、直流配電模擬量和開關(guān)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全面監(jiān)控和及時(shí)下發(fā)控制指令。

2個(gè)直流配電柜母線連結(jié)在一起，對(duì)實(shí)時(shí)變化的負(fù)載保持動(dòng)態(tài)平衡，每臺(tái)直流配電柜都可接入多組電池和多個(gè)HVDC列頭柜。每臺(tái)直流柜具有獨(dú)立的配電監(jiān)控，并且都配置支路絕緣檢測(cè)功能。在采集直流配電信息上傳后，可以在系統(tǒng)主監(jiān)控模塊和直流配電柜本地同步查詢直流配電信息。

3 預(yù)制式供配電系統(tǒng)特點(diǎn)分析

相比傳統(tǒng)建設(shè)方式，該系統(tǒng)方案可以提升數(shù)據(jù)中心整體供電效率3%以上，減少供配電總投資成本20%以上，節(jié)省占地面積30%以上。除了這些顯而易見的商業(yè)價(jià)值以外，該方案還有更優(yōu)的可靠性、可用性和可維護(hù)性。

3.1 可靠性分析

整流柜內(nèi)的HVDC整流模塊及其模組單元作為最關(guān)鍵的功率變換環(huán)節(jié)，其可靠性直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的MTBF。

3.1.1 整流模塊交流輸入側(cè)與負(fù)載輸出側(cè)隔離

在功率變換器的拓?fù)渲?，非隔離電源雖然具有制造成本低、設(shè)計(jì)難度小、功率密度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于輸入端和負(fù)載端之間沒有通過變壓器進(jìn)行電氣隔離而又直接連接，輸入端和負(fù)載端共地，造成抗干擾能力差。

更重要的是，同樣的開關(guān)器件擊穿短路，對(duì)于隔離電源只是失去了供電的電源而斷電，不會(huì)對(duì)負(fù)載本身造成其他影響；對(duì)于非隔離電源直接會(huì)引起模塊內(nèi)母線短路，進(jìn)而波及對(duì)應(yīng)副邊繞組將故障進(jìn)一步擴(kuò)大，見圖4。

圖4 隔離和非隔離整流模塊輸出故障影響示意圖

3.1.2 單個(gè)模塊由獨(dú)立斷路器控制和保護(hù)

為了便于分層次的管控和選擇性保護(hù)，一方面每個(gè)模組單元中任何1個(gè)的整流模塊輸入側(cè)的短路故障，不會(huì)引起4個(gè)整流模塊同時(shí)不工作；另一方面，每個(gè)整流模塊有1個(gè)獨(dú)立的斷路器來(lái)下電，在檢修或帶電熱插拔過程中更安全。

3.2 可用性分析

目前，越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)商COLO（托管租用）和互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心傾向于市電+HVDC供電的模式，以最大限度地提升PUE指標(biāo)。

在預(yù)制化HVDC供配電系統(tǒng)中，將單系統(tǒng)中的10 kV/0.4 kV變壓器副邊線電壓完全統(tǒng)一為380 V制式，增配交流配電柜的輸出分路就可以在不增加變壓器容量的情況下實(shí)現(xiàn)市電和HVDC在低壓配電上的復(fù)用，接到市電+HVDC輸入二合一的列頭柜上，見圖5。

10 kV網(wǎng)側(cè)諧波含量超標(biāo)會(huì)給運(yùn)營(yíng)過程帶來(lái)各種弊端：一是引起設(shè)備的附加損耗，降低整體供電效率；二是加速線路的絕緣老化，縮短設(shè)備壽命；三是繳納電力部門罰款，承擔(dān)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》4諧波電壓限值中明確要求：10 kV電網(wǎng)標(biāo)稱電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)的電壓總諧波畸變率為4%，如表1所示。

表1 公共電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）

為了確保電網(wǎng)的電能質(zhì)量，防止各類非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，造成電壓波形畸變而影響電網(wǎng)和廣大用戶的安全經(jīng)濟(jì)用電，必須在產(chǎn)生諧波的源頭也就是整流模塊上加以治理。其中，最直接有效的方法是設(shè)計(jì)PFC整流電路。

圖5 預(yù)制式供配電系統(tǒng)市電+HVDC供電模式

圖6 單系統(tǒng)中壓變壓器檢修方案

盡管移相變壓器等在高壓變頻器等工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用相對(duì)廣泛，但是在數(shù)據(jù)中心行業(yè)仍然存在各種工況可能導(dǎo)致諧波超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論是各移相繞組所帶負(fù)載不均衡，還是單個(gè)整流模塊或多個(gè)整流模塊組成的模組單元因?yàn)楣收显虿荒芄ぷ鞯惹榫埃紩?huì)使得只有三相不控整流的整流模塊對(duì)應(yīng)的移相繞組的電流幅值相差較大，從而不能有效達(dá)到在10 kV網(wǎng)側(cè)抵消掉多次諧波。

3.3 可維護(hù)性分析

中壓變壓器作為供配電系統(tǒng)中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要定期檢修和測(cè)試。在這種情況下，必須保證在業(yè)務(wù)不發(fā)生中斷的前提下，使得中壓變壓器從中壓配電和低壓配電系統(tǒng)中脫離出來(lái)。

對(duì)于單系統(tǒng)，在對(duì)中壓變壓器檢修時(shí)，可以通過分?jǐn)嗥涓边吚@組的總輸出開關(guān)和中壓側(cè)開關(guān)，使用電池備電的方式給負(fù)載設(shè)備供電，如圖6所示。

圖7 雙系統(tǒng)中壓變壓器檢修方案

對(duì)于雙系統(tǒng)，在對(duì)A系統(tǒng)的中壓變壓器檢修時(shí)，可以通過分?jǐn)嗥鋵?duì)應(yīng)副邊繞組的總開關(guān)和中壓側(cè)開關(guān)及中壓母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，同時(shí)閉合A系統(tǒng)和B系統(tǒng)之間的低壓側(cè)母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，保證A系統(tǒng)和B系統(tǒng)兩套HVDC系統(tǒng)同時(shí)在線工作，如圖7所示。

這樣就避免了對(duì)中壓變壓器例行檢修而導(dǎo)致HVDC變換環(huán)節(jié)全部失電癱瘓而無(wú)法正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

綜上所述，以預(yù)制化HVDC供配電系統(tǒng)為代表的新型整體供電解決方案，經(jīng)過技術(shù)論證和詳細(xì)對(duì)比，在工程可實(shí)現(xiàn)性、可靠性、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性等諸多方面都較以往的傳統(tǒng)供配電建設(shè)方式更具優(yōu)勢(shì)和合理性，大幅度提升了部署、測(cè)試、維護(hù)速度，值得規(guī)模化應(yīng)用。