特變電工新能源打造綠色數(shù)據(jù)中心：綜合能效提升18%以上

文 | 時(shí)丕麗

幽深的走廊、一眼望不到頭的機(jī)柜、間或有著炫酷的燈光……這就是普通人想象中的數(shù)據(jù)中心的模樣。在當(dāng)前政府、互聯(lián)網(wǎng)、電信、金融等千行百業(yè)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型時(shí)，由服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、能源等組成的數(shù)據(jù)中心，作為支撐數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，迎來(lái)高速發(fā)展。

目前，全球數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)20%，其中美國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模占比最大，達(dá)到38%；中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模雖然目前僅占9%，但隨著國(guó)內(nèi)新基建、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模增速超過(guò)30%，2020年國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到2000億元，耗電量相當(dāng)于四個(gè)三峽水電站的發(fā)電量之和。

數(shù)據(jù)中心的高能耗不僅給企業(yè)帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān)，也給全社會(huì)能源供應(yīng)帶來(lái)了巨大壓力。但目前數(shù)據(jù)中心用能效率PUE普遍偏高（PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗，其值大于1，越接近1表明非IT設(shè)備耗能越少，即能效水平越好），總體能耗至少比國(guó)際先進(jìn)水平差了30%以上，全生命周期數(shù)據(jù)中心能源消耗成本已經(jīng)占到數(shù)據(jù)中心總成本的50%以上。

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施高耗能的屬性受到日益嚴(yán)峻的電力資源、水資源及土地資源制約，能耗問(wèn)題成為阻礙數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要矛盾。為此，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局等四部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快構(gòu)建全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出“強(qiáng)化能源配套機(jī)制”的要求，其中包括探索電力網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)建設(shè)、運(yùn)行機(jī)制，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心用電成本，引導(dǎo)清潔能源開(kāi)發(fā)使用，推動(dòng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)。

如何讓作為“耗能大戶”的數(shù)據(jù)中心可以降低用電成本呢？在中國(guó)“碳中和”的大趨勢(shì)下，這無(wú)疑是一個(gè)重大考驗(yàn)。在國(guó)家重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)東莞安華數(shù)據(jù)中心示范工程中，特變電工運(yùn)用交直流混合多端口電力電子變壓器解決方案為綠色數(shù)據(jù)中心的打造提供了最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

多能互補(bǔ)優(yōu)化，綠電助力碳達(dá)峰

數(shù)據(jù)中心是未來(lái)為數(shù)不多能源消耗占社會(huì)總用電量比例持續(xù)增長(zhǎng)的行業(yè)。因此，數(shù)據(jù)中心提升綠色能源應(yīng)用，并積極探索儲(chǔ)能技術(shù)落地，提升高滲透率下的新能源消納能力，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)意義重大，實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的核心在于數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)能夠靈活接入光伏、風(fēng)電等各類(lèi)綠色能源。

特變電工新能源電力電子變壓器具備10kVAC/380VAC/10kVD C/±375VDC10kVAC/380VAC/10kVDC/±375VDC等交直流、多種電壓等級(jí)的端口，多端口電力電子變壓器可構(gòu)建交直流混合系統(tǒng)，可減少電能變換環(huán)節(jié)，支撐分布式可再生能源的靈活接入，提高能源利用效率。

基于電力電子變壓器的交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)總體可分為三層架構(gòu)。第一層為設(shè)備層，主要囊括了分布式電源（風(fēng)電、光伏系統(tǒng)等）和不同的交直流負(fù)荷；第二層控制層，以電力電子變壓器為核心，分布式電源和負(fù)荷可通過(guò)其靈活的多端口配置實(shí)現(xiàn)可靠接入，并通過(guò)其中/高壓接口，實(shí)現(xiàn)與配電網(wǎng)的有效連接；第三層為管理層，以“雙端”能量管理系統(tǒng)為核心，采用人工智能算法可實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器交直流混合系統(tǒng)的分布式能源互補(bǔ)優(yōu)化以及多個(gè)端口之間的協(xié)調(diào)控制，提高能源利用效率，多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的集群控制、功率在線優(yōu)化分配，保障系統(tǒng)效率最優(yōu)，同時(shí)能夠?qū)与娋W(wǎng)調(diào)度，參與電力市場(chǎng)交易及輔助服務(wù)等，真正實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心電能的智能路由。

新型供電方案下系統(tǒng)效率提升6%

數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的UPS供電方案，是由高壓配電柜、變壓器、低壓配電柜、UPS等組成，雖然系統(tǒng)方案成熟，但由于設(shè)備種類(lèi)數(shù)量多，電能變換環(huán)節(jié)多，占地面積大，轉(zhuǎn)換效率低，已有被逐步淘汰的趨勢(shì)。

基于電力電子技術(shù)的新型供電方案逐漸占領(lǐng)市場(chǎng)，其中采用多端口電力電子變壓器替代傳統(tǒng)變壓器、低壓配電柜及UPS的方案?jìng)涫荜P(guān)注，該方案通過(guò)電力電子變壓器構(gòu)建交直流混聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電能的交直流、不同電壓等級(jí)的高效變換，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電直供IT負(fù)荷及直流空調(diào)等負(fù)荷，有效降低電能變換引起的損耗。與傳統(tǒng)UPS供電方案相比效率可提高6%以上。

特變電工新能源電力電子變壓器采用三級(jí)全橋+高頻變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)具備多自由度調(diào)制及開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化等核心專(zhuān)利技術(shù)，能夠有效降低開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)器件由第三代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅材料構(gòu)成，使得電力電子變壓器有著更高的效率，中低壓配電系統(tǒng)整體效率超越98.2%；采用“N-1”式的模塊冗余設(shè)計(jì)，具有微秒級(jí)模塊在線旁路功能，可實(shí)現(xiàn)功率模塊故障自動(dòng)旁路，系統(tǒng)不停機(jī)運(yùn)行；采用模塊化調(diào)制策略無(wú)需額外配置有源濾波裝置，有效降低諧波含量，諧波含量小于1%，滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)高效、可靠、優(yōu)質(zhì)電能的需求。該產(chǎn)品于2017年獲得中國(guó)機(jī)電工程學(xué)會(huì)“居于國(guó)際領(lǐng)先水平”的最高評(píng)價(jià)。

一站式供配電解決方案，提升ROI

隨著服務(wù)器功率快速提升、體積不斷下降，傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)空間占比越來(lái)越高，導(dǎo)致IT“出柜率”越來(lái)越低，而且傳統(tǒng)配電系統(tǒng)設(shè)備繁雜，空間無(wú)法最大化利用，設(shè)備采購(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)安裝管理困難，交付周期長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月以上，阻礙數(shù)據(jù)中心的投資回報(bào)率提升。

特變電工新能源電力電子變壓器數(shù)據(jù)中心配電方案采用模塊化級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，通過(guò)高頻隔離有效提升設(shè)備功率密度，無(wú)需外置變壓器、低壓配電柜等，占地面積減少30%，采用預(yù)裝式集裝箱一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，自帶安裝機(jī)架，現(xiàn)場(chǎng)施工要求簡(jiǎn)單，便于快速布置，施工周期可縮短至2周，有效降低數(shù)據(jù)中心初期建設(shè)投資成本及全生命周期投資收益率。

未來(lái)的無(wú)限可能

該工程屬于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“交直流混合的分布式可再生能源技術(shù)”項(xiàng)目中針對(duì)數(shù)據(jù)中心典型應(yīng)用場(chǎng)景的示范工程。

這個(gè)包含了風(fēng)光、儲(chǔ)能等多種能源形勢(shì)互補(bǔ)的可再生能源系統(tǒng)無(wú)疑是未來(lái)能耗量大的數(shù)據(jù)中心能源解決方案的主要形式。在可再生能源占比高達(dá)65%的情況下，特變電工新能源不僅結(jié)合了源、荷接入變換環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)能效低等問(wèn)題，而且還在在多運(yùn)行模式、含異構(gòu)多節(jié)點(diǎn)、多能流特征下的系統(tǒng)互補(bǔ)優(yōu)化配置方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)綜合節(jié)能18%。

目前，特變電工新能源電力電子變壓器設(shè)備已在多個(gè)示范應(yīng)用工程中成熟可靠運(yùn)行。在國(guó)家能源局首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源示范工程中，特變電工新能源研制的首臺(tái)±10kV/2MW級(jí)電力電子變壓器助力世界規(guī)模最大的多端交直流混合柔性配網(wǎng)互聯(lián)工程在廣東珠海唐家灣成功投運(yùn)；依托2017國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“交直流混合的分布式可再生能源關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備和工程示范研究”項(xiàng)目，特變電工新能源研制的兩臺(tái)AC10kV、DC10kV電壓等級(jí)四端口電力電子變壓器助力國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的交直流混合微電網(wǎng)順利投運(yùn)。

未來(lái)，在“多站融合”（變電站、儲(chǔ)能站、數(shù)據(jù)中心站、北斗基站、5G基站等）的供配電系統(tǒng)中，電力電子變壓器可作為連接配電網(wǎng)和各站的電能變換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多能接入變換與管理和潮流控制，提供“多站”配電成套解決方案。

在柔性配電網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域，電力電子變壓器可作為柔性合環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)合環(huán)開(kāi)關(guān)，突破傳統(tǒng)“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的合環(huán)開(kāi)關(guān)方案，為柔性配網(wǎng)提供潮流控制、故障隔離等功能，有效提高柔性配網(wǎng)可靠性。另外，在可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、儲(chǔ)能并網(wǎng)、工商業(yè)園區(qū)交直流混合微電網(wǎng)、電動(dòng)車(chē)智能群充充電站、柔性直流配電網(wǎng)等領(lǐng)域，電力電子變壓器將擁有更加廣闊的應(yīng)用空間，為用戶提供柔性可控的高可靠性電能變換管理方案。