論數(shù)據(jù)中心項目高壓直流供電方式的應用

上海郵電設計咨詢研究院有限公司 許精巍

本項目建設一棟建筑面積20000平方米數(shù)據(jù)中心樓、建筑面積4846平方米的配套辦公樓及1140平方米的水箱水泵房，建筑面積共25986平米。可容納機架數(shù)約3016架，折算平均單機柜功率約6kW，設計總功率為18096kW，綜合PUE為1.2554。為提高數(shù)據(jù)中心配電效率與經(jīng)濟性，本項目結(jié)合儲能站、變電站優(yōu)勢，采取并行直流吸引供電系統(tǒng)方案，形成具有統(tǒng)一、合理的管理一體化直流供電系統(tǒng)，從而使更具能量轉(zhuǎn)換高效率、高可靠性、低成本的配套電源來推動IDC 機房大規(guī)模建設。

1 傳統(tǒng)高壓直流供電方式

1.1 系統(tǒng)原理

高壓直流系統(tǒng)主要包括交流配電單元、蓄電池、直流配電單元、整流模塊、監(jiān)控模塊、電池管理單元、絕緣監(jiān)測單元等構(gòu)成。當兩路交流正常輸入，交流配電單元由交流切換裝置輸入一路交流，整流模塊將交流轉(zhuǎn)換為直流，通過直流配電單元為設備供電并對蓄電池進行充電。監(jiān)控模塊主要起到管理與控制系統(tǒng)的作用，對所分散采集、處理的信號統(tǒng)一管理；如交流存在輸入故障蓄電池可為設備供電?？梢钥闯?，直流供電逆變中間環(huán)節(jié)得到了簡化，故也減少了損耗，提升了運行效率。

1.2 高壓直流供電特點

基于高壓直流供電技術(shù)原理，其因所輸入的功率因數(shù)高、諧波小，負載率更高、節(jié)能休眠功能可提升系統(tǒng)功率；在輸出母線上直接掛上電池，具有更高的可靠性；擴容可在線實現(xiàn)、拓撲簡單，具有高穩(wěn)定性；模塊化設計可實現(xiàn)按需配置，維護采用模塊熱插拔，可避免對廠家維保服務過分依賴[1]；此外，由于高壓直流輸出浮地，在與單極母排電壓誤碰情況下也只有135V 觸電電壓，且高壓直流270V 正弦波峰值電壓比220V 的交流供電正弦波峰值電壓314V 更低。

高壓直流供電系統(tǒng)設計應先進行系統(tǒng)架構(gòu)問題的選取，即要根據(jù)項目特點在幾種供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中基于安全性、可靠性、工程經(jīng)濟性之間選取最優(yōu)方案并作出取舍。第一種為結(jié)構(gòu)簡單，投資小的方案：高壓直流單電源系統(tǒng)雙路供電。但該方式電源側(cè)因都是通過來自同一套高壓直流電源系統(tǒng)雙路輸入至服務器而存在單點故障的風險；第二種為避免系統(tǒng)單點故障風險的高壓直流雙電源系統(tǒng)，其輸入電源分別來自兩套電源系統(tǒng)，但由于采用2N 系統(tǒng)配置，使系統(tǒng)存在較大冗余度，投資成本高；第三種為市電+高壓直流雙路供電，該方式使系統(tǒng)單點故障消除，且因有無需電能轉(zhuǎn)換的交直流兩路電源，提高了系統(tǒng)運行效率，是新建數(shù)據(jù)中心普遍采用的設計方式（圖1）。

圖1 高壓直流供電三種方式

本項目初期擬采用高壓直流供電方式，首先由變壓器將所經(jīng)過的10kV 線路降壓至AC380V 形成交流母線，之后由高壓直流系統(tǒng)將其變換整流。從實際來看，AC/DC 和與DC/DC 拓撲是由HVDC進行級聯(lián)，是AC380→DC700V240V 的過程；其次，高壓直流中的DC240V 還與蓄電池進行了并聯(lián)，以此作為備用。為了符合綠色數(shù)據(jù)中心建設發(fā)展，本項目采取儲能、數(shù)據(jù)中心和變電站并行方案，與傳統(tǒng)高壓直流方案對比，可為IT 設備運行安全性、高效率、環(huán)保等方面提供更為有力的保障，以利于能量統(tǒng)一控制、提高能量轉(zhuǎn)換效率。

2 基于高壓直流的儲能并行方案

2.1 供電方式

以本項目用電需求界定負荷等級，以此制定相應供電方案。本期用電自園區(qū)內(nèi)變電站不同變壓器各引兩路10kV 高壓供電，按2N 配置，A、B 兩路電源相互獨立，當一電源發(fā)生故障時另一電源不應同時受到損壞。一級負荷由二路電源供電，當一個電源發(fā)生故障時另一個電源不應同時受到損壞，另設柴油發(fā)電機作為備用電源。三級負荷可采用單電源單回路供電。變壓器按照M(1+1)冗余設置，同時使用、互為備用[2]。另外設置油機作為備用電源。動力負荷采用放射式與樹干式相結(jié)合的配電方式，重要負荷以及大容量負荷均由變配電室直接引專用回路供電，其它次要負荷采用樹干式供電。一級負荷采用兩路專用電源供電，并在末端合適區(qū)域采用自動切換、自投自復的方式，一級負荷設置柴油發(fā)電機作為備用電源；三級負荷采用單電源供電方式。

2.2 并行儲能方案系統(tǒng)優(yōu)勢

本項目是在儲能站基礎(chǔ)上所建設的數(shù)據(jù)中心，采用并行直流供電方式。本項目發(fā)揮電廠資源綜合優(yōu)勢，由于項目選址為停運后的熱電廠地塊，地塊依然保留了兩回來自220kV 變電站的35kV 線路，線路狀態(tài)良好、可繼續(xù)作為項目用電的電源線之一，從而減少了電網(wǎng)供電線路投資。此外，針對數(shù)據(jù)中心高耗能、用電大戶的特點，項目擬配套建設儲能系統(tǒng)。一方面通過先進的電儲能系統(tǒng)將電網(wǎng)與項目用戶融合在一起，具有改善區(qū)域電網(wǎng)的電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)可靠性、快速響應一次調(diào)頻及無功等優(yōu)勢；另一方面在項目端發(fā)揮作用，保證項目的電能質(zhì)量，起到后備電源的作用[3]。

本文所提出的基于儲能變流器的并行直流吸引供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心同時采用了高壓直流系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)，一個高效節(jié)能，一個削峰填谷，兩者并列存在，更加有利于數(shù)據(jù)中心的運營和節(jié)能?；趦δ芟到y(tǒng)的變電站建設不僅要采集、發(fā)送變電站和儲能站的各項數(shù)據(jù)，還應以電網(wǎng)需要為依據(jù)，從而當電力過剩時實現(xiàn)儲能裝置充電，儲能裝置則在電網(wǎng)電力不足時向其供電[4]。

2.3 儲能系統(tǒng)部署

本項目擬配套建設24MW/72MWh 儲能系統(tǒng)通過10kV 廠用電系統(tǒng)并入電網(wǎng)。儲能系統(tǒng)采用標準模塊化設計，共分為6個標準模塊，每個模塊4MW/12MWh，模塊采用三層堆疊布置，第一層為PCS 集裝箱，二、三層為電池集裝箱。當用電高峰時段，采用蓄電池放電方式，蓄電池分為兩部分供給，一部分功率提供DC/DC 直流負荷，另一部分經(jīng)過PCS 向電網(wǎng)流入；用電低谷階段采用蓄電池充電方式，蓄電池與DC/DC 直流負荷由PCS 分別提供功率；平時用電則采用蓄電池不充不放的方式，DC/DC 直流負荷由PCS 供給。

三種運行方式無需以其他設備運行狀態(tài)來對供電側(cè)率進行改變，由于DC/DC 只需高壓側(cè)定功率以及低壓側(cè)定電壓，直流負荷比較穩(wěn)定。按峰谷運行方式考慮，計劃每日2充2放；按照每次充放電電量是儲能系統(tǒng)總?cè)萘康?0%進行估算，再考慮停役檢修期，儲能電站年運行天數(shù)按照350天計算，儲能系統(tǒng)年放電量為40320MWh。

3 并行方案整體優(yōu)勢

基于能夠?qū)φ緝?nèi)設備利用率大幅度提升、達到節(jié)約資源的目的，所提出的儲能系統(tǒng)+高壓直流供電方式、即對儲能電站PCS 冗余容量直流數(shù)據(jù)中心供電策略的優(yōu)勢如下：

對于IDC 項目來說，儲能系統(tǒng)響應速度快，可及時在電網(wǎng)常規(guī)電源故障情況下提供快速及時的電力響應，保障用戶的用電可靠性；IDC 與電儲能的深度融合，不僅能通過峰谷分時運行起到平衡區(qū)域內(nèi)峰谷電量的作用，有效緩解區(qū)域電力平衡壓力的作用，而且可在電力市場中大幅節(jié)約IDC 用電成本，從而提高IDC 運營競爭能力；當前以調(diào)研結(jié)果為依據(jù)，從供電效率來看，變壓器效率大約在97%、PCS 約為97%、高壓直流供電效率約為95%，兩種供電效率目標一致。

綜上，基于成本及可靠性優(yōu)化角度，高壓直流供電方式在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心項目中的應用前景巨大，相較于交流UPS 在效率、成本、擴容、可維護性等方面都有很大優(yōu)勢，當前直流供電方式已經(jīng)步入了商業(yè)應用階段，被行業(yè)廣泛接受和推崇，其相關(guān)行業(yè)標準規(guī)范也陸續(xù)出臺與更新。

本項目通過基于高壓直流供電技術(shù)方案提出與電儲能深度融合創(chuàng)新方案，改善了區(qū)域電網(wǎng)的電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)可靠性、快速響應一次調(diào)頻及無功等優(yōu)勢，并起到后備電源的作用，保障數(shù)據(jù)中心能源輸出的穩(wěn)定性，提高運行競爭力。同時，所配套的儲能設施運行及調(diào)控模式靈活，可根據(jù)自身和區(qū)域負荷特性進行電網(wǎng)實時削峰填谷模式運行，有效緩解區(qū)域用電負荷的峰谷差，確保區(qū)域電力電量平衡；并可以獨立主體形式參與電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻市場，接受電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控。