“雙碳”目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)發(fā)展方向探討

侯永濤，王 蕾（.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京 00048；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司，北京 00033）

0 前言

當(dāng)前，我國數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超10%的速度高速遞增。2018 年，全國數(shù)據(jù)中心總耗電量為1 500 億kWh，達(dá)到了社會(huì)總用電量的2.19%。預(yù)計(jì)到2025 年，其占比將增加一倍，達(dá)到4.05%。在“雙碳”的大背景下，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)能耗問題亟待解決。

為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國正在大力推進(jìn)以光伏、風(fēng)能為主體的新能源建設(shè)及儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，加之第3 代半導(dǎo)體器件的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用不斷普及，都為穩(wěn)定、高效的新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供了有利的契機(jī)。因此，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)與新型供電系統(tǒng)、以第3代功率半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)的電力電子設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，就成為亟待解決的技術(shù)問題和挑戰(zhàn)。

1 電力系統(tǒng)的變化與演進(jìn)

上個(gè)世紀(jì)中葉，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，基于直流用電技術(shù)的電子設(shè)備大量出現(xiàn)，各種新型高壓大功率交、直流變換設(shè)備和技術(shù)逐步應(yīng)用于配電、供電，甚至發(fā)、輸電領(lǐng)域，高壓直流大功率電力電子技術(shù)的發(fā)、輸、配、用電網(wǎng)絡(luò)已初見端倪。由于直流發(fā)、輸、配電網(wǎng)絡(luò)沒有無功損耗，且具有變換環(huán)節(jié)簡單、潮流控制靈活等天然優(yōu)勢(shì)，采用直流電力系統(tǒng)逐步取代交流電力系統(tǒng)，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前，以光伏、風(fēng)能為代表的新能源建設(shè)正在世界各地快速開展，其中，以歐洲提出的北海超級(jí)直流電網(wǎng)和我國正在建設(shè)的西北部大規(guī)模新能源、東南部沿海的海上風(fēng)電集群建設(shè)為代表。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和學(xué)術(shù)組織，結(jié)合歐洲和我國電力能源和負(fù)荷分布的特點(diǎn)，提出利用電壓源換相直流輸電（Voltage Source Converter，VSC）技術(shù)構(gòu)建多源融合的高壓直流輸電（HVDC）網(wǎng)絡(luò)，逐步形成跨省、跨國乃至跨州的直流電網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)，例如國際大電網(wǎng)組織（Cigre）提出了歐洲超級(jí)電網(wǎng)的構(gòu)想［9］，如圖1 所示；我國的部分學(xué)者也提出中國未來直流輸電網(wǎng)的建設(shè)構(gòu)想［6］，如圖2所示。

圖1 歐洲超級(jí)電網(wǎng)設(shè)想圖

圖2 中國直流電網(wǎng)主干結(jié)構(gòu)設(shè)想圖

可以預(yù)見未來的電力系統(tǒng)，一次能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變革，新能源占比將迅速增加，甚至超過煤電在一次能源結(jié)構(gòu)占比，這將是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)最為重要的技術(shù)路徑。

而在用電側(cè)，由于以電動(dòng)汽車為代表去化石能源、再電氣化負(fù)荷的大量涌現(xiàn)，以及海量分布式新能源發(fā)電設(shè)備大量接入電網(wǎng)，傳統(tǒng)的交流供電網(wǎng)絡(luò)由于難以實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)，直流供配電網(wǎng)絡(luò)將展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，得到推廣應(yīng)用。

綜上所述，隨著新能源大量接入電網(wǎng)和各種電氣化用電設(shè)備的急劇增加，傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越難以滿足未來能源革命的需求，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式必將發(fā)生重大變革，同時(shí)，各類高中低壓、不同功率儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，如抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、氫能等，對(duì)包含各種儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的用電設(shè)備和系統(tǒng)提出了能夠?qū)崿F(xiàn)雙向功率流動(dòng)的需求，這其中主要包括電動(dòng)汽車和數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)中心與新型電力系統(tǒng)的關(guān)系

2022 年2 月17 日，國家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部和國家能源局聯(lián)合印發(fā)通知，規(guī)劃了10個(gè)國家數(shù)據(jù)中心集群，“東數(shù)西算”工程正式全面啟動(dòng)。從地理位置而言，“東數(shù)西算”數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和我國大規(guī)模新能源和高壓直流輸電網(wǎng)的建設(shè)高度融合，如果對(duì)這些數(shù)據(jù)中心和新能源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)，將大幅減少輸電和電力變換環(huán)節(jié)，大幅降低數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)新能源的就地消納，最終顯著降低用電成本；采用第3代新型電力電子器件，可以降低30%以上的電源設(shè)備轉(zhuǎn)換損耗，實(shí)現(xiàn)更高效供電；同時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)中心具有大量儲(chǔ)能單元的特點(diǎn)，采用具有雙向供電能力的新型電力電子技術(shù)，參與電力市場(chǎng)的調(diào)頻調(diào)壓，提供有功和無功，實(shí)現(xiàn)對(duì)我國電力系統(tǒng)的支撐能力，可以極大提高數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的運(yùn)營效能。

對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)集群建設(shè)，同樣可以考慮海上風(fēng)電換流站與海底大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的一體化規(guī)劃和集約化建設(shè)，利用海底低溫環(huán)境提高海底數(shù)據(jù)中心運(yùn)行效率的同時(shí)，大幅降低電力傳輸和電力變換環(huán)節(jié)損耗，提高海上風(fēng)電的利用率。

3 數(shù)據(jù)中心電力電子技術(shù)的發(fā)展方向

隨著以碳化硅（Silicon Carbide，SiC）、氮化鎵（Gal?lium Nitride，GaN）為代表的第3 代半導(dǎo)體器件和以高壓直流網(wǎng)絡(luò)供電技術(shù)為代表的新一代供電網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和日趨成熟，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)將呈現(xiàn)出以下幾個(gè)方面的特征。

3.1 器件層面

第3 代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率和抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性，可以實(shí)現(xiàn)更好的電流和電壓的開關(guān)控制，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射的大功率電力電子設(shè)備。當(dāng)前，5G 基站、新能源汽車和光伏系統(tǒng)等都是第3 代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

目前數(shù)據(jù)中心的電源設(shè)備采用的電力電子器件是硅基的IGBT 和MOSFET，但對(duì)電源設(shè)備能效、體積和重量等要求越來越高。傳統(tǒng)的硅基電力電子器件存在著開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗大等缺點(diǎn)，已經(jīng)達(dá)到技術(shù)瓶頸，很難進(jìn)一步提升。

以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的出現(xiàn)和發(fā)展，為電力電子變換器實(shí)現(xiàn)更高的效率、更高的功率密度提供了可能。相較于傳統(tǒng)硅器件，SiC 器件與GaN 器件能夠滿足更高溫度、更高電壓以及更高頻率的要求，其開關(guān)損耗較之硅基電力電子器件可以降低50%以上，使轉(zhuǎn)換效率有質(zhì)的飛躍；由于高溫特性良好，還可以大幅降低對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的容量需求，更進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心的空調(diào)能耗。

3.2 電路與設(shè)備層面

數(shù)據(jù)中心電力電子設(shè)備的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括整流電路和逆變電路，主流的電路變換型式為二極管整流加PFC、圖騰柱電路、維也納電路、同步整流和巴拿馬電路等，這些電路型式存在無法實(shí)現(xiàn)雙向功率傳輸、電力電子變換和能量存儲(chǔ)功能只能應(yīng)用在低壓環(huán)節(jié)等缺點(diǎn)，制約了數(shù)據(jù)中心電源設(shè)備向著更高效率、更高應(yīng)用層面的發(fā)展。

隨著國家供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，在電力電子變換電路方面將越來越多地采用雙向變換電路，并實(shí)現(xiàn)與高壓接入系統(tǒng)和高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)的需求，例如將基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的柔性高壓直流輸電系統(tǒng)、高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，避免了工頻變壓器的使用，而且采用一套整流或者逆變?cè)O(shè)備可以實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電、高壓儲(chǔ)能、通信系統(tǒng)供電等功能，節(jié)約了大量的電力電子器件，結(jié)合碳化硅、氮化鎵等第3 代半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)造價(jià)、體積和重量，將進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心電源設(shè)備的整體效率，并拓展了數(shù)據(jù)中心電源參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓功能，為未來以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)提供無功和有功的支持，進(jìn)一步發(fā)揮整體協(xié)同效能。例如《一種適應(yīng)于數(shù)據(jù)中心的新型供電系統(tǒng)》專利就提供了以上思路的一種解決方案，如圖3所示。具體到供電系統(tǒng)子模塊拓?fù)浼軜?gòu)又可分為2 種：共同接地方案（見圖4）和懸浮電位方案（見圖5），兩者因?yàn)楦綦x性能的差異，在系統(tǒng)電位和效率等方面各具優(yōu)勢(shì)。

圖3 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)原理示意圖

圖4 共同接地方案原理示意圖

圖5 懸浮電位方案原理示意圖

3.3 系統(tǒng)層面

隨著高壓直流網(wǎng)絡(luò)直流供電技術(shù)的逐步成熟，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)甚至可以直接接入高壓直流供電甚至輸電網(wǎng)絡(luò)，從而免去交流接入的交直流變換環(huán)節(jié)，與大容量高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)合也更為靈活多變，例如未來的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可以和大規(guī)模新能源場(chǎng)站的高壓直流供電網(wǎng)絡(luò)、高壓直流儲(chǔ)能電站匯集成為一體，并參與新能源場(chǎng)站的一體化調(diào)控，成為虛擬電廠的一個(gè)單元。而隨著新能源場(chǎng)站集群的協(xié)調(diào)控制，更進(jìn)一步提升新能源發(fā)電的時(shí)空互補(bǔ)性，提升新能源發(fā)電、電網(wǎng)接入和消納的整體穩(wěn)定性，降低了新型供電系統(tǒng)由于新能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性所帶來的供電風(fēng)險(xiǎn)，提升數(shù)據(jù)中心的供電可靠性。而未來數(shù)據(jù)中心的后備電源系統(tǒng)如果實(shí)現(xiàn)用氫能發(fā)電或儲(chǔ)能技術(shù)替代柴油機(jī)發(fā)電，最終將實(shí)現(xiàn)100%的綠電使用和零碳數(shù)據(jù)中心。

3.4 數(shù)字化層面

隨著新能源規(guī)模發(fā)展和新型電力系統(tǒng)普及，數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)和新能源為主體的新型電力供電系統(tǒng)將深度融合，數(shù)據(jù)貫通，并結(jié)合數(shù)字化孿生、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)從器件、電路、設(shè)備、系統(tǒng)等各個(gè)層面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控運(yùn)行，并深度參與國家新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)控，成為新型電力系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。

4 總結(jié)

本文從以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)構(gòu)建、“雙碳”背景下數(shù)據(jù)中心能效提升，以及第3 代電力電子技術(shù)發(fā)展等多個(gè)角度，對(duì)未來數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)電力電子化的發(fā)展方向進(jìn)行了初步的探討。

a）數(shù)據(jù)中心的電力電子技術(shù)將大量使用以碳化硅和氮化鎵為代表的第3 代半導(dǎo)體器件，替代現(xiàn)存的硅基IGBT 和MOSFET 器件，將使電力電子變換環(huán)節(jié)的損耗降低50%以上。

b）數(shù)據(jù)中心的電力電子設(shè)備將逐步采用具有雙向功率流動(dòng)的電力電子變換拓?fù)洌②呄蛴诤痛笠?guī)模新能源場(chǎng)站、高壓柔性直流裝置、高壓大功率儲(chǔ)能裝置、氫能發(fā)電設(shè)備等新型電力裝置一體化設(shè)計(jì)、集成，實(shí)現(xiàn)高壓直流網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行，具備實(shí)現(xiàn)有功、無功支撐等功能，進(jìn)一步提升電力電子裝置的效能和供電可靠性，最終實(shí)現(xiàn)100%綠電使用和零碳數(shù)據(jù)中心。

c）數(shù)據(jù)中心電力電子裝置的數(shù)字化與我國新型電力系統(tǒng)的數(shù)字化將實(shí)現(xiàn)深度融合和數(shù)據(jù)貫通，并成為新型電力系統(tǒng)的一個(gè)單元，深度參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)控，成為數(shù)字化孿生新型電力系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。