摘要：本文分析闡述了數(shù)據(jù)中心多種不同的不間斷電源系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景，探討了固態(tài)變壓器新型不間斷電源系統(tǒng)和磷酸鐵鋰電池在國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的首次規(guī)?；涮讘?yīng)用，豐富了數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)的應(yīng)用方案，為不間斷電源新技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

引言

隨著國(guó)家“東數(shù)西算”工程的實(shí)施，作為算力重要基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心，其建設(shè)規(guī)模呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)，如何綠色低碳高效運(yùn)行成為目前的研究熱點(diǎn)，持續(xù)研究不間斷電源對(duì)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)至關(guān)重要，積極探索可靠、高效、節(jié)省占地面積、能消納綠色能源的不間斷電源系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心降低PUE和實(shí)現(xiàn)雙碳有重要意義。本文分析了數(shù)據(jù)中心不同的不間斷電源系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目案例闡述分析了固態(tài)變壓器作為不間斷電源配合磷酸鐵鋰電池在國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的首次規(guī)?；瘧?yīng)用，豐富了數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)的應(yīng)用方案，為數(shù)據(jù)中心不間斷電源的選擇和應(yīng)用提供了借鑒。

不間斷電源系統(tǒng)分析

交流UPS電源系統(tǒng)

交流UPS電源由變流模塊、靜態(tài)旁路、蓄電池組等組成，常用的在線(xiàn)雙變換運(yùn)行模式效率可到96%。近年來(lái)很多UPS產(chǎn)品推出了高級(jí)ECO運(yùn)行模式，在高級(jí)ECO模式下，逆變器始終保持“開(kāi)啟”狀態(tài)，與旁路輸入電源并聯(lián)運(yùn)行，但實(shí)際并不給負(fù)載供電，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，逆變器可以完成無(wú)縫切換并繼續(xù)為負(fù)載供電，同時(shí)逆變器也能可控地吸收負(fù)載諧波電流，實(shí)現(xiàn)濾波功能。高級(jí)ECO運(yùn)行模式可以提高電能質(zhì)量，運(yùn)行效率高于在線(xiàn)雙變換模式。交流UPS電源目前在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最廣泛，系統(tǒng)配電鏈路級(jí)數(shù)多，設(shè)備數(shù)量多，占地面積較大，成本較高，有些客戶(hù)不接受UPS經(jīng)常運(yùn)行在高級(jí)ECO模式。

240V直流電源系統(tǒng)

240V直流電源系統(tǒng)由交流配電柜、整流柜、直流配電柜、蓄電池組等組成，電池直掛直流輸出母線(xiàn)，省掉逆變環(huán)節(jié)，可用性高，整流模塊可以在輕載下進(jìn)入休眠模式，直流電源效率可到97%，效率高于交流UPS的在線(xiàn)雙變換運(yùn)行模式。240V直流電源系統(tǒng)配電鏈路級(jí)數(shù)多，占地面積較大，成本較高，需要ICT設(shè)備支持240V直流供電，目前主要應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)和運(yùn)營(yíng)商，其他外租客戶(hù)接受度較低。

巴拿馬電源系統(tǒng)

巴拿馬電源由10kV中壓柜、移相變壓器柜、整流柜、直流配電柜、蓄電池組等組成，實(shí)現(xiàn)10kVAC輸入和240VDC輸出，柔性集成了10kV配電、隔離變壓、模塊化整流器和240V直流輸出配電等整個(gè)供電鏈路環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了供電鏈路的多級(jí)配電，節(jié)省了低壓柜的配置，可以節(jié)省占地面積，工廠預(yù)制化可節(jié)省安裝工期，整體鏈路系統(tǒng)效率可到97%~97.5%。巴拿馬電源集成度高，故障時(shí)影響面較大，需要ICT設(shè)備支持240V直流供電，目前主要應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，其他外租客戶(hù)接受度較低。

交流預(yù)制化電力模塊系統(tǒng)

交流預(yù)制化電力模塊深度融合了變壓器、進(jìn)線(xiàn)/母聯(lián)柜、補(bǔ)償柜、交流UPS主機(jī)、交流輸出柜、維修旁路柜等，實(shí)現(xiàn)10kVAC輸入和220VAC輸出，集成了10kV配電、變壓器、交流UPS和交流輸出配電等整個(gè)供電鏈路環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了供電鏈路的多級(jí)配電，節(jié)省了低壓柜的配置，也可以節(jié)省占地面積，工廠預(yù)制化可節(jié)省安裝工期。交流預(yù)制化電力模塊使用的是傳統(tǒng)工頻變壓器，UPS運(yùn)行在在線(xiàn)雙變換運(yùn)行模式時(shí)整體鏈路系統(tǒng)效率有待提升，目前國(guó)內(nèi)正在推廣，在一些空間受限的場(chǎng)景有所應(yīng)用。

固態(tài)變壓器（SST）系統(tǒng)

固態(tài)變壓器以電能變換裝置為核心，主要由電力電子變換器與高頻變壓器等部件構(gòu)成的一二次融合電力設(shè)備，整套系統(tǒng)由交流啟動(dòng)柜（10kVAC輸入）、功率模塊柜、直流配電柜組成，高頻變壓器的頻率通常為幾kHz至幾十kHz,甚至上百kHz，通過(guò)電力電子電路的控制可實(shí)現(xiàn)高壓交流至低壓直流或低壓交流的電壓變換及能量雙向流動(dòng)，高頻功率變流部分替代了傳統(tǒng)的工頻變壓器、低壓配電柜、變流器，可以實(shí)現(xiàn)10kVAC輸入和240VDC輸出或交流輸出，是可應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心行業(yè)的一種新型不間斷電源系統(tǒng)。

以10kVAC輸入、240VDC輸出兩端口固態(tài)變壓器為例，包含交流10kV接口和直流240V端口，10kV側(cè)由三組級(jí)聯(lián)功率模塊組成，低壓側(cè)三組功率模塊并聯(lián)接入直流240V母線(xiàn)段，實(shí)現(xiàn)電能的交直流、不同電壓等級(jí)的高效變換，主回路拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖 1 10kVAC-240VDC 兩端口固態(tài)變壓器主回路拓?fù)鋱D

固態(tài)變壓器一般采用以SRC（Series Resonant Converter 串聯(lián)諧振）為基礎(chǔ)的各類(lèi)變種諧振式電路，實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，極大降低了電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗。采用PWM調(diào)制+移相的調(diào)制方式，在提高了電壓利用率的同時(shí)也提升了鏈路傳輸效率，整體系統(tǒng)綜合效率可達(dá)到97.5%，同時(shí)以高頻替代的方式舍棄了傳統(tǒng)供電中必備的工頻變壓器或移相變壓器，減小了傳統(tǒng)工頻變的空載損耗，且重量相對(duì)較輕、噪聲小、方便散熱。

固態(tài)變壓器簡(jiǎn)化了供電鏈路的多級(jí)配電，較傳統(tǒng)交流UPS方案和直流240V電源方案可節(jié)省約50%占地面積，空間利用率更高；工廠預(yù)制化的生產(chǎn)方式可節(jié)省安裝工期，實(shí)現(xiàn)快速部署；設(shè)置了功率模塊冗余、中壓故障隔離等多級(jí)保護(hù)，供電系統(tǒng)安全可靠；采用了在線(xiàn)智能自動(dòng)旁路控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)不停機(jī)的狀態(tài)下，故障功率模塊的自動(dòng)智能旁路功能。

固態(tài)變壓器也集成了APF、SVG功能，可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的主動(dòng)治理，完成諧波補(bǔ)償,可輸出感性無(wú)功和容性無(wú)功，無(wú)需額外配置諧波治理模塊及無(wú)功補(bǔ)償裝置，額定工況下10kV輸入側(cè)電流諧波小于1%。

以?xún)啥丝诠虘B(tài)變壓器為基礎(chǔ)，可以迭代為具備多電壓等級(jí)交直流端口的“能量路由器”，適用于風(fēng)、光、儲(chǔ)等不同元素的靈活接入，減少電能變換環(huán)節(jié)，能夠主動(dòng)控制各個(gè)端口的功率潮流，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的消納，實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”高效接入和智能管理。

不同方案的投資和采購(gòu)規(guī)模、采購(gòu)模式關(guān)系較大，交流UPS電源系統(tǒng)方案和240V直流電源系統(tǒng)方案的投資還需計(jì)入變壓器、低壓配電柜及柜間電纜，目前國(guó)內(nèi)UPS應(yīng)用最為廣泛且有推出大容量產(chǎn)品，單套240V直流電源產(chǎn)品的容量相對(duì)受限，固態(tài)變壓器應(yīng)用較少因此產(chǎn)業(yè)鏈沒(méi)有達(dá)到規(guī)模化，在總的帶載能力相同的情況下，交流UPS電源方案和固態(tài)變壓器方案的投資相當(dāng)，交流預(yù)制化電力模塊和巴拿馬電源的投資略低。隨著以后固態(tài)變壓器的廣泛應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈不斷成熟，成本會(huì)逐漸降低，固態(tài)變壓器方案的發(fā)展趨勢(shì)是投資會(huì)有所下降。

后備電池分析

電池是不間斷電源系統(tǒng)的后備保障。目前廣泛運(yùn)用于數(shù)據(jù)中心的電池主要是鉛酸電池，如12V高倍率鉛酸電池、12VⅠ類(lèi)鉛酸電池、2V高倍率鉛酸電池和2VⅠ類(lèi)鉛酸電池，其中高倍率電池更適用于數(shù)據(jù)中心15min短時(shí)高倍率放電的場(chǎng)景。近年來(lái)，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的不斷成熟和成本的降低，磷酸鐵鋰電池也開(kāi)始應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景，且在某些特定場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)也逐漸凸顯。

磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池對(duì)比分析如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池對(duì)比表

磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池相比較，在能量密度、占地面積、使用壽命、故障更換等方面具有優(yōu)勢(shì)，尤其適合一些房間空間受限的場(chǎng)景，國(guó)外數(shù)據(jù)中心機(jī)房開(kāi)始規(guī)?；褂娩囯姵?，國(guó)內(nèi)也有一些機(jī)房在使用鋰電池。

實(shí)際應(yīng)用案例

以貴州某“東數(shù)西算”數(shù)據(jù)中心為例，每個(gè)樓層機(jī)柜功率約2000kW，采用一路交流UPS+一路固態(tài)變壓器（240VDC輸出）配電方案。交流UPS方案配置1臺(tái)2500kVA變壓器、5臺(tái)500kVA的UPS、17面低壓柜，5臺(tái)UPS共配置10臺(tái)162Ah/72.57kWh鋰電池柜和5臺(tái)81Ah/36.28kWh鋰電池柜。固態(tài)變壓器方案配置1套2.4MW系統(tǒng)，考慮了電池充電功率和備用功率模塊容量，包含1臺(tái)交流啟動(dòng)柜、3臺(tái)功率柜、2臺(tái)直流輸出柜，配置24臺(tái)81Ah/36.28kWh鋰電池柜，固態(tài)變壓器方案比傳統(tǒng)UPS方案節(jié)省了占地面積。每個(gè)樓層兩種方案電源設(shè)備平面布置圖如圖2所示。

圖 2 機(jī)房電源設(shè)備平面布局圖

本項(xiàng)目是固態(tài)變壓器作為不間斷電源在國(guó)家“東數(shù)西算”數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的首次規(guī)?；瘧?yīng)用，也是固態(tài)變壓器電源和鋰電池在國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的首次規(guī)?；涮讘?yīng)用。此項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心新型不間斷電源系統(tǒng)的一次積極探索，豐富了國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)的規(guī)模化應(yīng)用方案，對(duì)數(shù)據(jù)中心不間斷電源新技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了借鑒。

結(jié)論與展望

在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的背景下，積極探索高效節(jié)能可靠的不間斷電源系統(tǒng)已成為數(shù)據(jù)中心配電行業(yè)的一大趨勢(shì)。固態(tài)變壓器電源和鋰電池在國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的配套應(yīng)用中廣泛接入利用綠色能源，減小了占地面積,提升了設(shè)備利用效率，有效降低了碳排放，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)意義重大。

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

本文標(biāo)題：一種新型不間斷電源在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究

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