郭添俊 劉美集

摘要：在城市用電配電側(cè)，交直流混合系統(tǒng)因其具有消納多類型能源、滿足用戶多元化用能需求、實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、提高電網(wǎng)安全性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。本文針對數(shù)據(jù)中心用能需求及分布式可再生能源消納等問題，提出一種基于雙臺(tái)電力電子變壓器并聯(lián)運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)。本文研究了數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)架構(gòu)、電力電子變壓器特征及系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)等。為數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供一種分布式能源高效消納及安全可靠系統(tǒng)，對促進(jìn)未來配電網(wǎng)側(cè)廣泛消納多類型能源的系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;電力電子變壓器;分布式可再生能源;系統(tǒng)運(yùn)行控制

0? 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)量急速增長[1-4]。目前，全球數(shù)據(jù)量每年增長達(dá)50%。近年來，中國的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分龐大。隨著單機(jī)柜功率和數(shù)量不斷增加，能耗問題日益凸顯，給數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)帶來一些新的挑戰(zhàn)[5-6]。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)主要分為交流配電系統(tǒng)和直流配電系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，電網(wǎng)到直流負(fù)荷之間需經(jīng)過整流、逆變、整流的交直交直多次變換，每次電能變換均會(huì)產(chǎn)生損耗，降低系統(tǒng)效率，增加系統(tǒng)成本，且過多的中間環(huán)節(jié)也會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性[7-15]。數(shù)據(jù)中心直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，相比于交流系統(tǒng)，其中間電能變換環(huán)節(jié)較少，且沒有傳統(tǒng)UPS的諧波問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率，降低了系統(tǒng)成本。正是直流系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)，使得其應(yīng)用越來越廣泛。

無論是交流還是直流配電系統(tǒng)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)具有以下缺點(diǎn)：電能變換次數(shù)較多，效率較低;很難實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源的高占比、高效消納;輸出電壓等級單一;仍需大體積工頻變壓器，占地面積大。針對現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)存在的問題，本文圍繞數(shù)據(jù)中心用電特性，提出了一種基于雙臺(tái)電力電子變壓器并聯(lián)運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)，該系統(tǒng)以電力電子變壓器為核心設(shè)備，研究了系統(tǒng)運(yùn)行控制、多能互補(bǔ)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)[16-19]。該系統(tǒng)的建成可實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源、多形式儲(chǔ)能等的高效接入，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1? 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)架構(gòu)

針對上述數(shù)據(jù)中心供電需求，建設(shè)配用電雙級混聯(lián)、多能互補(bǔ)的分布式可再生能源交直流混合示范工程，實(shí)現(xiàn)可再生能源的高占比接入及數(shù)據(jù)中心配電網(wǎng)的高效率運(yùn)行。該系統(tǒng)包含光伏、風(fēng)機(jī)、光熱發(fā)電及熱利用系統(tǒng)、儲(chǔ)電系統(tǒng)。通過多端口多功能電力電子變壓器集群實(shí)現(xiàn)多種分布式可再生能源高比例接入、交直流配用電多級混聯(lián)。通過儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱等綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷高效互補(bǔ)，同時(shí)改善多種分布式能源高比例接入對電網(wǎng)的影響。數(shù)據(jù)中心基于電力電子變壓器并聯(lián)運(yùn)行的配電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用方案如圖3所示，該方案采用雙回10 kV市電線路進(jìn)線，分別接兩臺(tái)2 MW電力電子變壓器，兩臺(tái)變壓器互為熱備用。

2 電力電子變壓器特征分析

電力電子變壓器（PET）是實(shí)現(xiàn)交直流混合系統(tǒng)高效運(yùn)行的核心設(shè)備，其通過高效率電力電子拓?fù)浼夹g(shù)、高頻磁性元件設(shè)計(jì)技術(shù)、高隔離等級模塊一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同端口間的電能轉(zhuǎn)換及電氣隔離，典型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。相比于傳統(tǒng)工頻變壓器，PET具有以下優(yōu)點(diǎn)：1） 多端口設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)不同電壓類型、不同電壓等級的雙向功率控制;2） 方便不同電壓類型新能源系統(tǒng)高效接入，減小接入時(shí)的電能變換環(huán)節(jié)，提高新能源系統(tǒng)應(yīng)用效率;3） 隔離變壓器采用中高頻變壓器，所需導(dǎo)線及鐵心材料更少，減小了變壓器的體積;4） 電力電子變壓器可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)、副邊電壓的控制。

本文研究的PET包含10kV/±375V 直流、10kV/380V 交流四個(gè)端口，低壓側(cè)并聯(lián)、高壓側(cè)串聯(lián)的模塊化串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，低壓側(cè)采用并聯(lián)的結(jié)構(gòu)可以高效率的擴(kuò)容;高壓側(cè)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)直接升壓至中壓配電網(wǎng)電壓等級，并且以多電平的形式出現(xiàn)，有利于減小濾波電感。內(nèi)部系統(tǒng)采用高頻變壓器隔離，有利于減小變壓器體積，提高系統(tǒng)功率密度。高頻部分采用軟開關(guān)技術(shù)，有利于提高高頻部分的效率，減少損耗。功率模塊采用碳化硅寬禁帶器件，具有耐高溫、耐高壓、高效率等特點(diǎn)。在交直流混合系統(tǒng)中電力電子變壓器的作用包括：1） 不同電壓類型、電壓等級的能量高效、雙向流動(dòng);2） 分布式可再生能源的靈活高效接入;3） 幅值、相位、頻率調(diào)節(jié)功能，高壓交流端口具備諧波抑制及無功補(bǔ)償功能;4） 具備一定的自檢、故障容錯(cuò)和系統(tǒng)恢復(fù)能力。

3 系統(tǒng)運(yùn)行控制

3.1 電力電子變壓器的集群協(xié)同控制

電力電子變壓器集群控制是將兩臺(tái)或者兩臺(tái)以上電力電子變壓器進(jìn)行能量端口組合，通過主動(dòng)協(xié)調(diào)控制，整體具備靈活電能路由和高效能量管理的功能。集群控制以提高系統(tǒng)能效為目標(biāo)，通過集中式或分級的協(xié)同控制機(jī)制，優(yōu)化分配各電力電子變壓器端口的能量大小，使得設(shè)備和系統(tǒng)高效運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行控制目標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)交直流混合分布式系統(tǒng)的區(qū)域自治、云端互聯(lián)、智能化水平，提高可再生能源的消納性，開發(fā)了多能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”能量管理系統(tǒng)、基于云平臺(tái)的分布式可再生能源運(yùn)行管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)運(yùn)行提出了如下運(yùn)行控制目標(biāo)：1） 通過運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交直流混合分布式系統(tǒng)的區(qū)域自治、云端互聯(lián);2） 通過多能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制，依托多功能電力電子變壓器、故障電流控制器等關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)交直流混合分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，基于多種運(yùn)行模式柔性切換，提高系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性;3） 通過能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，使得系統(tǒng)中的各類可再生能源實(shí)現(xiàn)最大化利用，并實(shí)現(xiàn)單個(gè)交直流混合分布式系統(tǒng)的智能化運(yùn)行;4） 通過云端運(yùn)行管理系統(tǒng)的聚類融合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)分散系統(tǒng)的信息融合和共享，并基于云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)交直流混合分布式系統(tǒng)的統(tǒng)一運(yùn)營管理;5） 通過運(yùn)行控制系統(tǒng)，并結(jié)合保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在故障下的快速隔離與恢復(fù)，提高供電可靠性。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行控制模式

針對系統(tǒng)基本運(yùn)行方式，考慮2臺(tái)電力電子變壓器的聯(lián)合運(yùn)行、單臺(tái)電力電子變壓器及其各端口存在多種靈活的控制模式，并且電力電子變壓器具備附加的電能質(zhì)量治理功能，因此根據(jù)電力電子變壓器控制模式，可以劃分為系統(tǒng)失電、主從運(yùn)行模式、對等運(yùn)行模式、電能質(zhì)量治理模式，同時(shí)考慮系統(tǒng)故障問題，增加主從模式故障態(tài)和對等模式故障態(tài)兩種故障中間態(tài)。如圖5所示為系統(tǒng)運(yùn)行模式圖，首先系統(tǒng)從失電狀態(tài)通過電力電子變壓器的不同啟動(dòng)方式，可以進(jìn)入主從運(yùn)行模式或?qū)Φ冗\(yùn)行模式，并且考慮儲(chǔ)能存在 PQ 模式和下垂模式，在對應(yīng)的運(yùn)行模式下，儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)兩種模式的切換，從而滿足不同具體工況下的控制需求。電能質(zhì)量治理模式主要是在不改變電力電子變壓器原有控制模式的基礎(chǔ)上，為改善接入配網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量而附加的功能。同時(shí)，針對兩種運(yùn)行模式下的故障態(tài)，設(shè)計(jì)了對應(yīng)故障及恢復(fù)的轉(zhuǎn)換。

4? 結(jié)語

在能源轉(zhuǎn)型、數(shù)據(jù)中心大力發(fā)展背景下，圍繞數(shù)據(jù)中心用能特點(diǎn)及分布式可再生能源的發(fā)展需求，本文研究了一種基于雙臺(tái)電力電子變壓器并聯(lián)運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)。首先，介紹了數(shù)據(jù)中心用能現(xiàn)狀及存在的問題，提出了一種可推廣性和可復(fù)制性的交直流混合的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)。其次，對配電系統(tǒng)中的核心設(shè)備進(jìn)行了分析，與傳統(tǒng)變壓器相比具有更好的性能及靈活的控制策略，進(jìn)而分析了系統(tǒng)的控制運(yùn)行技術(shù)。該系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新思路，對促進(jìn)未來配電網(wǎng)側(cè)廣泛消納多類型能源的系統(tǒng)建設(shè)具有積極意義。

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