吳華勇，王安林，顧 華

（維諦技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

大數(shù)據(jù)時代的到來，使得互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務(wù)的需求量與日俱增。作為大數(shù)據(jù)承載和信息媒體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中心，樞紐地位越來越凸顯，其供配電系統(tǒng)的可靠運行、節(jié)能降耗、快速投用、省地建設(shè)等諸多現(xiàn)實問題成為從業(yè)人員關(guān)注的重點。在此背景下，考慮節(jié)能環(huán)保，減少數(shù)據(jù)中心機房建設(shè)和營運成本，建立創(chuàng)新型供電系統(tǒng)的架構(gòu)，形成綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)勢在必行。因此，本文重點對一體化融合中壓配電、中壓變電、低壓配電及HVDC供電系統(tǒng)的架構(gòu)進行研究。

1 數(shù)據(jù)中心建設(shè)現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)建設(shè)模式是中壓配電、中壓變電、低壓配電和低壓供電各個環(huán)節(jié)都完全割裂，從10 kV中壓輸入到UPS或者HVDC系統(tǒng)輸出之間存在眾多中間設(shè)備，放置在不同的房間內(nèi)。各典型功能區(qū)分布見圖1。

需要因地制宜地根據(jù)數(shù)據(jù)中心工程的特點、負(fù)荷性質(zhì)、用電容量、供電條件和節(jié)約電能等因素，綜合考量并且合理制定設(shè)計方案。

這種布局松散的供配電方式建立了不同功能區(qū)的物理間隔，并分割成相互獨立的2 000 kVA或2 500 kVA的變配電子系統(tǒng)，然后在其下掛接300～600 kVA的電源子系統(tǒng)。實際運用中，這些后備電源總存在5%～15%的碎片容量。對這些碎片容量的有效盤活和管理，成為當(dāng)今大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)的一個難題。此外，不同機柜都要預(yù)留操作和維護空間，極大地浪費了機房的有效面積，降低了空間利用率。

圖1 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的傳統(tǒng)建設(shè)模式

因為涉及中、低壓供配電不同相關(guān)專業(yè)工程接口，施工復(fù)雜且周期長，各子系統(tǒng)分別交付后需要在現(xiàn)場設(shè)備聯(lián)合調(diào)試。同時，在不同設(shè)備間使用電纜連接，既升高了系統(tǒng)壓降，也增加了額外的故障點，降低了系統(tǒng)的可靠性，且增加了不必要的電能損耗和運營成本。此外，相當(dāng)規(guī)模的大功率電纜走線，顯著增加了投資建設(shè)成本。敷設(shè)電纜的橋架體積較大也間接阻擋了空間風(fēng)道，進一步降低了制冷效率。

因此，從總擁有成本的經(jīng)濟可行性和保障供配電鏈路的系統(tǒng)可靠性兩個角度分析，傳統(tǒng)供配電的建設(shè)方式都不能達成理想的預(yù)期效果，而且存在一定的弊端，有必要進一步優(yōu)化和改進架構(gòu)。

2 預(yù)制式供配電系統(tǒng)方案架構(gòu)

為了解決上述傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心存在的問題，滿足互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和通信運營商數(shù)據(jù)中心直流供電需求，本文提出了預(yù)制式HVDC供配電系統(tǒng)的設(shè)計思路。

該系統(tǒng)集成了10 kVac配電、隔離變壓、模塊化直流電源和輸出配電單元等環(huán)節(jié)，使得該產(chǎn)品具有高可靠性、高效率、高可用性、高功率容量、高功率密度和高可維護性等特點。單套系統(tǒng)容量可達2.5 MW以上，深度契合和滿足5G時代數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)品化、智能化、高效化、快速部署和平滑過渡等核心需求。以典型應(yīng)用的1.6 MW系統(tǒng)為例，整體布局如圖2所示。

該1.6 MW系統(tǒng)由中壓開關(guān)柜、中壓變壓器柜、交流配電柜、2個HVDC整流柜和2個直流配電柜組成。此架構(gòu)的原理如圖3所示。

中壓變壓器采用Dyn11的干式電力10 kV/0.4 kV變壓器，只有1個次級繞組，工藝成熟簡便，更容易滿足初級繞組引出線的安規(guī)要求。鐵芯采用有取向硅鋼片（其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中晶粒朝向基本一致），熱損耗小，相比傳統(tǒng)的無取向硅鋼片更有利于提高效率到99%以上。絕緣等級為H級。能夠通過熱電偶實時測量各繞組溫度，同時配備強制散熱風(fēng)機，并可以根據(jù)溫度閾值設(shè)定啟停。

圖2 預(yù)制化HVDC供配電系統(tǒng)

圖3 預(yù)制化HVDC供配電系統(tǒng)原理圖

日益增大的設(shè)備負(fù)載對數(shù)據(jù)中心顆粒度提出了更高的要求，業(yè)界通常采用的15 kW中功率HVDC整流模塊已經(jīng)不再適合。本系統(tǒng)中，5個25 kW恒定大功率整流模塊（M1～M5）組成一個125 kW的模組單元G1，單整流柜可以放6個模組單元（G1～G6，即共計30個整流模塊），使得其單整流柜容量達到750 kW，而2個整流柜滿足1.5 MW的功率輸出，柜內(nèi)采取良好的散熱和風(fēng)道設(shè)計，達到了功率密度與溫升的統(tǒng)一。

同時，整流柜上的主監(jiān)控模塊能夠同時采集中壓、變壓器、模塊、直流配電模擬量和開關(guān)量，可實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的全面監(jiān)控和及時下發(fā)控制指令。

2個直流配電柜母線連結(jié)在一起，對實時變化的負(fù)載保持動態(tài)平衡，每臺直流配電柜都可接入多組電池和多個HVDC列頭柜。每臺直流柜具有獨立的配電監(jiān)控，并且都配置支路絕緣檢測功能。在采集直流配電信息上傳后，可以在系統(tǒng)主監(jiān)控模塊和直流配電柜本地同步查詢直流配電信息。

3 預(yù)制式供配電系統(tǒng)特點分析

相比傳統(tǒng)建設(shè)方式，該系統(tǒng)方案可以提升數(shù)據(jù)中心整體供電效率3%以上，減少供配電總投資成本20%以上，節(jié)省占地面積30%以上。除了這些顯而易見的商業(yè)價值以外，該方案還有更優(yōu)的可靠性、可用性和可維護性。

3.1 可靠性分析

整流柜內(nèi)的HVDC整流模塊及其模組單元作為最關(guān)鍵的功率變換環(huán)節(jié)，其可靠性直接決定了整個系統(tǒng)的MTBF。

3.1.1 整流模塊交流輸入側(cè)與負(fù)載輸出側(cè)隔離

在功率變換器的拓?fù)渲?，非隔離電源雖然具有制造成本低、設(shè)計難度小、功率密度高、效率高等優(yōu)點，但由于輸入端和負(fù)載端之間沒有通過變壓器進行電氣隔離而又直接連接，輸入端和負(fù)載端共地，造成抗干擾能力差。

更重要的是，同樣的開關(guān)器件擊穿短路，對于隔離電源只是失去了供電的電源而斷電，不會對負(fù)載本身造成其他影響；對于非隔離電源直接會引起模塊內(nèi)母線短路，進而波及對應(yīng)副邊繞組將故障進一步擴大，見圖4。

圖4 隔離和非隔離整流模塊輸出故障影響示意圖

3.1.2 單個模塊由獨立斷路器控制和保護

為了便于分層次的管控和選擇性保護，一方面每個模組單元中任何1個的整流模塊輸入側(cè)的短路故障，不會引起4個整流模塊同時不工作；另一方面，每個整流模塊有1個獨立的斷路器來下電，在檢修或帶電熱插拔過程中更安全。

3.2 可用性分析

目前，越來越多的運營商COLO（托管租用）和互聯(lián)網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心傾向于市電+HVDC供電的模式，以最大限度地提升PUE指標(biāo)。

在預(yù)制化HVDC供配電系統(tǒng)中，將單系統(tǒng)中的10 kV/0.4 kV變壓器副邊線電壓完全統(tǒng)一為380 V制式，增配交流配電柜的輸出分路就可以在不增加變壓器容量的情況下實現(xiàn)市電和HVDC在低壓配電上的復(fù)用，接到市電+HVDC輸入二合一的列頭柜上，見圖5。

10 kV網(wǎng)側(cè)諧波含量超標(biāo)會給運營過程帶來各種弊端：一是引起設(shè)備的附加損耗，降低整體供電效率；二是加速線路的絕緣老化，縮短設(shè)備壽命；三是繳納電力部門罰款，承擔(dān)不必要的經(jīng)濟損失。GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》4諧波電壓限值中明確要求：10 kV電網(wǎng)標(biāo)稱電壓等級對應(yīng)的電壓總諧波畸變率為4%，如表1所示。

表1 公共電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）

為了確保電網(wǎng)的電能質(zhì)量，防止各類非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，造成電壓波形畸變而影響電網(wǎng)和廣大用戶的安全經(jīng)濟用電，必須在產(chǎn)生諧波的源頭也就是整流模塊上加以治理。其中，最直接有效的方法是設(shè)計PFC整流電路。

圖5 預(yù)制式供配電系統(tǒng)市電+HVDC供電模式

圖6 單系統(tǒng)中壓變壓器檢修方案

盡管移相變壓器等在高壓變頻器等工業(yè)場合應(yīng)用相對廣泛，但是在數(shù)據(jù)中心行業(yè)仍然存在各種工況可能導(dǎo)致諧波超標(biāo)的風(fēng)險。無論是各移相繞組所帶負(fù)載不均衡，還是單個整流模塊或多個整流模塊組成的模組單元因為故障原因不能工作等情景，都會使得只有三相不控整流的整流模塊對應(yīng)的移相繞組的電流幅值相差較大，從而不能有效達到在10 kV網(wǎng)側(cè)抵消掉多次諧波。

3.3 可維護性分析

中壓變壓器作為供配電系統(tǒng)中極為重要的一個環(huán)節(jié)，為了保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要定期檢修和測試。在這種情況下，必須保證在業(yè)務(wù)不發(fā)生中斷的前提下，使得中壓變壓器從中壓配電和低壓配電系統(tǒng)中脫離出來。

對于單系統(tǒng)，在對中壓變壓器檢修時，可以通過分?jǐn)嗥涓边吚@組的總輸出開關(guān)和中壓側(cè)開關(guān)，使用電池備電的方式給負(fù)載設(shè)備供電，如圖6所示。

圖7 雙系統(tǒng)中壓變壓器檢修方案

對于雙系統(tǒng)，在對A系統(tǒng)的中壓變壓器檢修時，可以通過分?jǐn)嗥鋵?yīng)副邊繞組的總開關(guān)和中壓側(cè)開關(guān)及中壓母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，同時閉合A系統(tǒng)和B系統(tǒng)之間的低壓側(cè)母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，保證A系統(tǒng)和B系統(tǒng)兩套HVDC系統(tǒng)同時在線工作，如圖7所示。

這樣就避免了對中壓變壓器例行檢修而導(dǎo)致HVDC變換環(huán)節(jié)全部失電癱瘓而無法正常運行的風(fēng)險。

4 結(jié) 論

綜上所述，以預(yù)制化HVDC供配電系統(tǒng)為代表的新型整體供電解決方案，經(jīng)過技術(shù)論證和詳細對比，在工程可實現(xiàn)性、可靠性、節(jié)能性和經(jīng)濟性等諸多方面都較以往的傳統(tǒng)供配電建設(shè)方式更具優(yōu)勢和合理性，大幅度提升了部署、測試、維護速度，值得規(guī)?；瘧?yīng)用。