上海郵電設(shè)計(jì)咨詢(xún)研究院有限公司 許精巍

本項(xiàng)目建設(shè)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(jī)架數(shù)約3016架，折算平均單機(jī)柜功率約6kW，設(shè)計(jì)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(jì)性，本項(xiàng)目結(jié)合儲(chǔ)能站、變電站優(yōu)勢(shì)，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(lái)推動(dòng)IDC 機(jī)房大規(guī)模建設(shè)。

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(cè)單元等構(gòu)成。當(dāng)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(guò)直流配電單元為設(shè)備供電并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。監(jiān)控模塊主要起到管理與控制系統(tǒng)的作用，對(duì)所分散采集、處理的信號(hào)統(tǒng)一管理；如交流存在輸入故障蓄電池可為設(shè)備供電?？梢钥闯觯绷鞴╇娔孀冎虚g環(huán)節(jié)得到了簡(jiǎn)化，故也減少了損耗，提升了運(yùn)行效率。

1.2 高壓直流供電特點(diǎn)

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(fù)載率更高、節(jié)能休眠功能可提升系統(tǒng)功率；在輸出母線(xiàn)上直接掛上電池，具有更高的可靠性；擴(kuò)容可在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)、拓?fù)浜?jiǎn)單，具有高穩(wěn)定性；模塊化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)按需配置，維護(hù)采用模塊熱插拔，可避免對(duì)廠家維保服務(wù)過(guò)分依賴(lài)[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(shè)計(jì)應(yīng)先進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)問(wèn)題的選取，即要根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)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(jì)性之間選取最優(yōu)方案并作出取舍。第一種為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)來(lái)自同一套高壓直流電源系統(tǒng)雙路輸入至服務(wù)器而存在單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)；第二種為避免系統(tǒng)單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)的高壓直流雙電源系統(tǒng)，其輸入電源分別來(lái)自?xún)商纂娫聪到y(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(diǎn)故障消除，且因有無(wú)需電能轉(zhuǎn)換的交直流兩路電源，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，是新建數(shù)據(jù)中心普遍采用的設(shè)計(jì)方式（圖1）。

圖1 高壓直流供電三種方式

本項(xiàng)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(guò)的10kV 線(xiàn)路降壓至AC380V 形成交流母線(xiàn)，之后由高壓直流系統(tǒng)將其變換整流。從實(shí)際來(lái)看，AC/DC 和與DC/DC 拓?fù)涫怯蒆VDC進(jìn)行級(jí)聯(lián)，是AC380→DC700V240V 的過(guò)程；其次，高壓直流中的DC240V 還與蓄電池進(jìn)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(shè)發(fā)展，本項(xiàng)目采取儲(chǔ)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(duì)比，可為IT 設(shè)備運(yùn)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(chǔ)能并行方案

2.1 供電方式

以本項(xiàng)目用電需求界定負(fù)荷等級(jí)，以此制定相應(yīng)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(dú)立，當(dāng)一電源發(fā)生故障時(shí)另一電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。一級(jí)負(fù)荷由二路電源供電，當(dāng)一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)另一個(gè)電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞，另設(shè)柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。三級(jí)負(fù)荷可采用單電源單回路供電。變壓器按照M(1+1)冗余設(shè)置，同時(shí)使用、互為備用[2]。另外設(shè)置油機(jī)作為備用電源。動(dòng)力負(fù)荷采用放射式與樹(shù)干式相結(jié)合的配電方式，重要負(fù)荷以及大容量負(fù)荷均由變配電室直接引專(zhuān)用回路供電，其它次要負(fù)荷采用樹(shù)干式供電。一級(jí)負(fù)荷采用兩路專(zhuān)用電源供電，并在末端合適區(qū)域采用自動(dòng)切換、自投自復(fù)的方式，一級(jí)負(fù)荷設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源；三級(jí)負(fù)荷采用單電源供電方式。

2.2 并行儲(chǔ)能方案系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

本項(xiàng)目是在儲(chǔ)能站基礎(chǔ)上所建設(shè)的數(shù)據(jù)中心，采用并行直流供電方式。本項(xiàng)目發(fā)揮電廠資源綜合優(yōu)勢(shì)，由于項(xiàng)目選址為停運(yùn)后的熱電廠地塊，地塊依然保留了兩回來(lái)自220kV 變電站的35kV 線(xiàn)路，線(xiàn)路狀態(tài)良好、可繼續(xù)作為項(xiàng)目用電的電源線(xiàn)之一，從而減少了電網(wǎng)供電線(xiàn)路投資。此外，針對(duì)數(shù)據(jù)中心高耗能、用電大戶(hù)的特點(diǎn)，項(xiàng)目擬配套建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)。一方面通過(guò)先進(jìn)的電儲(chǔ)能系統(tǒng)將電網(wǎng)與項(xiàng)目用戶(hù)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(yīng)一次調(diào)頻及無(wú)功等優(yōu)勢(shì)；另一方面在項(xiàng)目端發(fā)揮作用，保證項(xiàng)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(chǔ)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(shí)采用了高壓直流系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)，一個(gè)高效節(jié)能，一個(gè)削峰填谷，兩者并列存在，更加有利于數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)和節(jié)能?；趦?chǔ)能系統(tǒng)的變電站建設(shè)不僅要采集、發(fā)送變電站和儲(chǔ)能站的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，還應(yīng)以電網(wǎng)需要為依據(jù)，從而當(dāng)電力過(guò)剩時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置充電，儲(chǔ)能裝置則在電網(wǎng)電力不足時(shí)向其供電[4]。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)部署

本項(xiàng)目擬配套建設(shè)24MW/72MWh 儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)10kV 廠用電系統(tǒng)并入電網(wǎng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，共分為6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，每個(gè)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(dāng)用電高峰時(shí)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(fù)荷，另一部分經(jīng)過(guò)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(fù)荷由PCS 分別提供功率；平時(shí)用電則采用蓄電池不充不放的方式，DC/DC 直流負(fù)荷由PCS 供給。

三種運(yùn)行方式無(wú)需以其他設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)來(lái)對(duì)供電側(cè)率進(jìn)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(fù)荷比較穩(wěn)定。按峰谷運(yùn)行方式考慮，計(jì)劃每日2充2放；按照每次充放電電量是儲(chǔ)能系統(tǒng)總?cè)萘康?0%進(jìn)行估算，再考慮停役檢修期，儲(chǔ)能電站年運(yùn)行天數(shù)按照350天計(jì)算，儲(chǔ)能系統(tǒng)年放電量為40320MWh。

3 并行方案整體優(yōu)勢(shì)

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

對(duì)于IDC 項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可及時(shí)在電網(wǎng)常規(guī)電源故障情況下提供快速及時(shí)的電力響應(yīng)，保障用戶(hù)的用電可靠性；IDC 與電儲(chǔ)能的深度融合，不僅能通過(guò)峰谷分時(shí)運(yùn)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(chǎng)中大幅節(jié)約IDC 用電成本，從而提高IDC 運(yùn)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)能力；當(dāng)前以調(diào)研結(jié)果為依據(jù)，從供電效率來(lái)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(biāo)一致。

綜上，基于成本及可靠性?xún)?yōu)化角度，高壓直流供電方式在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中的應(yīng)用前景巨大，相較于交流UPS 在效率、成本、擴(kuò)容、可維護(hù)性等方面都有很大優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前直流供電方式已經(jīng)步入了商業(yè)應(yīng)用階段，被行業(yè)廣泛接受和推崇，其相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也陸續(xù)出臺(tái)與更新。

本項(xiàng)目通過(guò)基于高壓直流供電技術(shù)方案提出與電儲(chǔ)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(yīng)一次調(diào)頻及無(wú)功等優(yōu)勢(shì)，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(yùn)行競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，所配套的儲(chǔ)能設(shè)施運(yùn)行及調(diào)控模式靈活，可根據(jù)自身和區(qū)域負(fù)荷特性進(jìn)行電網(wǎng)實(shí)時(shí)削峰填谷模式運(yùn)行，有效緩解區(qū)域用電負(fù)荷的峰谷差，確保區(qū)域電力電量平衡；并可以獨(dú)立主體形式參與電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻市場(chǎng)，接受電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控。