柔性直流配電網電壓等級選擇與數據中心工程設計實踐

李紅軍，姜世公，王云飛，王哲，劉艷茹

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209；2.國家電網公司發展策劃部，北京市 100031)

柔性直流配電網電壓等級選擇與數據中心工程設計實踐

李紅軍1，姜世公1，王云飛1，王哲2，劉艷茹1

(1.國網北京經濟技術研究院，北京市 102209；2.國家電網公司發展策劃部，北京市 100031)

電壓等級是直流配電系統眾多研究內容的基礎，關系到電網結構和布局、電氣設備與設施的設計與制造、電力系統的運行與管理等方面。以柔性直流配電網電壓等級選取方法為目標，研究影響電壓等級序列選擇的內外部因素，分析了設備、直流配電系統的輸送能力和輸送距離等相關約束條件，確立了直流電壓等級的選取原則及中低壓直流電壓等級選擇過程。根據上述研究結果，基于數據中心負荷位置距離、負荷容量、負荷電壓等級、分布式電源接入要求等因素，通過計算確立了實例工程電壓等級為中壓±10 kV，低壓750 V和240 V。結合數據中心供配電可靠性等級要求，提出了數據中心交直流配電網拓撲結構。研究成果可為直流配電網電壓等級選擇和直流配電系統規劃建設提供參考。

直流配電網；電壓等級選擇；輸送距離；輸送容量

0 引 言

伴隨著電力負荷增長和新能源發電技術進步，傳統交流配電網發展遇到了線路走廊緊張、供電容量不足等許多瓶頸，以絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar translator, IGBT)為代表的電力電子技術發展日益成熟，直流配電成為解決傳統配電網問題的一種新途徑。與傳統的交流配電網相比，直流配電網具有省略DC/AC逆變環節，減低能耗；節能變頻類家電一級變流環節，節約能耗，降低用戶采購費用；提高供電系統輸送容量、可控性以及電能質量；易于協調大電網與分布式電源之間的矛盾，充分發揮分布式能源的價值和效益，提高能源利用率等優點[1-4]。另外，隨著電力電子技術的不斷發展，不同電壓等級之間的功率變換和保護等設備也日趨成熟[5-7]，直流配電技術也具備了設備技術基礎。

直流配電技術的發展很大程度上得益于分布式電源發展推動。分布式電源接入后，傳統配電網呈現出有源特征，潮流由單向變為多向。采用直流配電技術后，光伏、燃料電池、風機和燃氣輪機等輸出電能接入直流配電網可省去大量換流環節，提高能源轉換效率。另外，為節省能源，原有交流配電網中的家用負荷多采用變頻技術，而LED照明、電動汽車、計算機等本身就是直流負荷，如果采用直流配電方式可省去大量AC/DC環節，提高能源利用率[8-10]。

為了充分發揮分布式能源效能，分布式電源往往采用微電網形式并入主網。美國、日本、歐洲各國、韓國、中國臺灣等國家及地區已經開展了直流配電網的相關研究工作，并提出了各自的直流配電網概念和發展目標[11-15]，可以預見，直流配電網將成為未來的發展方向。與交流配電網類似，未來直流配電網的發展也應該是由多級組成，規范合理的直流配電電壓等級序列是直流配電網發展中亟待解決的問題。目前，針對這一方面的研究主要集中在直流配電系統末端的低電壓等級選擇方面，文獻[16]研究表明直流400 V作為數據中心供電系統的電壓等級具有較高的效率；文獻[17]對326、230、120和48 V等4種可能的直流電壓等級進行了對比分析，研究結果表明電壓降和電能損耗會隨著直流配電電壓的降低而迅速升高；文獻[18]研究了柔性直流輸電中電壓等級和輸送容量之間的關系，分析了±80 kV和±150 kV柔性直流輸電的經濟性。

目前，針對直流輸配電系統電壓等級的研究主要集中在配電線損、換能損耗和經濟性對比分析等方面，但針對直流配電系統電壓等級選擇的相關研究較少。由于直流配電網中負荷波動大、供電靈活度高、分布式電源接入多以及改造用地成本高等特點，因此對直流配電電壓等級選擇展開專門研究是十分有必要的。

本文基于對影響直流電壓等級的內部和外部因素的分析，總結出目前直流配電設備的發展水平、交直流配電網輸送能力和輸送距離等方面約束條件，結合實例工程項目中分布式電源和負荷的容量、分布特性等方面因素，確定直流配電電壓等級。

1 直流配電網電壓等級選擇的影響因素

電壓等級的選擇是配電網規劃的基礎，既要滿足不斷增長的負荷需求，又要適應未來電網結構的變化，影響直流配電網電壓等級選擇的主要因素主要包括內部和外部兩類因素。

1.1 內部因素

1.1.1 經濟性影響

經濟性對直流配電電壓選擇的影響主要包括運行經濟性和投資經濟性兩方面。電力系統經濟運行是指在保證電力系統安全可靠運行和電能質量符合標準的前提下，盡量提高電能生產和輸送的效率；配電系統規模大、投資大，對構建直流配電網而言，投資經濟性非常關鍵。新建直流配電網、交流配電網直流改造等建設投資，直流一次設備、直流配電線路等設備投資，以及電能損耗費用等，采用不同電壓等級會有不同的結果。合理的直流配電電壓等級要能保證在系統安全穩定可靠運行的前提下，以投資經濟性最優為目標。

1.1.2 技術性影響

系統的安全穩定是電力系統運行的最基本要求，而電壓等級與網絡結構及接線方式密切相關，滿足系統安全穩定的要求，是合理的網絡結構及電壓等級的前提。

(1)電壓質量。采用相同線路參數，輸送相同功率時，電壓降百分數反比于電壓的平方若將直流電壓提高1倍，線路電壓損耗可減小75%。因此，直流配電釆用較高的電壓等級，可以減小電壓損耗，提高線路末端的電壓質量。

(2)電氣絕緣。相同有效值電壓的交、直流電場施加于絕緣時，交流電壓的峰值約為直流電壓峰值的1.7倍，因此對絕緣介質的絕緣強度要求比直流嚴格。相較交流配電方式，同絕緣水平的電纜應用于直流可以運行于較高的電壓，這是采用直流配電的優勢。但是，考慮到過高的電壓等級會導致絕緣要求增加，受空間資源和設備費用限制，直流電壓等級選擇不宜太高。

(3)供電可靠性。隨著信息社會的蓬勃發展，計算機、辦公和家用設備對供電電源的可靠性要求越來越高。傳統交流配電系統中，通常使用不間斷電源(uninterrupted power supply, UPS)來滿足電源可靠性的要求。對于直流配電系統，不僅省去了整流、逆變等環節，而且更便于超級電容和蓄電池等儲能裝置的接入，在一定程度上相當于將原來分散于用戶的UPS集中起來，減少用戶事故備用，提高供電可靠性和整體經濟性。另外，因為直流線路不存在頻率穩定和無功功率等問題，故供電可靠性相對較高。但是，較高的配電電壓等級，意味著單條饋線上的負荷也顯著增加，當饋線發生故障時將有更多的客戶遭受停電威脅。

1.2 外部因素

1.2.1 社會發展

目前，釆用直流配電的行業主要有城市軌道交通、通信信息系統、船舶系統等。隨著社會的發展，直流供電的需求和優勢得到越來越顯著的體現，金融信息系統、大型樓宇供電系統也開始進行直流供電的探索，制定科學合理的直流配電電壓等級，要考慮適應這些行業對電能質量、供電可靠性的高要求。因此，社會發展影響著直流供電制式及合理電壓等級的選擇。

1.2.2 經濟發展影響

隨著社會經濟的不斷發展，經濟總量的攀升使得用電量快速增長，這就要求配電系統輸送更大的容量，保證電力滿足國民經濟發展需要，降損和提高電力使用效率非常重要。另外，配電系統還要適應產業結構的變化調整，隨著第三產業及其用電的比重提高，中壓配電網供電的比例相應提高，因此需要加強中壓配電網的結構，提高供電能力，并采用合理的電壓等級。

1.2.3 技術發展的影響

大容量IGBT等電力電子器件的商業應用，使得更接近于配網電壓等級的輕型直流輸電逐步得到推廣；直流配電網用電壓源型換流器、直流變壓器、斷路器等基礎設備的發展水平對直流配電網的可靠性、效率有著最直接的影響；儲能技術的發展和應用，能提高系統效率和設備利用率，增加備用容量，提高系統供電質量，保障電網應急電能供應，抑制由于大規模新能源接入造成的穩定性影響。

1.2.4 電源構成的影響

隨著分布式發電技術的發展，常規電網需要接納越來越多的分布式能源(distributed generation, DG)，而此類電源主要接入配電網，即配電網將發展成為內部具有電源的主動配電網，使配電網成為能夠整合分布式能源和微網的配電網絡。因此，未來的配電網應能夠接納風能、太陽能等新能源發電的大規模、分布式并網，便于各種分布式電源和儲能裝置的接入。

1.2.5 負荷需求的影響

未來配電網中的直流負荷將占越來越大的比重，特別是在辦公區、住宅區和學校等非工業負荷區，直流負荷將逐漸占據主導地位，建立直流配電網將減少電力變換環節，大幅提高供電效率。負荷對電源需求的變化，使得發展直流配電技術將成為必然的要求。因此，在選擇直流配電電壓等級的時候要充分考慮負荷的需求。

2 直流配電網電壓等級選擇的約束條件及選擇過程

綜合分析目前直流配電網發展情況，中壓電壓等級選擇應與交流系統匹配，低壓電壓等級選擇較為靈活，但應與用戶負荷匹配。另外，在選擇電壓等級時要綜合考慮目前直流配電設備發展水平、不同電壓等級的輸送容量和輸送距離等方面約束。

2.1 換流設備水平及配電方式

目前適用于柔性直流配電系統的換流器主要有兩電平或三電平電壓源換流器和模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)。兩電平電壓源型換流器(voltage source converter, VSC)拓撲多采用壓接式IGBT，每個橋臂由多個IGBT元件串聯組成，具有結構簡單、緊湊等優點，但存在輸出電平數少，波形畸變較為嚴重，環流閥承受的電壓幅值較高，開關頻率較高時損耗較大等缺點；對于三電平VSC，每橋臂包含4組開關管及2個鉗位二極管，相對兩電平結構輸出電平數增加，換流閥所承受的電壓下降了一半，但存在直流電容電壓不平衡的問題；采用MMC結構的VSC，每個橋臂由若干個相互連接且結構相同的子模塊與一個電抗器串聯構成，運行過程中能夠實現低電平臺階變化的多電平電壓輸出，降低了電壓變化的幅度和梯度，有效緩解了換流器閥承受的電氣應力，具有較優的波形品質及較低的諧波含量，采用模塊化設計方式，易于擴展應用靈活，但由于電容元件分布在子模塊中，電容均壓較為困難，并且同樣的直流電壓等級下所使用的開關器件數為兩電平VSC串聯時的2倍。因此，直流電壓等級的選擇要考慮換流站發展水平及經濟性等方面。

直流輸配電主要有單極傳輸和雙極傳輸兩種方式。單極傳輸的容量易受到入地電流大小的制約，但建設改造成本低；雙極傳輸容量大，靈活性和可靠性高，但建設成本高。從長遠角度考慮，直流配電網采用雙極傳輸方式更為合理。此外，雙極傳輸相當于提供了更多的電壓等級選擇，如±750 V可用作1.5 kV，±325 V可用作750 V，這種等級設定可有效減少變壓環節。

2.2 線路輸送能力

2.2.1 交直流線路載流量分析

架空線路大多采用鋁絞線，20世紀七八十年代起大量應用鋼芯鋁絞線等復合材料導體，鋼芯主要承受機械拉力，而由1層或多層鋁線絞合的部分則承受導電作用。架空線路導體穩態運行時的載流量為

(1)

式中：pr為輻射熱損耗；pc為對流散熱損耗；ps為太陽輻射熱；RT為工作溫度下的導體單位長度交流電阻。

由式(1)可知，影響架空線路載流量的主要因素為熱損耗及線路電阻，考慮到交直流架空線路上述參數相差不大，因此直流配電系統載流量分析過程中可用交流載流量代替，導體截面積分別為120,240 mm2條件下，架空線路載流量為380, 610 A。

電纜載流量計算是依據電纜穩態運行時所形成的物理溫度場微分方程求解得到的，根據電纜用于交流系統還是直流系統以及敷設方式的不同，其計算形式也有所不同。另外，空氣中敷設時是否受到陽光照射也對電纜載流量有一定影響。通用的導體額定載流量為

(2)

式中：Δθc為高于環境溫度的導體溫升；Wd為導體絕緣單位長度的介質損耗；T1為導體和金屬套之間單位長度熱阻；T2為金屬套和鎧裝之間內襯層單位長度熱阻；T3為電纜外護層單位長度熱阻；T4為電纜表面和周圍介質之間單位長度熱阻；n為電纜中載有負荷的導體數；λ1為電纜金屬套損耗相對于所有導體總損耗比率；λ2為電纜鎧裝損耗相對于所有導體總損耗的比率。截面積與載流量的對應關系如表1所示。

表1 不同截面交直流電纜的載流量對比
Table 1 Transfer current comparisons between DC cables and AC cables with different conductor sections

2.2.2 交直流配電網輸送能力對比分析

由于直流配電無渦流損耗和集膚效應，故輸送容量高于同等級的交流輸電。以直流雙極系統和三相交流系統為例：

(3)

式中：Pdc、Pac分別為直流輸送功率和交流輸送功率；Udc、Uac分別為單級直流電壓和交流相電壓；Idc、Iac分別為直流電流和交流相電流；a為相數；ki為直流配電容量增益系數，一般取1.2；cosφ為交流系統的功率因數，一般取0.95。

基于載流量分析結果，計算10 kV電壓等級不同導線截面的交直流架空鋁導線輸送容量如表2所示。

表2 10 kV電壓等級交直流架空線路輸送容量對比
Table 2 Transmission capacity comparison of 10 kV AC/DC overhead lines

另外，由式(2)可知，相同電纜絕緣強度和電流有效值下，直流雙極系統可輸送的功率大約是對應三相交流輸電系統的1.18倍。另外，交流地下電纜由于受對地電容的影響，無功功率難以得到補償，大容量、長距離電能傳輸難度大，而直流電纜無此問題，在城市負荷集中地區，可通過直流低壓大電流傳輸來滿足需求。表3給出了導線截面為300 mm2時交直流電纜輸送容量的對比結果。

表3 交直流配電系統輸送容量對比(cosφ=0.95)
Table 3 Transmission capacities comparison between AC/DC distribution power system (cosφ=0.95)

2.3 輸送距離

對于雙極直流配電系統，電壓損耗率可表示為

(4)

式中：Udc為直流電壓；Rd為直流線路的等效電阻；Pdc為線路傳輸功率。

則供電距離與直流配電電壓等級的關系為

(5)

式中：r0為線路單位電阻；L為配電距離。

參照《電能質量供電電壓允許偏差》(GB12325—2008)中關于交流50Hz系統電壓偏差規定，相同電壓等級的直流配電系統選擇相同供電電壓偏差，即30kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%，20kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%。表4、5分別給出了10kV電壓等級極限輸送容量條件下不同導線截面的交直流架空線路和電纜輸送距離的對比。由對比結果可知，10kV等級下的交直流配電系統中，直流架空線路輸送距離約為交流架空線路的2.7～3.2倍，直流電纜輸送距離約為交流電纜的2.1倍。

表4 交直流架空線路輸送距離對比
Table 4 Transmission distance of AC/DC overhead power lines

表5 交直流電纜輸送距離對比Table 5 Transmission distance comparisons of AC/DC power cables

2.4 電壓等級選擇過程

電壓等級選擇過程中應充分考慮換流設備制造水平、負荷容量、輸送容量、輸送距離等相關因素之間的匹配程度。

對于中壓直流電壓的選址，首先通過計算分析明確各電壓等級的輸送容量范圍、輸送距離，輸送容量的確定應根據現有典型規格電纜的載流量進行計算；其次，在中壓直流電壓等級制定的過程中要考慮交直流電壓之間的匹配程度，此過程還要分析換流站等相關設備的制造能力和水平；再次，分析供電區域內的直流負荷容量、換流站地理分布位置，確定輸送距離和供電容量，并確定換流設備容量；最后，根據負荷供電容量和輸送距離，對比中壓各電壓等級的適用范圍及設備制造能力，確定中壓直流電壓等級。在此過程中，如果某級電壓供電能力無法滿足負荷需求，可考慮提升電壓等級或選擇大截面線纜，但需進行技術經濟性對比。

對于低壓直流電壓等級的選擇，首先充分考慮供電區域直流負荷、各類分布式電源和儲能裝置的接入電壓等級要求及容量配比關系；其次，分析直流電力電子變換設備的制造能力、各等級輸送距離和容量，最終確定低壓直流電壓等級的選址。電壓等級選擇過程如圖1所示。

圖1 中低壓直流電壓等級選擇過程Fig.1 Selecting process of medium and low voltage levels

3 直流配電網電壓等級選擇

3.1 負荷、分布式電源及配電網建設情況

假設數據中心規劃建設18 MW服務器負荷，考慮其他網絡設備一類負荷，預計直流負荷將達20 MW以上。考慮到園區內通勤、檢修需要，規劃建設3臺40 kW一體式直流充電機，可同時滿足6輛電動車充電需求，此時電動汽車負荷為120 kW；規劃建設屋頂光伏200 kW，為提高分布式能源消納能力，抑制光伏出力波動，儲能與光伏電源采用1∶1配置。

該項目已通過規劃建設110 kV變電站解決其用電負荷供電問題，變電站低壓側出線為交流10 kV，具備換流站的接入條件，變電站距離數據中心大約6 km。

3.2 直流電壓等級選擇

3.2.1 中壓直流電壓等級的選擇

目前，MMC結構的柔性換流站具有模塊串聯技術風險較小、無需濾波裝置、開關頻率低、損耗小、開關器件應力小、模塊化設計、便于安裝和維護等優點。綜合考慮成本及效率等因素，目前10 kV AC/20 kV DC 及以下等級的MMC結構換流站研制較為成熟，并已具備工程應用條件。

數據中心采用分模組供電方案，本文電壓等級的選擇也是根據單個模組的供電需求展開分析，可為6 MW左右直流負荷供電，考慮其他網絡設備電動汽車等負荷，預計直流負荷為7～8 MW。

根據前述分析，±10 kV直流電壓等級輸送容量范圍為7.7～13.28 MW，采用240 mm2及以上電纜輸送距離可超過7.5 km。另外，考慮規劃交流配電網所具備的接入條件，換流站交流側就近接入已規劃110 kV變電站的10 kV出線，供電距離約6 km左右。因此，綜合分析負荷供電容量及供電需求、換流設備制造能力、交流接入條件等信息，選擇中壓直流電壓等級為±10 kV，換流站容量為10 MW，電纜線路導線截面為240 mm2。

3.2.2 低壓直流電壓等級的選擇

直流電源為240 V，交流電源為380 V。為保證供電可靠性，兩側電源互為備用，系統正常工作時交直流各為50%負荷供電，當一側電源發生故障時另一側電源負責為全部負荷供電。規劃建設屋頂光伏200 kW，儲能容量與光伏采用1∶1配置。綜合分析，服務器類直流負荷容量占比較大，電壓等級的選擇應盡量與其接入電壓匹配；參考交流分布式電源接入配電網相關技術標準要求，光伏、儲能及電動汽車等可通過DC/DC變換器接入低壓配電網；中低壓之間以及各類分布式電源、負荷接入低壓直流配電網用的DC/DC變換器的研制較為成熟，具備工程應用條件。因此，低壓直流配電網電壓等級擬選擇為750和240 V。

3.3 柔性直流供電拓撲方案

實際工程直流配電網拓撲采用輻射式結構，110 kV變電站10 kV出線經過換流站變換至±10 kV接至中壓直流母線I，數據中心供電模組通過DC/DC變換器接入該段中壓母線，DC/DC變換器輸出為直流240 V，為數據中心服務器直流側提供供電電源；中壓直流母線I與中壓直流母線II之間采用常閉直流開關構成單聯絡，中壓直流母線II和750 V低壓直流母線之間采用DC/DC變換器相聯，電動汽車充電站、屋頂光伏、儲能等經DC/DC變換器接入750 V低壓直流母線，具體拓撲結構如圖2所示。

圖3為數據中心單模組配電結構。用戶原有配電結構依據Uptime數據中心可用性TIER3等級，每個模組最大可為2萬臺服務器供電，柴油發電機組采用N+1配置，其交流出線通過可控開關分別與2段10 kV交流母線相連，2段10 kV交流母線之間通過母聯相連。2段低壓380 V交流母線分別通過變壓器與10 kV交流母線相連，同時2段低壓交流母線之間通過母聯開關相連。根據數據中心可靠性相關要求，2段中壓交流母線和2段低壓交流母線之間的開關分別采用“5選2”和“3選2”配置，并且列頭柜和整流器輸出之間并入蓄電池單元。對于空調、照明等其他類型負荷通過開關柜接入低壓交流母線。

根據用戶單模組配電結構，方案中的中壓直流母線通過DC/DC降壓接至240 V低壓直流母線，2段低壓直流母線之間采用聯絡開關構成單聯絡，低壓直流母線出線作為服務器直流供電電源。采用推薦直流配電方案后，用戶現有配電結構未做較大調整，在原有交流10 kV電源、柴油發電機和蓄電池基礎上增加了1路240 V直流電源，進一步提高了服務器一類直流負荷的供電可靠性；另外，新增的240 V直流供電電源無需經過變換直接接入用戶列頭柜，提高了用戶的供電效率，降低了用電成本。

圖2 直流配電網結構Fig.2 DC distribution network structure

圖3 數據中心單模組供電結構Fig.3 Power supply structure of single module in data center

4 結 論

本文以分析經濟性和安全性等內部因素以及社會、經濟、技術、電源構成和負荷需求等外部因素對電壓等級選擇的影響為基礎，量化對比分析了交直流配電系統各中壓電壓等級的輸送容量和輸送距離，證明了直流配電系統相對于交流配電系統的優越性，提出了直流配電系統電壓等級選擇的約束條件及中/低壓電壓等級的選擇過程。最后，根據工程所在區域內直流負荷容量、位置分布、接入電壓等級、屋頂光伏和儲能容量等相關情況，基于本文提出的電壓等級選擇方法，確定了電壓等級為中壓±10 kV、低壓750 V和240 V，并提出了直流配電網結構和數據中心單供電模組接入方案。

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(編輯 蔣毅恒)

Voltage Selection of VSC-DC Distribution Network and Project Design Application on Data Center

LI Hongjun1, JIANG Shigong1, WANG Yunfei1, WANG Zhe2, LIU Yanru1

(1.State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2. Department of Development and Planning, State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

The voltage selection is the basement of many research contents in DC distribution network which concerns the structure and layout of grid, the design and manufacture of electrical equipment, and the operation and management of power system. Taking the voltage selection method of VSC-DC distribution network as purpose, this paper studies the internal and external factors which can impact the voltage selection, analyzes the constraint conditions including the transmission capacity and distance of equipment and DC distribution system, and confirms the DC voltage selection principle and the process of middle-low voltage DC voltage selection. According to the research results, we calculate and determine that the middle voltage in engineering project is ±10kV and the low voltage is 750V and 240V, based on the load distance, the load capacity, the load voltage, the access requirements of distributed generation and other factors in data center. Combined with the reliability level requirements of power supply and distribution in data center, we propose the topological structure of AC/DC distribution network data center. The research results can provide theoretical reference for the voltage selection and planning of DC distribution power system in the future.

DC distribution network; voltage selection; transmission distance; transmission capacity

TM 751

A

1000-7229(2016)05-0138-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-03-01

李紅軍(1971)，男，工學博士，高級工程師，主要從事交直流配電網規劃、設計等方面的研究工作；

姜世公(1983)，男，工學博士，工程師，主要從事交直流配電網電壓等級、網架結構等方面的研究工作；

王云飛(1979)，男，工學碩士，高級工程師，主要從事交直流配電網規劃等方面的研究工作；

王哲(1983)，男，工學博士，高級工程師，主要從事交直流配電網規劃等方面的研究工作；

劉艷茹(1985)女，工學碩士，工程師，主要從事交直流配電網規劃等方面的研究工作。