預制式HVDC供配電系統的研究

吳華勇，王安林，顧 華

（維諦技術有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

大數據時代的到來，使得互聯網產品和服務的需求量與日俱增。作為大數據承載和信息媒體傳輸的數據中心，樞紐地位越來越凸顯，其供配電系統的可靠運行、節能降耗、快速投用、省地建設等諸多現實問題成為從業人員關注的重點。在此背景下，考慮節能環保，減少數據中心機房建設和營運成本，建立創新型供電系統的架構，形成綠色數據中心供電系統勢在必行。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供電系統的架構進行研究。

1 數據中心建設現狀

數據中心的傳統建設模式是中壓配電、中壓變電、低壓配電和低壓供電各個環節都完全割裂，從10 kV中壓輸入到UPS或者HVDC系統輸出之間存在眾多中間設備，放置在不同的房間內。各典型功能區分布見圖1。

需要因地制宜地根據數據中心工程的特點、負荷性質、用電容量、供電條件和節約電能等因素，綜合考量并且合理制定設計方案。

這種布局松散的供配電方式建立了不同功能區的物理間隔，并分割成相互獨立的2 000 kVA或2 500 kVA的變配電子系統，然后在其下掛接300～600 kVA的電源子系統。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，成為當今大型數據中心建設的一個難題。此外，不同機柜都要預留操作和維護空間，極大地浪費了機房的有效面積，降低了空間利用率。

圖1 數據中心供配電系統的傳統建設模式

因為涉及中、低壓供配電不同相關專業工程接口，施工復雜且周期長，各子系統分別交付后需要在現場設備聯合調試。同時，在不同設備間使用電纜連接，既升高了系統壓降，也增加了額外的故障點，降低了系統的可靠性，且增加了不必要的電能損耗和運營成本。此外，相當規模的大功率電纜走線，顯著增加了投資建設成本。敷設電纜的橋架體積較大也間接阻擋了空間風道，進一步降低了制冷效率。

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

2 預制式供配電系統方案架構

為了解決上述傳統數據中心存在的問題，滿足互聯網企業和通信運營商數據中心直流供電需求，本文提出了預制式HVDC供配電系統的設計思路。

該系統集成了10 kVac配電、隔離變壓、模塊化直流電源和輸出配電單元等環節，使得該產品具有高可靠性、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。單套系統容量可達2.5 MW以上，深度契合和滿足5G時代數據中心的產品化、智能化、高效化、快速部署和平滑過渡等核心需求。以典型應用的1.6 MW系統為例，整體布局如圖2所示。

該1.6 MW系統由中壓開關柜、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要求。鐵芯采用有取向硅鋼片（其內部結構中晶粒朝向基本一致），熱損耗小，相比傳統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機，并可以根據溫度閾值設定啟停。

圖2 預制化HVDC供配電系統

圖3 預制化HVDC供配電系統原理圖

日益增大的設備負載對數據中心顆粒度提出了更高的要求，業界通常采用的15 kW中功率HVDC整流模塊已經不再適合。本系統中，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，柜內采取良好的散熱和風道設計，達到了功率密度與溫升的統一。

同時，整流柜上的主監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量，可實現對整個系統的全面監控和及時下發控制指令。

2個直流配電柜母線連結在一起，對實時變化的負載保持動態平衡，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，可以在系統主監控模塊和直流配電柜本地同步查詢直流配電信息。

3 預制式供配電系統特點分析

相比傳統建設方式，該系統方案可以提升數據中心整體供電效率3%以上，減少供配電總投資成本20%以上，節省占地面積30%以上。除了這些顯而易見的商業價值以外，該方案還有更優的可靠性、可用性和可維護性。

3.1 可靠性分析

整流柜內的HVDC整流模塊及其模組單元作為最關鍵的功率變換環節，其可靠性直接決定了整個系統的MTBF。

3.1.1 整流模塊交流輸入側與負載輸出側隔離

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

更重要的是，同樣的開關器件擊穿短路，對于隔離電源只是失去了供電的電源而斷電，不會對負載本身造成其他影響；對于非隔離電源直接會引起模塊內母線短路，進而波及對應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）和互聯網公司數據中心傾向于市電+HVDC供電的模式，以最大限度地提升PUE指標。

在預制化HVDC供配電系統中，將單系統中的10 kV/0.4 kV變壓器副邊線電壓完全統一為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市電和HVDC在低壓配電上的復用，接到市電+HVDC輸入二合一的列頭柜上，見圖5。

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

表1 公共電網諧波電壓（相電壓）

為了確保電網的電能質量，防止各類非線性負載產生的諧波電流注入電網，造成電壓波形畸變而影響電網和廣大用戶的安全經濟用電，必須在產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計PFC整流電路。

圖5 預制式供配電系統市電+HVDC供電模式

圖6 單系統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場合應用相對廣泛，但是在數據中心行業仍然存在各種工況可能導致諧波超標的風險。無論是各移相繞組所帶負載不均衡，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網側抵消掉多次諧波。

3.3 可維護性分析

中壓變壓器作為供配電系統中極為重要的一個環節，為了保障整個系統的穩定運行，需要定期檢修和測試。在這種情況下，必須保證在業務不發生中斷的前提下，使得中壓變壓器從中壓配電和低壓配電系統中脫離出來。

對于單系統，在對中壓變壓器檢修時，可以通過分斷其副邊繞組的總輸出開關和中壓側開關，使用電池備電的方式給負載設備供電，如圖6所示。

圖7 雙系統中壓變壓器檢修方案

對于雙系統，在對A系統的中壓變壓器檢修時，可以通過分斷其對應副邊繞組的總開關和中壓側開關及中壓母線聯絡開關，同時閉合A系統和B系統之間的低壓側母線聯絡開關，保證A系統和B系統兩套HVDC系統同時在線工作，如圖7所示。

這樣就避免了對中壓變壓器例行檢修而導致HVDC變換環節全部失電癱瘓而無法正常運行的風險。

4 結 論

綜上所述，以預制化HVDC供配電系統為代表的新型整體供電解決方案，經過技術論證和詳細對比，在工程可實現性、可靠性、節能性和經濟性等諸多方面都較以往的傳統供配電建設方式更具優勢和合理性，大幅度提升了部署、測試、維護速度，值得規模化應用。