論數據中心項目高壓直流供電方式的應用

上海郵電設計咨詢研究院有限公司 許精巍

本項目建設一棟建筑面積20000平方米數據中心樓、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。可容納機架數約3016架，折算平均單機柜功率約6kW，設計總功率為18096kW，綜合PUE為1.2554。為提高數據中心配電效率與經濟性，本項目結合儲能站、變電站優勢，采取并行直流吸引供電系統方案，形成具有統一、合理的管理一體化直流供電系統，從而使更具能量轉換高效率、高可靠性、低成本的配套電源來推動IDC 機房大規模建設。

1 傳統高壓直流供電方式

1.1 系統原理

高壓直流系統主要包括交流配電單元、蓄電池、直流配電單元、整流模塊、監控模塊、電池管理單元、絕緣監測單元等構成。當兩路交流正常輸入，交流配電單元由交流切換裝置輸入一路交流，整流模塊將交流轉換為直流，通過直流配電單元為設備供電并對蓄電池進行充電。監控模塊主要起到管理與控制系統的作用，對所分散采集、處理的信號統一管理；如交流存在輸入故障蓄電池可為設備供電。可以看出，直流供電逆變中間環節得到了簡化，故也減少了損耗，提升了運行效率。

1.2 高壓直流供電特點

基于高壓直流供電技術原理，其因所輸入的功率因數高、諧波小，負載率更高、節能休眠功能可提升系統功率；在輸出母線上直接掛上電池，具有更高的可靠性；擴容可在線實現、拓撲簡單，具有高穩定性；模塊化設計可實現按需配置，維護采用模塊熱插拔，可避免對廠家維保服務過分依賴[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。

高壓直流供電系統設計應先進行系統架構問題的選取，即要根據項目特點在幾種供電系統結構中基于安全性、可靠性、工程經濟性之間選取最優方案并作出取舍。第一種為結構簡單，投資小的方案：高壓直流單電源系統雙路供電。但該方式電源側因都是通過來自同一套高壓直流電源系統雙路輸入至服務器而存在單點故障的風險；第二種為避免系統單點故障風險的高壓直流雙電源系統，其輸入電源分別來自兩套電源系統，但由于采用2N 系統配置，使系統存在較大冗余度，投資成本高；第三種為市電+高壓直流雙路供電，該方式使系統單點故障消除，且因有無需電能轉換的交直流兩路電源，提高了系統運行效率，是新建數據中心普遍采用的設計方式（圖1）。

圖1 高壓直流供電三種方式

本項目初期擬采用高壓直流供電方式，首先由變壓器將所經過的10kV 線路降壓至AC380V 形成交流母線，之后由高壓直流系統將其變換整流。從實際來看，AC/DC 和與DC/DC 拓撲是由HVDC進行級聯，是AC380→DC700V240V 的過程；其次，高壓直流中的DC240V 還與蓄電池進行了并聯，以此作為備用。為了符合綠色數據中心建設發展，本項目采取儲能、數據中心和變電站并行方案，與傳統高壓直流方案對比，可為IT 設備運行安全性、高效率、環保等方面提供更為有力的保障，以利于能量統一控制、提高能量轉換效率。

2 基于高壓直流的儲能并行方案

2.1 供電方式

以本項目用電需求界定負荷等級，以此制定相應供電方案。本期用電自園區內變電站不同變壓器各引兩路10kV 高壓供電，按2N 配置，A、B 兩路電源相互獨立，當一電源發生故障時另一電源不應同時受到損壞。一級負荷由二路電源供電，當一個電源發生故障時另一個電源不應同時受到損壞，另設柴油發電機作為備用電源。三級負荷可采用單電源單回路供電。變壓器按照M(1+1)冗余設置，同時使用、互為備用[2]。另外設置油機作為備用電源。動力負荷采用放射式與樹干式相結合的配電方式，重要負荷以及大容量負荷均由變配電室直接引專用回路供電，其它次要負荷采用樹干式供電。一級負荷采用兩路專用電源供電，并在末端合適區域采用自動切換、自投自復的方式，一級負荷設置柴油發電機作為備用電源；三級負荷采用單電源供電方式。

2.2 并行儲能方案系統優勢

本項目是在儲能站基礎上所建設的數據中心，采用并行直流供電方式。本項目發揮電廠資源綜合優勢，由于項目選址為停運后的熱電廠地塊，地塊依然保留了兩回來自220kV 變電站的35kV 線路，線路狀態良好、可繼續作為項目用電的電源線之一，從而減少了電網供電線路投資。此外，針對數據中心高耗能、用電大戶的特點，項目擬配套建設儲能系統。一方面通過先進的電儲能系統將電網與項目用戶融合在一起，具有改善區域電網的電能質量、提高電網可靠性、快速響應一次調頻及無功等優勢；另一方面在項目端發揮作用，保證項目的電能質量，起到后備電源的作用[3]。

本文所提出的基于儲能變流器的并行直流吸引供電系統是數據中心同時采用了高壓直流系統和儲能系統，一個高效節能，一個削峰填谷，兩者并列存在，更加有利于數據中心的運營和節能。基于儲能系統的變電站建設不僅要采集、發送變電站和儲能站的各項數據，還應以電網需要為依據，從而當電力過剩時實現儲能裝置充電，儲能裝置則在電網電力不足時向其供電[4]。

2.3 儲能系統部署

本項目擬配套建設24MW/72MWh 儲能系統通過10kV 廠用電系統并入電網。儲能系統采用標準模塊化設計，共分為6個標準模塊，每個模塊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。當用電高峰時段，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 直流負荷，另一部分經過PCS 向電網流入；用電低谷階段采用蓄電池充電方式，蓄電池與DC/DC 直流負荷由PCS 分別提供功率；平時用電則采用蓄電池不充不放的方式，DC/DC 直流負荷由PCS 供給。

三種運行方式無需以其他設備運行狀態來對供電側率進行改變，由于DC/DC 只需高壓側定功率以及低壓側定電壓，直流負荷比較穩定。按峰谷運行方式考慮，計劃每日2充2放；按照每次充放電電量是儲能系統總容量的80%進行估算，再考慮停役檢修期，儲能電站年運行天數按照350天計算，儲能系統年放電量為40320MWh。

3 并行方案整體優勢

基于能夠對站內設備利用率大幅度提升、達到節約資源的目的，所提出的儲能系統+高壓直流供電方式、即對儲能電站PCS 冗余容量直流數據中心供電策略的優勢如下：

對于IDC 項目來說，儲能系統響應速度快，可及時在電網常規電源故障情況下提供快速及時的電力響應，保障用戶的用電可靠性；IDC 與電儲能的深度融合，不僅能通過峰谷分時運行起到平衡區域內峰谷電量的作用，有效緩解區域電力平衡壓力的作用，而且可在電力市場中大幅節約IDC 用電成本，從而提高IDC 運營競爭能力；當前以調研結果為依據，從供電效率來看，變壓器效率大約在97%、PCS 約為97%、高壓直流供電效率約為95%，兩種供電效率目標一致。

綜上，基于成本及可靠性優化角度，高壓直流供電方式在現代數據中心項目中的應用前景巨大，相較于交流UPS 在效率、成本、擴容、可維護性等方面都有很大優勢，當前直流供電方式已經步入了商業應用階段，被行業廣泛接受和推崇，其相關行業標準規范也陸續出臺與更新。

本項目通過基于高壓直流供電技術方案提出與電儲能深度融合創新方案，改善了區域電網的電能質量、提高電網可靠性、快速響應一次調頻及無功等優勢，并起到后備電源的作用，保障數據中心能源輸出的穩定性，提高運行競爭力。同時，所配套的儲能設施運行及調控模式靈活，可根據自身和區域負荷特性進行電網實時削峰填谷模式運行，有效緩解區域用電負荷的峰谷差，確保區域電力電量平衡；并可以獨立主體形式參與電網的調峰調頻市場，接受電網調度監控。