固態變壓器不間斷電源在數據中心的應用研究

趙云濤

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

隨著國家“新基建”戰略的推進和“東數西算”工程的實施，數據中心作為算力基礎設施，其建設規模呈現快速增長[1]。國家在2020年提出“雙碳”目標，數據中心如何能綠色低碳高效運行成為目前的研究熱點，持續研究不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）對數據中心供配電系統至關重要，積極探索可靠、高效、消納綠色能源的不間斷電源系統對數據中心實現雙碳有重要意義。本文闡述了不同的不間斷電源系統的特點和應用范圍，介紹了固態變壓器作為不間斷電源在數據中心配電中的實際應用，為數據中心選擇不間斷電源提供了借鑒。

1 不間斷電源系統分析

1.1 交流UPS電源系統

交流UPS電源由變流模塊、靜態旁路、蓄電池組等組成，常用的在線雙變換運行模式效率可達96%[2]。近年來很多UPS產品推出了高級ECO運行模式，在高級ECO模式下，逆變器始終保持“開啟”狀態，與旁路輸入電源并聯運行，但實際并不給負載供電。當主電源發生故障時，逆變器可以完成無縫切換并繼續為負載供電，同時也能可控地吸收負載諧波電流，實現濾波功能。高級ECO運行模式可以提高電能質量，運行效率高于在線雙變換模式。交流UPS電源目前在數據中心應用最廣泛，系統配電鏈路級數多、設備數量多、占地面積較大且成本較高，有些客戶不接受UPS經常運行在高級ECO模式。

1.2 240 V直流電源系統

240 V直流電源系統由交流配電柜、整流柜、直流配電柜以及蓄電池組等組成，電池直掛直流輸出母線，省掉逆變環節，可用性高。整流模塊可以在輕載下進入休眠模式，直流電源效率可達97%，效率高于交流UPS的在線雙變換運行模式[3,4]。240 V直流電源系統配電鏈路級數多，占地面積較大，成本較高，需要信息與通信技術（Information and Communications Technology，ICT）設備支持240 V直流供電，目前主要應用在互聯網行業和運營商機房，其他外租客戶接受度較低。

1.3 巴拿馬電源系統

巴拿馬電源由10 kV中壓柜、移相變壓器柜、整流柜、直流配電柜以及蓄電池組等組成，實現10 kV交流輸入和240 V直流輸出，柔性集成了10 kV配電、隔離變壓、模塊化整流器和240 V直流輸出配電等整個供電鏈路環節，簡化了供電鏈路的多級配電，節省了低壓柜的配置，減少占地面積，工廠預制化可以節省安裝工期，整體鏈路系統效率可達97%～97.5%[5]。巴拿馬電源集成度高，故障時影響面較大，需要ICT設備支持240 V直流供電，目前主要應用在互聯網行業，其他外租客戶接受度較低。

1.4 交流預制化電力模塊系統

交流預制化電力模塊深度融合了變壓器、進線/母聯柜、補償柜、交流UPS主機、交流輸出柜、維修旁路柜等，實現10 kV交流輸入和220 V交流輸出，集成了10 kV配電、變壓器、交流UPS以及交流輸出配電等整個供電鏈路環節，簡化了供電鏈路的多級配電，節省了低壓柜的配置，減少占地面積，工廠預制化可節省安裝工期。交流預制化電力模塊使用的是傳統工頻變壓器，UPS運行在在線雙變換運行模式時整體鏈路系統效率有待提升，目前國內正在推廣，在一些空間受限的場景有所應用。

1.5 固態變壓器系統

固態變壓器（Solid State Transformer，SST）由交流啟動柜（10 kV交流輸入）、功率模塊柜、直流配電柜組成，以電能變換裝置為核心，內部主要由電力電子電路與高頻變壓器等部件構成，高頻變壓器的頻率通常為幾kHz至幾十kHz,甚至上百kHz，通過電力電子電路的控制可實現高壓交流至低壓直流或低壓交流的電壓變換與能量雙向流動，高頻功率變流部分替代了傳統的工頻變壓器、低壓配電柜、變流器，可以實現10 kV交流輸入和240 V直流輸出或交流輸出，是可以應用于數據中心行業的一種新型不間斷電源系統。

以10 kV交流輸入、240 V直流輸出兩端口固態變壓器為例，包含交流10 kV接口和直流240 V端口，10 kV側由3組級聯功率模塊組成，低壓側3組功率模塊并聯接入直流240 V母線段，實現電能的交直流、不同電壓等級的高效變換。主回路拓撲如圖1所示。

圖1 10 kV交流-240 V直流兩端口固態變壓器主回路

固態變壓器一般采用以串聯諧振（Series Resonant Converter，SRC）為基礎的各類變種諧振式電路，實現了軟開關，極大降低了電力電子器件的開關損耗。采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）+移相調制方式，在提高電壓利用率的同時也提升了鏈路傳輸效率，整體系統綜合效率可達到97.5%。同時以高頻替代的方式舍棄了傳統供電中必備的工頻變壓器或移相變壓器，減小了傳統工頻變的空載損耗，且重量相對較輕、噪聲小、方便散熱。

固態變壓器簡化了供電鏈路的多級配電，較傳統交流UPS方案和直流240 V電源方案可節省約50%占地面積，空間利用率更高。工廠預制化的生產方式可節省安裝工期，實現快速部署。設置功率模塊冗余、中壓故障隔離等多級保護，供電系統安全可靠。采用在線智能自動旁路控制技術，實現在系統不停機狀態下故障功率模塊的自動智能旁路功能。

固態變壓器也集成了有源濾波器（Active Power Filter，APF）、靜止無功發生器（Static Var Generator，SVG）功能，可實現電能質量的主動治理，完成諧波補償,可輸出感性無功和容性無功，無須額外配置諧波治理模塊及無功補償裝置，額定工況下10 kV輸入側電流諧波小于1%。

以兩端口固態變壓器為基礎，可以迭代為具備多電壓等級交直流端口的“能量路由器”，適用于風、光、儲等不同元素的靈活接入，減少電能變換環節，能夠主動控制各個端口的功率潮流，實現新能源發電的消納，實現“源網荷儲”高效接入和智能管理。

2 后備電池分析

電池是不間斷電源系統的后備保障，目前廣泛運用于數據中心的電池主要是鉛酸電池，如12 V高倍率鉛酸電池、12 VⅠ類鉛酸電池、2 V高倍率鉛酸電池以及2 VⅠ類鉛酸電池，其中高倍率電池更適用于數據中心15 min短時高倍率放電的場景。近年來，隨著磷酸鐵鋰電池技術的不斷成熟和成本的降低，磷酸鐵鋰電池也開始應用于數據中心場景，且在某些特定場景的優勢逐漸凸顯。

磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池對比分析如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池對比表

磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池相比較，在能量密度、占地面積、使用壽命以及故障更換等方面具有優勢，尤其適合一些房間空間受限的場景，國外數據中心機房開始規模化使用鋰電池，國內也有一些機房在使用鋰電池。

3 實際應用案例

以貴州某“東數西算”數據中心為例，每個樓層機柜功率約2 000 kW，采用一路交流UPS+一路固態變壓器（240 V直流輸出）配電方案。交流UPS方案配置1臺2 500 kVA變壓器、5臺500 kVA的UPS、17面低壓柜，5臺UPS共配置10臺162 Ah/72.57（kW·h）鋰電池柜和5臺81 Ah/36.28 （kW·h）鋰電池柜。固態變壓器方案配置1套2.4 MW系統，考慮了電池充電功率和備用功率模塊容量，包含1臺交流啟動柜、3臺功率柜、2臺直流輸出柜，配置24臺81 Ah/36.28 （kW·h）鋰電池柜，固態變壓器方案比傳統UPS方案節省了占地面積。每個樓層2種方案電源設備平面布置圖如圖2所示。

圖2 機房電源設備平面布局圖

本項目是固態變壓器作為不間斷電源在國家“東數西算”數據中心場景的首次規模化應用，也是固態變壓器電源和鋰電池在國內數據中心的首次規模化配套應用。此項目是國內數據中心新型不間斷電源系統的一次積極探索，豐富了國內數據中心不間斷電源系統的規模化應用方案，對數據中心不間斷電源新技術的研究和應用提供了借鑒。

4 結 論

在國家“雙碳”目標背景下，積極探索高效節能可靠的不間斷電源系統已成為數據中心配電行業的一大趨勢。固態變壓器電源和鋰電池在國內數據中心的配套應用中廣泛接入利用綠色能源，減小了占地面積，提升了設備利用效率，有效降低了碳排放，對于實現“碳達峰”和“碳中和”的目標意義重大。