2020年9月,政府宣布采取更加有力的政策和措施,二氧化碳的碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取到2060年前实现“碳中和”。数据中心是耗能大户,规模化应用可再生能源是大环境必然要求。
　　
　　据统计中国数据中心的电费占了数据中心运维总成本的60%～70%。从用电能耗角度来看，光伏是可再生能源，目前性价比较高。储能则可平抑光伏的波动性，还可以充分发挥削峰填谷作用协助节省电费、降低能耗。光伏+储能系统供电将会成为新型数据中心的绿色解决方案。
　　
　　1 常规方案的问题
　　
　　1.1 大规模接入光伏、储能,常规方案存在缺陷
　　
　　(1)不能实现光伏等可再生能源100%带载。10kV变压器为不能双向控制的常规变压器,反向送电将造成电网不可控制的冲击。
　　
　　(2)当光伏等可再生能源输出小于负载时,需要配置微网控制器进行光伏、储能的调度,保证系统平衡稳定。由于光伏输出存在不可预测性,会造成供电母线电压大幅波动,影响供电安全性和供电质量。
　　
　　1.2 长期处于浮充状态的应急电源蓄电池组问题突出
　　
　　(1)目前在线监测技术对于长期处于浮充状态的铅酸蓄电池组,很难准确发现隐患电池,导致串联的蓄电池组存在单体电池开路的风险。
　　
　　(2)长期处于浮充状态的铅酸蓄电池需要定期进行人工操作的全容量离线核实容量，运维问题突出。
　　
　　2 柔性供电系统方案
　　
　　2.1以10kV能量路由器为核心,重构数据中心供电系统电力电子变压器(PET)是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合,实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征电能的静止电气设备。具备变压、隔离、功率双向传输等功能,可以连接主网与微网,实现功率的准确协调和可靠传输。能量路由器(EER)则是多端口电力电子变压器(MTPET)的简称。本方案以模块化多端口10kV能量路由器为核心重构数据中心供电系统。
　　
　　2.2 柔性供电系统方案
　　
　　柔性控制是基于电力电子技术对电能的各个环节进行快速、精确控制的技术。
　　
　　数据中心柔性供电系统基于模块化的电力电子装置组成,包括两路供电链路:一路以10kV能量路由器为核心,采用10kV电力电子固态变压器,光伏、储能作为应急电源,取消常规应急蓄电池组的高压直流供电系统,为机架服务器提供一路电源;另一路采用常规变压器降压、柴油发电机系统为后备电源的交流直接供电链路，给空调、风机等动力负荷供电，提供机架服务器另一路交流直供电源。
　　
　　2.3 运行方式
　　
　　(1)以10kV能量路由器为核心的柔性供电系统
　　
　　正常运行方式:10kV电网电源通过10kV电力电子固态变压器形成DC汇流母线,光伏、储能电能转换模块与10kV电力电子固态变压器组成多电源能量路由器,为机架服务器提供正常高压直流供电;光伏充足时,优先供应数据中心负荷,有多余部分对储能电池充电;储能系统分为两组:一组作为机架服务器应急电源;一组利用峰谷电差进行充放电,按储能模式运行。两组储能系统在监控系统控制下智慧轮换。
　　
　　10kV交流电源停电运行方式:10kV交流停电时,由光伏系统、储能系统作为的机架服务器应急电源供电。即使另一路供电链路10kV交流电源也出现停电,能保证柴油发电机系统自启动后作为后备电源继续为数据中心供电。
　　
　　(2)另一路交流直供电供电系统
　　
　　正常运行方式:10kV电源通过常规变压器输出AC380V电源，供给空调、风机等动力负荷，同时作为交流直供电源为机架服务器提供正常交流供电。
　　
　　10kV交流电源停电运行方式:10kV交流停时,柴油发电机系统自启动,作为数据中心后备电源继续供电。
　　
　　3 方案优势
　　
　　(1)数据中心柔性供电系统以10kV能量路由器为核心,适合大规模接入光伏、储能等分布式电源。
　　
　　(2)光伏、储能通过10kV电力电子固态变压器接入电网,潮流大小方向、电能质量双向可控。
　　
　　10kV电子固态变压器与光伏、储能系统组成10kV能量路由器,可接受来自电网调度的控制。
　　
　　(3)10kV电力电子固态变压器可有效降低DC汇流母线谐波、提高供电电能功率因数,具备完善的保护功能,对供电系统短路电流进行抑制。
　　
　　(4)储能系统双重化配置。一组用于通过峰谷电差节约电费,一组作为机架服务器应急电源,两组储能系统功能在监控系统控制下智慧轮换。
　　
　　(5)柔性供电系统优化了架构设计,精简了长期浮充的应急蓄电池组配置,使用经常充放电的储能系统代替,既解决了长期浮充蓄电池组单体开路隐患,又避免了浮充蓄电池组离线核容等运维工作。
　　
　　(6)系统中10kV电力电子固态变压器、光伏单向DC/DC、储能双向DC/DC、高压直流单向DC/DC等各种电力电子装置全部实现模块化冗余设计。
　　
　　(7)系统在总监控协调下,可对各种电力电子装置进行柔性控制,实现智慧管理。总监控故障,不影响系统正常运行。
　　
　　4 总结
　　
　　数据中心柔性供电系统方案基于电力电子的柔性控制技术,解决目前数据中心供电系统不能大规模接入光伏、储能的问题,大幅减小数据中心电网电能消耗,提高数据中心运营效益;优化数据中心供电系统架构,利用储能系统替代长期浮充状态的应急电源蓄电池组,解决单体电池开路隐患、蓄电池组运维工作量大的问题;通过电能转换装置模块化冗余设计解决模块可靠性、运维方便性问题;通过柔性控制解决系统电压、电流、功率平衡问题,解决电力电子模块工作效率问题。
　　
　　作者简介
　　
　　冷旭东,深圳市泰昂能源科技股份有限公司研究院院长,重庆大学电力自动化专业,高级工程师。专业特长:继电保护、电源技术、微网储能,是并联型直流电源技术的主要发明人。
　　
　　编辑：Harris