基于雙臺電力電子變壓器并聯運行的數據中心配電系統研究

郭添俊 劉美集

摘要：在城市用電配電側，交直流混合系統因其具有消納多類型能源、滿足用戶多元化用能需求、實現多能互補、提高電網安全性等優點被廣泛研究。本文針對數據中心用能需求及分布式可再生能源消納等問題，提出一種基于雙臺電力電子變壓器并聯運行的數據中心配電系統。本文研究了數據中心配電系統架構、電力電子變壓器特征及系統運行控制技術等。為數據中心建設提供一種分布式能源高效消納及安全可靠系統，對促進未來配電網側廣泛消納多類型能源的系統建設提供參考。

關鍵詞：數據中心;電力電子變壓器;分布式可再生能源;系統運行控制

0? 引言

隨著大數據、云計算和物聯網等信息技術的飛速發展，數據量急速增長[1-4]。目前，全球數據量每年增長達50%。近年來，中國的互聯網技術已處于世界領先水平，產生的數據量十分龐大。隨著單機柜功率和數量不斷增加，能耗問題日益凸顯，給數據中心配電系統帶來一些新的挑戰[5-6]。傳統數據中心配電系統主要分為交流配電系統和直流配電系統。數據中心傳統交流配電系統結構圖如圖1所示，電網到直流負荷之間需經過整流、逆變、整流的交直交直多次變換，每次電能變換均會產生損耗，降低系統效率，增加系統成本，且過多的中間環節也會影響系統的可靠性[7-15]。數據中心直流配電系統結構圖如圖2所示，相比于交流系統，其中間電能變換環節較少，且沒有傳統UPS的諧波問題，提高了系統的可靠性和運行效率，降低了系統成本。正是直流系統的上述優點，使得其應用越來越廣泛。

無論是交流還是直流配電系統，傳統數據中心配電系統具有以下缺點：電能變換次數較多，效率較低;很難實現分布式可再生能源的高占比、高效消納;輸出電壓等級單一;仍需大體積工頻變壓器，占地面積大。針對現階段數據中心配電系統存在的問題，本文圍繞數據中心用電特性，提出了一種基于雙臺電力電子變壓器并聯運行的數據中心配電系統，該系統以電力電子變壓器為核心設備，研究了系統運行控制、多能互補優化等關鍵技術[16-19]。該系統的建成可實現分布式可再生能源、多形式儲能等的高效接入，實現資源優化配置，提高經濟效益。

1? 數據中心配電系統架構

針對上述數據中心供電需求，建設配用電雙級混聯、多能互補的分布式可再生能源交直流混合示范工程，實現可再生能源的高占比接入及數據中心配電網的高效率運行。該系統包含光伏、風機、光熱發電及熱利用系統、儲電系統。通過多端口多功能電力電子變壓器集群實現多種分布式可再生能源高比例接入、交直流配用電多級混聯。通過儲電、儲熱等綜合儲能系統，實現源、網、荷高效互補，同時改善多種分布式能源高比例接入對電網的影響。數據中心基于電力電子變壓器并聯運行的配電網系統應用方案如圖3所示，該方案采用雙回10 kV市電線路進線，分別接兩臺2 MW電力電子變壓器，兩臺變壓器互為熱備用。

2 電力電子變壓器特征分析

電力電子變壓器（PET）是實現交直流混合系統高效運行的核心設備，其通過高效率電力電子拓撲技術、高頻磁性元件設計技術、高隔離等級模塊一體化設計技術，實現不同端口間的電能轉換及電氣隔離，典型PET拓撲結構如圖4所示。相比于傳統工頻變壓器，PET具有以下優點：1） 多端口設計，可實現不同電壓類型、不同電壓等級的雙向功率控制;2） 方便不同電壓類型新能源系統高效接入，減小接入時的電能變換環節，提高新能源系統應用效率;3） 隔離變壓器采用中高頻變壓器，所需導線及鐵心材料更少，減小了變壓器的體積;4） 電力電子變壓器可實現功率因數、副邊電壓的控制。

本文研究的PET包含10kV/±375V 直流、10kV/380V 交流四個端口，低壓側并聯、高壓側串聯的模塊化串并聯結構，低壓側采用并聯的結構可以高效率的擴容;高壓側采用串聯結構直接升壓至中壓配電網電壓等級，并且以多電平的形式出現，有利于減小濾波電感。內部系統采用高頻變壓器隔離，有利于減小變壓器體積，提高系統功率密度。高頻部分采用軟開關技術，有利于提高高頻部分的效率，減少損耗。功率模塊采用碳化硅寬禁帶器件，具有耐高溫、耐高壓、高效率等特點。在交直流混合系統中電力電子變壓器的作用包括：1） 不同電壓類型、電壓等級的能量高效、雙向流動;2） 分布式可再生能源的靈活高效接入;3） 幅值、相位、頻率調節功能，高壓交流端口具備諧波抑制及無功補償功能;4） 具備一定的自檢、故障容錯和系統恢復能力。

3 系統運行控制

3.1 電力電子變壓器的集群協同控制

電力電子變壓器集群控制是將兩臺或者兩臺以上電力電子變壓器進行能量端口組合，通過主動協調控制，整體具備靈活電能路由和高效能量管理的功能。集群控制以提高系統能效為目標，通過集中式或分級的協同控制機制，優化分配各電力電子變壓器端口的能量大小，使得設備和系統高效運行。

3.2 系統運行控制目標

為實現交直流混合分布式系統的區域自治、云端互聯、智能化水平，提高可再生能源的消納性，開發了多能協調控制系統、“源-網-荷-儲”能量管理系統、基于云平臺的分布式可再生能源運行管理系統，并對系統運行提出了如下運行控制目標：1） 通過運行控制系統，實現交直流混合分布式系統的區域自治、云端互聯;2） 通過多能協調控制系統的控制，依托多功能電力電子變壓器、故障電流控制器等關鍵設備，實現交直流混合分布式系統的穩定運行，同時，基于多種運行模式柔性切換，提高系統靈活性和穩定性;3） 通過能量管理系統的優化調度，使得系統中的各類可再生能源實現最大化利用，并實現單個交直流混合分布式系統的智能化運行;4） 通過云端運行管理系統的聚類融合，實現多個分散系統的信息融合和共享，并基于云平臺，實現多個交直流混合分布式系統的統一運營管理;5） 通過運行控制系統，并結合保護系統，實現系統在故障下的快速隔離與恢復，提高供電可靠性。

3.3 系統運行控制模式

針對系統基本運行方式，考慮2臺電力電子變壓器的聯合運行、單臺電力電子變壓器及其各端口存在多種靈活的控制模式，并且電力電子變壓器具備附加的電能質量治理功能，因此根據電力電子變壓器控制模式，可以劃分為系統失電、主從運行模式、對等運行模式、電能質量治理模式，同時考慮系統故障問題，增加主從模式故障態和對等模式故障態兩種故障中間態。如圖5所示為系統運行模式圖，首先系統從失電狀態通過電力電子變壓器的不同啟動方式，可以進入主從運行模式或對等運行模式，并且考慮儲能存在 PQ 模式和下垂模式，在對應的運行模式下，儲能可實現兩種模式的切換，從而滿足不同具體工況下的控制需求。電能質量治理模式主要是在不改變電力電子變壓器原有控制模式的基礎上，為改善接入配網點電能質量而附加的功能。同時，針對兩種運行模式下的故障態，設計了對應故障及恢復的轉換。

4? 結語

在能源轉型、數據中心大力發展背景下，圍繞數據中心用能特點及分布式可再生能源的發展需求，本文研究了一種基于雙臺電力電子變壓器并聯運行的數據中心配電系統。首先，介紹了數據中心用能現狀及存在的問題，提出了一種可推廣性和可復制性的交直流混合的數據中心配電系統。其次，對配電系統中的核心設備進行了分析，與傳統變壓器相比具有更好的性能及靈活的控制策略，進而分析了系統的控制運行技術。該系統為數據中心供電系統設計提供了新思路，對促進未來配電網側廣泛消納多類型能源的系統建設具有積極意義。

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