光儲式機房高壓直流供電系統設計

李成升 黃剛 王新想 劉嘉杰

摘 ? 要：為實現數據機房的高效清潔、高可靠供電，文章設計了一種新型的光儲式機房高壓直流供電系統。該系統融合了目前發展較為迅速的機房高壓直流系統和傳統的不間斷電源，采用交直流混合供電的方式，兼容原有供電系統的同時有效提升了新能源發電的利用率，在經濟性、可擴展性、電能質量方面都比傳統系統更有優勢。

關鍵詞：機房;交直流混合供電;高壓直流;新能源

1 ? ?機房供電問題介紹

隨著網絡科技的不斷發展，數據機房也朝著容量不斷增加、對供電可靠性要求越來越高的方向發展。但是隨著機房規模的擴大，機房的耗電問題、擴容問題和維護問題日益突出。目前，我國機房主流供電模式為不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）供電以及48 V低壓直流供電，但UPS供電存在并機困難（擴容困難）且存在轉換環節多、效率低、易故障的問題;而48 V低壓直流供電存在電壓低、電流大、配電損耗高的問題[1-2]。高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）系統的出現有效解決了上述問題，但是也存在著對某些機房產品兼容性不佳的弊端。

2 ? ?HVDC系統概述

HVDC系統在實際的運用過程中，需要對各種設備進行測試，某些情況下還需要對設備的電源部分進行直流化改造，這些都是制約高壓直流供電推廣應用中所面臨的一些困境。本文提出了一種新型的機房高壓直流供電系統，通過采用整體高壓直流配電的方式，在實現系統高效運行的同時，提高兼容性，并充分利用新能源發電的優勢，實現節能降費、提高機房供電可靠性的目標。

2.1 ?系統整體描述

系統采用懸浮供電方式，在原有的HVDC系統上進行擴展，采用DC270V作為母線電壓等級，由于新能源的接入需求，增加了儲能的容量，光伏變換器經合理設計滿足機房產品供電的電能質量要求。因而現有系統包括了原有的HVDC系統、增加的光伏系統及不間斷電源系統，系統拓撲如圖1所示。

2.2 ?HVDC系統簡介

數據機房負荷本質上是以直流供電為主，交流電經過整流再變換成負荷所需要的直流電。為了保障供電可靠性，往往采用UPS供電方案，即市電經整流、逆變，再輸入負荷，經過負荷內部的整流、變換環節得到負荷所需要的直流電壓等級。由此可以看出，如果直接采用直流供電，短期的明顯效果是減少了逆變環節，提高轉換效率。長期來看，可以簡化負荷設計，實現直流直接供電。HVDC正是近年來為了替代傳統UPS電源供電系統及48 V低壓直流供電系統而推出的一種機房高壓直流系統，當前主流的標稱電壓等級為DC336V和DC240V，實際運行電壓一般在DC400V和DC270V[1， 3]。系統一般分為分立式和組合式，分立式系統主要由交流柜、整流柜、直流柜、列頭柜4部分組成，如圖2所示;組合式則是將交流柜與整流柜合為一體。

2.3 ?不間斷電源配置

對于少數不適合用直流供電或直流供電改造難度較大的負荷，系統仍舊保留部分UPS電源為其供電，不同的是，常規UPS不間斷電源是按照市電作為主輸入，蓄電池（組）作為后備輸入，在線式運行方式下，市電經整流再逆變得到輸出的交流電，當市電斷電時，并聯在整流橋后端直流母線上的電池組維持直流母線電壓，蓄電池（組）作為逆變輸入的源，基本無切換時間。在本系統中，直接采用直流母線作為UPS的后備電源。

2.4 ?系統運行模式

本系統的電源包括光伏、交流電網及儲能單元3個部分，從保證高質量和連續的供電以及實現分布式電源與儲能之間的相互配合和充分利用的角度出發，優先使用光伏發電，而儲能則用作后備應急電源，在提高經濟性的同時，保證系統的供電可靠性，系統運行策略如表1所示。

3 ? ?系統保護配置

3.1 ?絕緣監察

當前的絕緣電阻檢測電路主要分為3種：平衡電橋檢測法、不平衡電橋檢測法以及低頻交流檢測法。平衡電橋檢測法優點是不受接地電容影響、檢測速度快;缺點是無法測量正負極平衡接地。不平衡電橋優點是可以檢測任何形式的接地;缺點是檢測速度相對慢且檢測精度受接地電容影響。低頻交流檢測法是采用向直流母線注入低頻交流信號進而檢測低頻電流或電壓大小的方法來判別直流母線接地電阻。

本系統采用不平衡電橋檢測法，如圖3所示，其中R1，R2為檢測電阻，R+，R-分別為正負母線對地電阻。通過監測直流正負母線對地電阻，可以進行絕緣下降和接地報警。

3.2 ?一體化直流配電單元保護

系統的電池饋出線及整流器饋出線采用一體化直流配電單元進行保護，一體化直流配電單元是一類直流配電保護測控裝置，主要用于直流進線和直流饋線的各種故障保護跳閘和告警，保護功能包括電流保護、電壓保護、接地漏電流保護、過負荷熱保護、逆功率保護以及開入量聯鎖保護等，系統框架如圖4所示。

一體化直流配電單元采集線路的電壓、電流信息，通過變送器將信號送至測控中心，測控中心根據不同的策略發出控制信號，通過控制勵磁脫扣器使斷路器斷開和電動操作機構進行故障合閘恢復運行，當饋線發生故障時，裝置迅速完成故障切除動作，速度可快至10 ms，從而實現直流系統保護的快速、可靠、靈敏、準確要求，保障后端設備的安全運行[4]。

4 ? ?結語

機房負荷采用直流供電有諸多益處，伴隨著新能源發電以及電力電子技術的不斷發展，新能源直流配電技術也不斷成熟。在此背景下，本文提出了一種新型的光儲式機房高壓直流供電系統，在利用新能源發電的同時，有效提升了原有HVDC系統的負荷兼容性。此外，相對于原有系統，新系統增加了一體化直流配電單元實現系統線路保護，使得機房供電的安全性得到有效提升。

[參考文獻]

[1]周三.高壓直流供電系統在IDC機房的應用與探討[J].信息通信，2019（1）：268-270.

[2]林健明，陳啟章，楊杰.共建共享模式下接入機房-48 V直流供電系統建設方案[J].通信電源技術，2018（2）：91-94.

[3]閆德生.高壓直流336 V電源系統設計探討[J].通信電源技術，2018（1）：159-160.

[4]李忠，嚴建海，王福林，等.樓宇低壓直流配電系統示范應用[J].供用電，2018（6）：33-40.