多站融合型數據中心交直流供電模式對比分析

杜先波，陳國琳，唐一銘，夏元軼，范 磊

（1. 江蘇方天電力技術有限公司，南京 210000；2. 國網江蘇省電力有限公司，南京 211106）

0 引言

隨著物聯網、大數據、人工智能等新興計算通信技術在電力系統中的大量應用，電網的數據處理業務大量增長，推動了電力數據中心的建設需求。為促進信息物理資源的集約和共享，在配網建設或改造時可將數據中心和變電站、儲能站及其他場站協同規劃，實現多站融合模式下能量流、信息流、業務流的“三流合一”［1—2］。

在供電系統建設方案中，多站融合面臨著交流供電和直流供電2 種選擇。交流供電是傳統電力系統對象及數據中心所用供電模式，擁有成熟的產業鏈及配套技術服務，但始終存在著轉換環節冗雜、控制參數繁多、運行效率較低等缺點。隨著直流變換技術成熟、電力電子設備的大量應用及光伏、儲能等直流設備的增加，交流向直流轉變正成為供電系統升級演化的重要趨勢。供電系統的電壓類型決定著多站融合的基本建設方案，對系統實現安全經濟可靠靈活運行起著至關重要的影響，需要對兩者在經濟型、可控性及復雜性等方面進行詳細對比研究，為多站融合供電系統設計提供科學參考。

目前，關于多站融合交直流供電類型主要可從以下3 個方面進行對比分析:一是數據中心供電類型分析［3—5］，這類研究通過數據中心的可靠性和經濟性分析確定最優供電類型，然而該類研究多局限在單個數據中心，分析過程將數據中心和新能源、儲能站割裂，不符合多站融合的建設及運行模式，缺少考慮網絡側和其他系統對數據中心的影響；二為直流配電網供電類型研究［6—13］，該類研究多針對電壓等級、網絡結構等進行研究，但主要停留于拓撲層面且未強調多站融合模式對數據中心的影響，對數據中心內部設備及運行缺少深入分析；三則來源于多站融合相關研究［1—2，14］，該類研究對多站融合的內部子站成分進行了分解和分析，但該類研究仍處于定性階段，尚缺少全方位、綜合性的評估體系。

本文基于經濟性、可靠性和可控性3個維度，提出了多站融合型數據中心供電模式的綜合評估方法，并結合所提出的典型供電架構對2 種供電模式進行了對比分析。首先，對交直流供電模式下的多站融合模型數據中心的典型系統架構進行了研究，明確其關鍵組成成分、連接方式和電壓等級；然后，對基于經濟性、可靠性和可控性3 個維度的多站融合型數據中心供電模式評估方法進行了介紹，其中經濟性評估考慮了建設成本和運行維護成本對系統成本進行了建模，可靠性評估基于對2 種供電模式下的供電路徑進行了建模，可控性則基于對交直流供電模式的系統特性和技術現況給出了定性建模方法；隨后，基于所調研的數據和評估方法對2種供電模式進行了對比分析，給出了2 種供電模式各自的優劣勢；最后，給出了多站融合型數據中心的供電模式選擇參考建議。

1 多站融合模式下數據中心交直流供電模式的系統架構

多站融合的子站類型暫沒有統一標準，但考慮到數據處理和節能減排的需求，多站融合將數據中心、儲能站和新能源廠站作為基礎組成部分。因此，本節考慮基于變電站、數據中心、風電、光伏、和儲能等子站的多站融合建設形式，給出了交直流2種供電模式下多站融合數據中心的典型系統架構如圖1和圖2所示。

選取交流10 kV 作為2 種供電模式下的外網電壓，為減少配網內電力變換環節，考慮到配網常見發、配、用電設備如軌道交通、新能源、充電樁、數據通信設備和智能設備等的電壓等級如表1所示，圖1直流母線電壓設置為750 V 和240 V，將圖2 中的交流母線電壓設置為380 V（三相）。

圖1 多站融合型數據中心直流供電架構Fig.1 DC power supply architecture of data center in multi?station integration

圖2 多站融合型數據中心交流供電架構Fig.2 AC power supply architecture of data center in multi?station integration

表1 配網發用電設備電壓等級［9］Table 1 Voltage level of equipment in distribution network V

2 多站融合模式下數據中心交直流供電模式的綜合評估方法

2.1 經濟性維度對比方法

本節從經濟性的角度對交直流供電模式的評估方法進行研究。供電系統的整體成本為C，由建設成本和運行維護成本組成，即

式中:C1為建設成本；C2為運行維護成本。

建設成本為各設備造價之和，即

式中:Kcon,i為各設備造價；n為設備總數。

運行維護成本由系統能耗水平決定，系統能耗又主要來自于變換損耗和線路損耗。其中變換損耗指電力電子變換裝置和變壓器的電能變換效率，在系統級的分析中通常使用固定值η表示，即

式中:Pin為輸入功率；Pout為輸出功率。

對于線路損耗，由于其與電壓模式和線路長度有關，通常使用模型進行計算。

（1）直流線路傳輸損耗計算:由于沒有電感、無功的存在，不產生渦流損耗和集膚效應，直流線路傳輸效率高于交流線路。直流線路的損耗與輸出功率的比edc由下式給出［4］，即

式中:J為電流密度，A/mm2；l為線路長度，km；Udc為直流線電壓，kV。

（2）交流線路傳輸損耗計算:交流線路的損耗與輸出功率的比eac為［4］

式中:Uac為交流線電壓；額外損耗系數k=1。

假設電價Kpri和后期維護價格Kmai在單位功率內為常數，則綜合上述模型，系統的功耗C計算式（1）可具化為

式中:m為變換器總數；PΩ,i為流過第i個變換器的功率；v為不同功率值的線路總數；PZ,i為流過第i條線路的有功功率；T為系統的運行時間。

2.2 可靠性維度對比方法

系統的可靠性通常假設各設備的運行-故障情況相互獨立，然后基于元件或設備的可用率，通過串并聯網絡分析得到系統整體可用率。

在忽略環境、人為失誤等外界影響下，設備的運行時間（mean time between failures，MTBF）和故障時間（mean time to repair，MTTR）近似滿足指數分布。由馬爾科夫模型可知，元件的可用率Availability可由下式進行計算

考慮到AC 架構和DC 架構供電模式的變化不會對新能源、系統負荷的自身特性產生影響，因此在對比計算中可忽略新能源的波動性和負荷的波動性。DC架構和AC架構的可靠性框圖分別如圖3和圖4 所示，各符號意義在表2 進行了說明。其中UPS電池統一為200 kW的鉛蓄電池，數據中心電力入口的配電單元（power distribution unit，PDU）、逆變器等按照2N冗余備用設置。

圖3 多站融合型數據中心直流供電架構可靠性框圖Fig.3 Reliability diagram of DC power supply architecture in multi?station integration data center

圖4 多站融合型數據中心交流供電架構可靠性框圖Fig.4 Reliability diagram of AC power supply architecture in multi?station integration data center

表2 可靠性框圖中設備與英文縮寫對應表Table 2 Abbreviations of the equipment in reliability diagram

2.3 可控性維度對比方法

雖然直流供電模式擁有許多潛在效益，但多站融合需要額外考慮與其他設備聯調調控，以保證整體系統的經濟性和安全穩定性。因此，數據中心在多站融合模式下，需作為配網的一個組成部分參與到系統調控之中，必須考慮到系統運行事件如新能源跌落、電價波動、乃至短路斷線故障等情況時對其運行的影響。由于直流和交流供電模式的控制目標及控制任務有所不同，且目前所處的發展階段不同，難以直接對兩者進行對比。因此本節提供了一種去除技術細節的定性對比方法，從系統控制特性、系統控制結構升級潛力和電路保護技術成熟度3個維度分別對系統的可控性進行打分，分數越低表示系統可控性越低。

首先定義可控性Z計算公式如（8）所示

式中:Za為系統的控制特性；Zb為系統控制結構升級潛力；Zc為電路保護技術成熟度。

控制特性Za的量化方法如下。將系統的控制特性分為問題和措施2部分:當控制只需要考慮電壓幅值時，控制特性較好；當解決措施需要額外的設備搭配，如儲能消納新能源，則控制特性較差。對目標問題涉及的每一個參考量，直流記為1分；對于措施，只需要設備本地調控策略支持（如對設備出力的下垂控制、電力電子調相等）的直流記為1分，需要額外設備配置（如濾波器、無功源、控制器等）直流記為1分，需要系統級協調運行策略（如削峰填谷等調度措施）的直流記為1分。考慮到交流研究比較成熟，以上分數在交流中可取直流的{λ|λ∈(0,1)}倍，則1λ可表示直流供電模式相較于交流的成熟度。所有問題和控制措施相乘的和作為該系統的控制特性，即

式中:σpro,i為該問題的復雜程度；σans,i為該問題解決方法的復雜程度。

控制結構升級潛力Zb通過對比給出評分。若一方的相關優化控制架構研究無法應用于另一方，則認為該系統擁有更好的控制結構升級潛力。同時由于控制結構升級潛力往往與當下工程實踐關系不大，因此只給分值權重為1。

電路保護技術Zc來說，可分為測量裝置、保護理論2部分，2個方面分值各設為1。

3 多站融合模式下數據中心交直流供電模式的對比分析

本節將按照第2 節的方法對第1 節的交直流典型供電架構進行對比分析。

3.1 經濟性對比分析

中壓側的一般投資價格［4］，建設成本和設備的關系在表3中給出。

變換損耗:在中低壓配網范圍內，現有技術水平下交直流變換設備的效率沒有明顯差別，普遍可達到95%以上［4］，現有交流變壓器的效率普遍為90%～98%。因此，本節可假設所有變換裝置，包括電力電子裝置及變壓器等在內的效率為95%。

本文數據中心的功率設定為200 kW，儲能最高功率設為700 kW，儲存的最大電量為700 kW×2 h，風機為400 kW，光伏為200 kW，配電線路總長為2 km，且視為輸送的功率主要來自于風機和光伏；電價Kpri為 0.7 元/kWh，維護價格Kmai為 0.02 元/kWh；此外設J=2 A/mm2，負荷功率因數cosφ=0.9。本文同時考慮了2種供電模式成本對系統總容量的敏感程度，結果如下圖5所示。

表3 各設備的建設投資成本Table 3 Investment price of the equipment

圖5 交直流供電模式的經濟性對比結果Fig.5 Economic comparison of AC and DC power supply modes

從圖5 中可以看出，采用直流供電模式時系統初始建設成本較高，但隨著時間推移，在大約1.5～2年時，交流總成本將超過直流；此外，建設規模對建設初期投資規模影響，相較于運行成本較小。由于數據中心的設計運行時間大多為10年以上，因此直流供電模式的經濟效益明顯高于交流。

3.2 可靠性對比分析

單體設備或元件的可靠性參數如表4所示。基于圖3和圖4，可計算出2種供電模式的可用性分別為:

表4 單體設備或元件的可靠性參數［5］Table 4 Reliability parameters of singular equipment h

按照可靠性的一般表述方式，直流供電架構的可靠性為8個9，而交流供電架構的可靠性為7個9，因此直流供電模式的可靠性優于交流供電模式的可靠性。為使結果更具普遍性，考慮到直流斷路器的商業化較低，假設直流CB 可靠性水平降低10%，則直流供電模式的可靠性變為:

直流供電模式仍保持了8 個9 的可靠性。可見相較于交流供電模式，直流供電模式在系統架構上保證了更高的可靠性水平。

3.3 可控性對比分析

（1）系統控制特性

配網系統中主要的問題為電能質量問題，通過對已有文獻中交直流配電系統相關問題及解決方案的調研［6—11］，總結出交直流系統控制特性評分相關項如表5所示。

表5 交直流供電模式控制特性表Table 5 Control characteristics of DC and AC power supply modes

在表5中，若問題為無功問題或諧波問題，通常可通過增設濾波器、電容器等額外設備解決。而如果為有功問題，則需要通過儲能、負荷（數據中心）及新能源的協調控制，并增設額外控制裝置，以保證電力供需平衡。因此，直流系統控制特性分數Za,dc=8，而交流系統控制特性分數Za,ac=33λ2。

（2）控制結構升級潛力

從原理角度出發，傳統交流系統的控制結構都可以在直流系統中應用，而直流系統得益于其只與電壓一個參考量相關，具備控制重心和控制資源下移的潛力，更好地實現分區、分層控制［15—17］。因此，應當認為直流系統的控制結構潛力優于交流系統，即交流系統控制結構潛力分數Zb,ac=1 ，直流系統控制結構潛力分數Zb,dc=0。

（3）電路保護技術

由于交流配電系統經過長時間的研究和實踐已基本發展成熟，可視為不存在裝置和保護理論上的明顯問題。直流系統電路保護技術相關問題總結于表6之中。因此，應視為直流系統在裝置和保護原理上仍存劣勢，即交流系統電路保護技術分數Zc,ac=0 ，直流系統電路保護技術分數Zc,dc=2。

表6 直流電路保護技術主要問題總結Table 6 Summary of technical problems of DC circuit protection

綜上，交直流供電模式的可控性如圖6所示。

圖6 交直流供電模式的可控性對比結果Fig.6 Controllability comparison of AC and DC power supply modes

由圖6 可知，如果考慮直流供電模式的成熟度1λ高于2，直流供電模式將和交流供電模式取得類似的可控性。當直流供電模式和交流供電模式相接近時（λ≈1），直流供電模式的可控性將遠超交流供電模式。

4 結論

本文基于經濟性、可靠性和可控性3個維度，提出了一種多站融合型數據中心供電模式的綜合評估，并結合具體場景對多站融合模式下的數據中心交直流供電模式進行了較為全面的對比。本文主要結論如下:

（1）在經濟性上，直流供電模式初期投資較高，但在數據中心使用壽命期間可顯著節省運維費用，總成本上優于交流供電模式。

（2）在可靠性上，直流供電模式在系統架構上存在更好的可靠性，且部分直流器件較低的可靠性水平不會影響結論的魯棒性。

（3）在可控性上，直流供電模式擁有更好的優化前景，當直流供電模式相關技術的成熟度接近交流供電模式時，直流供電模式的可控性將明顯優于交流供電模式。