论数据中心项目高压直流供电方式的应用

上海邮电设计咨询研究院有限公司 许精巍

本项目建设一栋建筑面积20000平方米数据中心楼、建筑面积4846平方米的配套办公楼及1140平方米的水箱水泵房，建筑面积共25986平米。可容纳机架数约3016架，折算平均单机柜功率约6kW，设计总功率为18096kW，综合PUE为1.2554。为提高数据中心配电效率与经济性，本项目结合储能站、变电站优势，采取并行直流吸引供电系统方案，形成具有统一、合理的管理一体化直流供电系统，从而使更具能量转换高效率、高可靠性、低成本的配套电源来推动IDC 机房大规模建设。

1 传统高压直流供电方式

1.1 系统原理

高压直流系统主要包括交流配电单元、蓄电池、直流配电单元、整流模块、监控模块、电池管理单元、绝缘监测单元等构成。当两路交流正常输入，交流配电单元由交流切换装置输入一路交流，整流模块将交流转换为直流，通过直流配电单元为设备供电并对蓄电池进行充电。监控模块主要起到管理与控制系统的作用，对所分散采集、处理的信号统一管理；如交流存在输入故障蓄电池可为设备供电。可以看出，直流供电逆变中间环节得到了简化，故也减少了损耗，提升了运行效率。

1.2 高压直流供电特点

基于高压直流供电技术原理，其因所输入的功率因数高、谐波小，负载率更高、节能休眠功能可提升系统功率；在输出母线上直接挂上电池，具有更高的可靠性；扩容可在线实现、拓扑简单，具有高稳定性；模块化设计可实现按需配置，维护采用模块热插拔，可避免对厂家维保服务过分依赖[1]；此外，由于高压直流输出浮地，在与单极母排电压误碰情况下也只有135V 触电电压，且高压直流270V 正弦波峰值电压比220V 的交流供电正弦波峰值电压314V 更低。

高压直流供电系统设计应先进行系统架构问题的选取，即要根据项目特点在几种供电系统结构中基于安全性、可靠性、工程经济性之间选取最优方案并作出取舍。第一种为结构简单，投资小的方案：高压直流单电源系统双路供电。但该方式电源侧因都是通过来自同一套高压直流电源系统双路输入至服务器而存在单点故障的风险；第二种为避免系统单点故障风险的高压直流双电源系统，其输入电源分别来自两套电源系统，但由于采用2N 系统配置，使系统存在较大冗余度，投资成本高；第三种为市电+高压直流双路供电，该方式使系统单点故障消除，且因有无需电能转换的交直流两路电源，提高了系统运行效率，是新建数据中心普遍采用的设计方式（图1）。

图1 高压直流供电三种方式

本项目初期拟采用高压直流供电方式，首先由变压器将所经过的10kV 线路降压至AC380V 形成交流母线，之后由高压直流系统将其变换整流。从实际来看，AC/DC 和与DC/DC 拓扑是由HVDC进行级联，是AC380→DC700V240V 的过程；其次，高压直流中的DC240V 还与蓄电池进行了并联，以此作为备用。为了符合绿色数据中心建设发展，本项目采取储能、数据中心和变电站并行方案，与传统高压直流方案对比，可为IT 设备运行安全性、高效率、环保等方面提供更为有力的保障，以利于能量统一控制、提高能量转换效率。

2 基于高压直流的储能并行方案

2.1 供电方式

以本项目用电需求界定负荷等级，以此制定相应供电方案。本期用电自园区内变电站不同变压器各引两路10kV 高压供电，按2N 配置，A、B 两路电源相互独立，当一电源发生故障时另一电源不应同时受到损坏。一级负荷由二路电源供电，当一个电源发生故障时另一个电源不应同时受到损坏，另设柴油发电机作为备用电源。三级负荷可采用单电源单回路供电。变压器按照M(1+1)冗余设置，同时使用、互为备用[2]。另外设置油机作为备用电源。动力负荷采用放射式与树干式相结合的配电方式，重要负荷以及大容量负荷均由变配电室直接引专用回路供电，其它次要负荷采用树干式供电。一级负荷采用两路专用电源供电，并在末端合适区域采用自动切换、自投自复的方式，一级负荷设置柴油发电机作为备用电源；三级负荷采用单电源供电方式。

2.2 并行储能方案系统优势

本项目是在储能站基础上所建设的数据中心，采用并行直流供电方式。本项目发挥电厂资源综合优势，由于项目选址为停运后的热电厂地块，地块依然保留了两回来自220kV 变电站的35kV 线路，线路状态良好、可继续作为项目用电的电源线之一，从而减少了电网供电线路投资。此外，针对数据中心高耗能、用电大户的特点，项目拟配套建设储能系统。一方面通过先进的电储能系统将电网与项目用户融合在一起，具有改善区域电网的电能质量、提高电网可靠性、快速响应一次调频及无功等优势；另一方面在项目端发挥作用，保证项目的电能质量，起到后备电源的作用[3]。

本文所提出的基于储能变流器的并行直流吸引供电系统是数据中心同时采用了高压直流系统和储能系统，一个高效节能，一个削峰填谷，两者并列存在，更加有利于数据中心的运营和节能。基于储能系统的变电站建设不仅要采集、发送变电站和储能站的各项数据，还应以电网需要为依据，从而当电力过剩时实现储能装置充电，储能装置则在电网电力不足时向其供电[4]。

2.3 储能系统部署

本项目拟配套建设24MW/72MWh 储能系统通过10kV 厂用电系统并入电网。储能系统采用标准模块化设计，共分为6个标准模块，每个模块4MW/12MWh，模块采用三层堆叠布置，第一层为PCS 集装箱，二、三层为电池集装箱。当用电高峰时段，采用蓄电池放电方式，蓄电池分为两部分供给，一部分功率提供DC/DC 直流负荷，另一部分经过PCS 向电网流入；用电低谷阶段采用蓄电池充电方式，蓄电池与DC/DC 直流负荷由PCS 分别提供功率；平时用电则采用蓄电池不充不放的方式，DC/DC 直流负荷由PCS 供给。

三种运行方式无需以其他设备运行状态来对供电侧率进行改变，由于DC/DC 只需高压侧定功率以及低压侧定电压，直流负荷比较稳定。按峰谷运行方式考虑，计划每日2充2放；按照每次充放电电量是储能系统总容量的80%进行估算，再考虑停役检修期，储能电站年运行天数按照350天计算，储能系统年放电量为40320MWh。

3 并行方案整体优势

基于能够对站内设备利用率大幅度提升、达到节约资源的目的，所提出的储能系统+高压直流供电方式、即对储能电站PCS 冗余容量直流数据中心供电策略的优势如下：

对于IDC 项目来说，储能系统响应速度快，可及时在电网常规电源故障情况下提供快速及时的电力响应，保障用户的用电可靠性；IDC 与电储能的深度融合，不仅能通过峰谷分时运行起到平衡区域内峰谷电量的作用，有效缓解区域电力平衡压力的作用，而且可在电力市场中大幅节约IDC 用电成本，从而提高IDC 运营竞争能力；当前以调研结果为依据，从供电效率来看，变压器效率大约在97%、PCS 约为97%、高压直流供电效率约为95%，两种供电效率目标一致。

综上，基于成本及可靠性优化角度，高压直流供电方式在现代数据中心项目中的应用前景巨大，相较于交流UPS 在效率、成本、扩容、可维护性等方面都有很大优势，当前直流供电方式已经步入了商业应用阶段，被行业广泛接受和推崇，其相关行业标准规范也陆续出台与更新。

本项目通过基于高压直流供电技术方案提出与电储能深度融合创新方案，改善了区域电网的电能质量、提高电网可靠性、快速响应一次调频及无功等优势，并起到后备电源的作用，保障数据中心能源输出的稳定性，提高运行竞争力。同时，所配套的储能设施运行及调控模式灵活，可根据自身和区域负荷特性进行电网实时削峰填谷模式运行，有效缓解区域用电负荷的峰谷差，确保区域电力电量平衡；并可以独立主体形式参与电网的调峰调频市场，接受电网调度监控。