智慧能源站“多站融合”工程中交直流微网系统研究

周星，刘江敏，褚农，高亚静，宋祺鹏

(1.中电联电力发展研究院，北京 100053; 2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192)

0 引 言

为建设“三型两网”企业，加快推进世界一流能源互联网企业建设，建设坚强智能电网和泛在电力物联网，国家电网有限公司提出“探索利用变电站资源建设运营充换电(储能)站和数据中心站新模式”，并在部分地区推行“统一规划、功能整合、模块建设、共享共赢”的智慧能源站建设模式，开展变电站、数据中心、储能站、充(换)电站、光伏站等“多站融合”试点工作，发挥电网枢纽作用，充分利用网络属性，以能源互联网为支撑，树立“共建、共治、共赢”的共享理念。

现阶段，智慧能源站“多站融合”试点工程在江苏、河南、上海、湖南等省正陆续开展，相关设计方案尚处于研究阶段，各试点工程对交直流微电网的结构框架、电压等级、系统配置等进行了深入研究。文中通过分析变电站、数据中心、储能站、充(换)电站、光伏站等传统供电方式和负荷特性，研究了站内备用电源、直流电源及UPS系统优化整合配置方案，选取适宜的微网电压等级与网络拓扑方案，提出智慧能源站“多站融合”工程中交直流微网供电系统结构，在保证可靠性的前提下，提高交直流系统的综合能效，降低建设成本和运维成本，为今后智慧能源站“多站融合”试点工程的设计和运行提供参考。本方案已在某试点工程中应用。

1 传统交直流供电系统

1.1 变电站站用电系统

220 kV及以下变电站内站用变压器一般从两台主变压器低压侧分别引接电源，每台工作变压器按全所计算负荷选择，为防止站用变压器因故障退出运行，站用电系统采用单母线分段接线[1]。

站用电负荷主要为变压器冷却装置、浮充电装置、生活和消防水泵、断路器和隔离开关操作、加热，以及变电站内的照明、空调、加热等。

1.2 数据中心交流系统

由于试点工程中多以B级数据中心为研究和建设对象，因此文中以B级数据中心为例，说明数据中心交流系统的供电特点。

B级数据中心通常引接2路电源，并配以备用电源(见图1)。两路工作电源经过自动切换开关转换为一路输出至馈电母线上，备用电源处于热备用状态[2]。

图1 B级数据中心典型供电系统图

数据中心配电系统负责为空调、风机、照明等系统提供电源，同时为各种计算机负载、服务器、应急照明等系统供电[3]。

1.3 电化学储能电站和充(换)电站交流系统

电化学储能电站交流系统配置与变电站类似，高压侧采用单母线分段接线。低压侧为单母线分段接线[4]。主要负荷包括电池舱内空调、通风、照明，PCS和升压变室(舱)内通风、加热、照明，以及生产、生活等其他负荷。

充(换)电站交流系统中，属于二级用户的充换电站宜采用双回路供电；属于三级普通用户的充换电站可采用单回路供电。文中考虑为二级用户的充换电设施供电，采用双回路供电方式，不配置备用电源。用电负荷主要为充电桩，以及站内照明、监控、办公等。

2 交直流微网供电系统分析

2.1 交直流微网设计原则

为实现变电站、数据中心、储能站、充(换)电站、光伏站一体化有效融合，智慧能源站通过中低压交/直流母线，引入光伏电源及储能电源构建“源-网-荷-储”的交直流微网系统[5]。

智慧能源站交直流微网系统是由站内电源、站外电源、储能系统、光伏系统、站用变压器、保护测控、低压配电屏、交直流供电网络等组成的系统，能够给智慧能源站提供可靠的交直流电源，变电站、数据中心、储能站、充(换)电站合用一套交直流微网系统[6-8]。交直流微网系统作为智慧能源站重要基础辅助设施，是全站安全稳定运行的基础。交直流微网设计的主要原则包括：

(1)整合站内直流负荷和传统交流负荷，寻求分布式能源最优化途径消纳方案，实现交直流负荷统筹就地平衡消纳，同时保证系统的供电可靠性[9]；

(2)充分利用储能双向变压器，优化常规站用变压器，整合UPS电源，通过交直流微网，形成交直互备模式[10-11]；

(3)最大限度发挥储能作用，高峰时，由储能单元支撑全站负荷，剩余电量流入电网；低谷时，由电网支撑全站负荷，同时为储能单元充电。同时考虑储能单元为微网提供备用电源支撑，提高微网供电可靠性，为数据中心提供优质、稳定、高效的供电服务[12-16]。

本试点工程交直流微网系统采用10 kV供电，分交流侧和直流侧两部分。

2.2 微网交流系统设计方案

交流系统分为10 kV和400 V两部分，两部分经两台双分裂储能兼站用变压器连接。

10 kV配电装置采用单母线分段接线，10 kV站用变压器从变电站两台主变低压侧分别引接2回10 kV电源，另引接1回10 kV站外电源作为备供电源。为防止1台站用变压器因故障退出运行降低供电可靠性，两台双分裂变压器分别接至10 kV两段母线，同时带电分列运行。

400 V配电装置采用单母线分段接线，电源取自两台双分裂变压器低压侧，同时满足供电和储能接入要求，为变电站、数据中心辅助设备、储能站辅助设备、变电站通信设备、保护控制设备、充换电站提供电源，电化学储能系统接入与其他用电负荷采用隔离变进行隔离。

2.3 微网直流系统设计方案

直流系统分为750 V、220 V和48 V三部分。DC 750 V采用单母线接线，电源经AC/DC转换后，取自交流400V两段母线。DC 750 V母线经DC/DC变换后，为数据中心、直流照明、充电桩等直流负荷供电。

DC 220 V采用单母线分段接线，一路电源经DC/DC变换后取自DC 750 V母线，另一路电源取自400 V交流母线，为48 V通信电源、全站保护和测控电源等供电。

数据中心服务器采用直流供电，一路电源引接至DC 750 V母线，另一路来自400 V交流母线。

2.4 交直流微网网络拓扑结构

交直流微网系统网络拓扑结构图详见图2。

图2 交直流微网系统网络拓扑结构图

拓扑图中包含交流系统和直流系统两部分，储能电池经变流器后直接接入交流系统，数据中心、直流照明、直流充电桩和光伏系统，以及变电站保护、测控电源等直接接入直流系统。

3 数据中心服务器供电研究

3.1 数据中心服务器供电型式

根据《数据中心设计规范》(GB 50174-2017)[2]，B级数据中心应由双重电源供电，并应配置备用电源。当正常电源发生故障时，备用电源应承担数据中心正常运行所需要的用电负荷[17]。

为提升数据中心的供电可靠性，直流微网采用双回路电源供电模式，同时重要负荷采用“双冗余”模式(模块冗余、电源冗余)，考虑到传统交流UPS供电方案能耗高、可靠性低、维护扩容难度大、建设成本高，同时柴油发电机长期处于冷备用状态，UPS蓄电池长期处于浮充电状态，每年需要花费大量成本进行维护，因此取消传统数据中心UPS系统、柴油发电机供电模式。本节对数据中心服务器电源的接入型式、电压等级、可靠性等进行深入分析，提出数据中心服务器的供电方案。

由于数据中心服务器设备由电子元器件组成，实际均为直流负荷，设备电源模块支持交直流输入，通过直流供电可减少电能转换次数，提高能源利用率和基础设施系统整体可靠性，因此在智慧能源站中推荐采用直流供电方式，同时将储能电池替代数据中心UPS铅酸蓄电池，利用储能电站剩余电量提供应急供电，实现储能电站和数据中心的电池融合。

3.2 储能接入电压等级研究

本节提出储能单元参与数据中心服务器供电的3种模式：模式1为储能单元直接连接至10 kV母线(见图3)；模式2为储能单元直接连接至400 V母线(见图4)。模式1和2中，储能单元均作为数据中心的备用电源，替代传统的柴油发电机，但仍保持传统的UPS供电方式；模式3为储能单元直接连接至400 V母线，取消传统的柴油发电机和UPS系统，采用直流微网方式(见图5)。

图3 储能单元接入数据中心供电模式1

图4 储能单元接入数据中心供电模式2

图5 储能单元接入数据中心供电模式3

文中首先通过蒙特卡洛模拟法得出各链路供电可靠性[17-20]，然后计算得出不同模式的供电可靠性。

(1)

式中T(ei)为元件ei的阀级；ψcmax为交直流微网供给的总能量，ψicmax为某元件ei故障后，系统所能供给的最大总能量。元件ei的可靠性定义为：

(2)

式中M表示所有元件的集合。

不同元件故障率以及修复时间的输入量详见表1。

表1 不同元件的故障率以及修复时间

经计算，储能单元接入10 kV母线的供电可靠性为84%，接入0.4 kV母线的供电可靠性为92%，因此推荐采用储能单元接入0.4 kV母线的方式。

传统数据中心供电模式中，柴油发电机长期处于冷备用状态，UPS蓄电池长期处于浮充电状态，每年需要花费大量成本进行维护。

近年来，数据中心服务器负荷趋向采用直流供电模式，模式3推荐接入数据中心直流负载的储能单元采用交流400 V输入、低压750 V(220 V)直流输出形式，可保证数据中心的供电可靠性，同时提高了电源系统使用效率，减少柴油发电机和UPS蓄电池配置，因此推荐采用模式3。

表2 3种供电模式优缺点分析

4 直流微网接线形式研究

直流微网中，直流接线形式分单极接线和双极接线两种。

双极直流系统含正极、负极和零极3条母线，采用对称结构，电源和负荷一般分别平均分步在正极或负极母线上。一般情况下，正负极分别与零极母线构成回路独立运行，供电可靠性相对较高，但对直流系统的控制和保护策略要求较高，相关设备价格较高，适用于高电压、大功率、大容量，特别是需要长距离输送功率的多电压等级应用场景。

单极直流系统含正极、零极2条母线，拓扑结构与控制策略均较为简单，适用于规模容量相对较小，负荷相对集中的场景。

根据负荷分析，智慧能源站中直流电压主要为750 V、240 V(220 V)，电压等级需求简单，容量较小，单极直流母线结构可满足应用需求，因此推荐采用单极直流母线接线形式。

5 结束语

文中通过分析变电站、数据中心、储能站、充(换)电站等传统供电方式和负荷特性，研究出智慧能源站“多站融合”工程中交直流微网供电系统结构，通过研究交直流微网中储能单元与数据中心设计的深度融合、电网与用户的深度合作，提出了储能单元应用于数据中心服务器供电的3种模式，并研究确定了直流微网的单极直流母线接线形式，优化了柴油发电机的配置和储油时间，以及UPS蓄电池的配置和运行方式，在保证各系统供电可靠性的基础上，降低了建设成本和运维成本，提高了电源系统的综合能效，为后续智慧能源站“多站融合”试点工程的设计和运行提供参考。