陳邦穩(wěn)，姜曉君（.中國(guó)聯(lián)通浙江分公司，浙江杭州 3005；.中訊郵電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 概述

近年來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，全國(guó)數(shù)據(jù)中心總用電量已突破1 000 億kWh，約占全社會(huì)總用電量的1.9%。北上廣深等地方政府相繼出臺(tái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，要求新建數(shù)據(jù)中心的PUE 必須低于1.4，相比國(guó)外很多數(shù)據(jù)中心1.3 以下的PUE 值，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心節(jié)能潛力巨大，降低PUE 已成為各界熱衷研究和探索的方向，也是衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)和管理水平的標(biāo)志。

數(shù)據(jù)中心是能耗大戶(hù)，其功率密度約為普通辦公建筑的20 倍，電費(fèi)約占總運(yùn)營(yíng)成本的60%以上，降低電源系統(tǒng)損耗、提高供電效率、減少能源消耗已成為當(dāng)前數(shù)據(jù)中心建設(shè)面臨的主要任務(wù)，同時(shí)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也催生了新型供電技術(shù)的突破。

本文以中國(guó)聯(lián)通浙江省某大型數(shù)據(jù)中心為應(yīng)用實(shí)例，在傳統(tǒng)10 kV AC/400 V AC 變配電和240HVDC 高壓直流供電系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了供電結(jié)構(gòu)改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)方式的創(chuàng)新，引入了三相10 kV AC/240 V DC直變式的不間斷電源（下稱(chēng)SHVDC電源），在確保數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)安全性和可靠性不降低的前提下，通過(guò)減少輸配電環(huán)節(jié)、縮短配電鏈路、減少電能變換級(jí)數(shù)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)效率、空間利用率的重大提升。通過(guò)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的規(guī)模試用和運(yùn)行效果評(píng)價(jià)，闡述了SHVDC電源在提升數(shù)據(jù)中心效能、挖掘電力資源的利用率方面具有較大的推廣價(jià)值，具有開(kāi)創(chuàng)性的意義。

2 數(shù)據(jù)中心的電源類(lèi)型

數(shù)據(jù)中心最常見(jiàn)的供電電源一般采用交流UPS不間斷電源，通俗地說(shuō)UPS電源經(jīng)歷了工頻UPS、塔式高頻UPS 和模塊化高頻UPS 系統(tǒng)三大階段，其系統(tǒng)容量由100 kVA 左右提升至600 kVA 乃至1 MVA 以上，系統(tǒng)效率由87%左右提升到95%以上，其在數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷率一般控制在45%以下（2N結(jié)構(gòu)）；其主要使用對(duì)象一般為小型互聯(lián)網(wǎng)客戶(hù)和金融政企類(lèi)客戶(hù)。

近幾年來(lái)由于HVDC 電源的興起，其減少了一級(jí)DC/AC變換，后備電池組直接并接在直流輸出母線上，模塊化的整流結(jié)構(gòu)以及直流的并聯(lián)輸出等特點(diǎn)，使電源效率可以提升到96%以上，其負(fù)荷率一般控制在50%以下（2N 結(jié)構(gòu)），設(shè)備容量的利用率較UPS 系統(tǒng)提升約11%（2N 結(jié)構(gòu)）。HVDC 電源系統(tǒng)的高效率、高安全和易維護(hù)，使其迅速在大型互聯(lián)網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)中心中得到規(guī)模應(yīng)用。

另外，國(guó)外還有少數(shù)數(shù)據(jù)中心使用動(dòng)態(tài)UPS電源，鑒于其造價(jià)高、后備時(shí)間短、維護(hù)要求高等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。

3 數(shù)據(jù)中心的電源供電架構(gòu)

本文以“中國(guó)聯(lián)通綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”的T3和T3+供電結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述。

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心UPS 電源通常采用2N 供電架構(gòu)，每套電源的輸入采用雙路市電切換輸入，為降低電源變換的損耗，提升供電系統(tǒng)效率，目前可將UPS升級(jí)成ECO 供電模式，當(dāng)旁路源電壓處于ECO 電壓范圍內(nèi)時(shí)，旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)旁路供電。當(dāng)旁路源電壓不在ECO 電壓范圍內(nèi)時(shí)，負(fù)載由旁路轉(zhuǎn)向逆變供電。無(wú)論是旁路還是逆變供電，整流器都將處于開(kāi)啟狀態(tài)并通過(guò)充電器為后備電池充電。該模式使供電系統(tǒng)的效率提升近3%，由于存在供電切換和逆變隱患，在業(yè)內(nèi)應(yīng)用存在局限。

240 V HVDC 電源的可用性較UPS 電源提升了2個(gè)“9”，為進(jìn)一步降低供電損耗，大型互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)的數(shù)據(jù)中心通常采用一路高壓直流+一路市電直供的混合供電模式，其供電效率提高約3%，使供電系統(tǒng)的可靠性、安全性、節(jié)能率、投資成本得到完美的統(tǒng)一。

4 新型高效SHVDC電源

SHVDC 電源是一種簡(jiǎn)約、高效、清潔、可靠的特種HVDC 高壓直流電源，在中國(guó)聯(lián)通浙江省某大型數(shù)據(jù)中心得到實(shí)際應(yīng)用，其具有如下優(yōu)勢(shì)。

a）10 kV AC到240 V DC整系統(tǒng)效率達(dá)到97.5%。

b）節(jié)省供配電系統(tǒng)成本和工程施工成本約30%。

c）模塊化設(shè)計(jì)，按需配置容量，可節(jié)約40%電力機(jī)房空間。

d）縮短建設(shè)工期3個(gè)月以上。

e）供電鏈路簡(jiǎn)潔，有效提高系統(tǒng)供電可靠性。

SHVDC系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 SHVDC直流電源系統(tǒng)原理框圖

SHVDC 是一種超越傳統(tǒng)HVDC 的高效不間斷電源，其輸入由10 kV 三相交流電直供，直接輸出240 V直流電源，系統(tǒng)把10 kV 至240 V 整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程集成在一起，縮減至一級(jí)隔離，能大大縮減電氣器件數(shù)目，減少轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高了整體效率，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SHVDC的簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1 移相變壓器的關(guān)鍵作用

移相變壓器是整流變壓器的一種。整流裝置的單向?qū)щ娮饔?，?huì)引起整流變壓器交變磁場(chǎng)波形的畸變；畸變的大小取決于直流容量占電網(wǎng)容量的比例和流入電網(wǎng)中的諧波電流的頻率及諧波次數(shù)。抑制諧波的有效辦法之一是對(duì)整流變壓器高壓側(cè)進(jìn)行移相，該方法可以基本上消除幅值較大的低次諧波。當(dāng)直流容量較大時(shí)，則采用等效18 相以上的整流系統(tǒng)，后端的IGBT相當(dāng)于可控硅的作用，在整流系統(tǒng)中，僅控制通斷不控制相位。

移相變壓器多用于大功率變頻器及大功率直流電源的輸入側(cè)。采用移相變壓器的目的是增加整流器的脈數(shù)，三相整流稱(chēng)為6脈整流，三相變壓器經(jīng)過(guò)移相產(chǎn)生另外一組三相，整流輸入為6相，稱(chēng)為12脈整流。三相變壓器經(jīng)過(guò)移相產(chǎn)生另外三組三相，整流輸入為12相，稱(chēng)為24 脈整流。整流器脈數(shù)越多，輸入電流諧波越小，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染越小。

為減小輸入電流諧波，本文所述的SHVDC電源采用72脈的移相變壓器。

4.2 SHVDC與傳統(tǒng)HVDC的對(duì)比

目前，數(shù)據(jù)機(jī)房常用的從10 kV 輸入至240 V 輸出的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 HVDC的簡(jiǎn)化系統(tǒng)

10 kV AC 轉(zhuǎn)換至380 V AC 時(shí)需進(jìn)行一級(jí)隔離，380 V AC 轉(zhuǎn)換為240 V DC 時(shí)需第2 級(jí)隔離，且380 V AC 和10 kV 只是電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換，故在380 V AC 這級(jí)網(wǎng)絡(luò)上需要有功率因數(shù)校正（PFC）的功能，目前商用的HVDC 電源設(shè)備在輸入電路中普遍配置PFC，PFC的電壓一般需要將電壓提升到400 V 左右。此電路導(dǎo)致380 V AC 至240 V DC 的效率最高只能達(dá)到96%左右。

SHVDC 的一體方案相比較于目前常用HVDC 電源方案，通過(guò)定制變壓器輸出，把功率因數(shù)校正功能集成于10 kV 整流（移相）變壓器，但不會(huì)增加變壓器的難度和成本，同時(shí)后級(jí)電源的輸入電壓直接工作在接近400 V，使PFC 升壓電路可以長(zhǎng)時(shí)間不工作，可以提高直流電源的可靠性和效率，效率為97.5%。

后級(jí)240 V AC 轉(zhuǎn)換240 V DC 的環(huán)節(jié)也能從隔離變?yōu)榉歉綦x，在功能和結(jié)構(gòu)上大大簡(jiǎn)化了這級(jí)變換器的設(shè)計(jì)，功率密度和效率大幅度提升，功率轉(zhuǎn)換的密度基本翻倍，最高效率亦可以達(dá)到98%。10 kV輸入側(cè)的功率因素值（PF）大于0.99，電流諧波含量（THD）小于5%。系統(tǒng)外觀如圖4所示。

圖4 SHVDC系統(tǒng)外觀與結(jié)構(gòu)圖

5 電源系統(tǒng)可用度對(duì)比分析

SHVDC 電源的供電環(huán)節(jié)可以簡(jiǎn)化為如圖5 所示的結(jié)構(gòu)。

圖5 SHVDC電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)可用度計(jì)算公式，SHVDC的可用度為：

AS=［1-（1-A1×A2×A5）×（1-A6）］×A7

通常的HVDC電源系統(tǒng)的供電環(huán)節(jié)可以簡(jiǎn)化為如圖6所示的結(jié)構(gòu)。

通常，HVDC電源的可用度為：

AH=［1-（1-A1×A2×A3×A4×A5）×（1-A6）］×A7

根據(jù)可用度的定義，A1-A7 的實(shí)際值都小于1，得：（1-A1×A2×A5）＜（1-A1×A2×A3×A4×A5），故SHVDC的可用度較通常的HVDC電源系統(tǒng)高。此處不用具體數(shù)值代入計(jì)算，AS、AH、A1-A7 分別代表對(duì)應(yīng)的可用度。

圖6 通常的HVDC電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6 第三方驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

本文所述案例的SHVDC 電源在調(diào)試開(kāi)通后進(jìn)行了第三方驗(yàn)證測(cè)試，驗(yàn)證結(jié)果達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，現(xiàn)列舉一些主要測(cè)試結(jié)果供大家參考。

表1示出的是不同負(fù)載率下的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 不同負(fù)載率下的測(cè)試數(shù)據(jù)

7 綜合效益分析

7.1 節(jié)能節(jié)電測(cè)算

中國(guó)聯(lián)通浙江省某大型數(shù)據(jù)中心實(shí)際采用了2套650 kW 和4 套1 250 kW 的SHVDC 電源，分別按2N 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，按其實(shí)際測(cè)得的50%負(fù)荷率下的系統(tǒng)效率97.5%考慮，較常用的HVDC 電源供電系統(tǒng)效率（考慮變配電損耗和壓降）提升約3.5%。4 套1 250 kW 的SHVDC 電源每年可節(jié)省的電費(fèi)為：每年可節(jié)約用電=4×1250×50%×365×24×3.5%=766 500 kWh，按1 元/kWh計(jì)算每年可節(jié)省電費(fèi)約76.6萬(wàn)元。

7.2 盤(pán)活電力容量

目前國(guó)內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心單體市電引入一般為主備各2萬(wàn)kVA 電力容量，在后續(xù)的輸變配電環(huán)節(jié)，通常被分割成相互獨(dú)立的2 000 kVA 或2 500 kVA 的變配電子系統(tǒng)，然后再在這些配電系統(tǒng)下掛接300～600 kVA的電源子系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)用中這些后備電源總存在5%～15%的碎片容量，盤(pán)活和管理這些碎片容量是大型數(shù)據(jù)中心的一個(gè)難題。SHVDC電源則可以在10 kV中壓母線出線端將低壓的各子系統(tǒng)的碎片容量集中，極大地提高了數(shù)據(jù)中心的電力資源利用率，尤其在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)挖掘電力容量這個(gè)稀缺資源具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

在信息通信局房改造擴(kuò)容過(guò)程中，SHVDC 更有利于挖掘配電子系統(tǒng)的電力碎片容量，提高電力資源的利用率，同時(shí)SHVDC 作為10 kV 市電的負(fù)載，可以節(jié)省電力審批和變壓器的增容費(fèi)。

7.3 支撐彈性容量

由于SHVDC 電源較通常的HVDC 或UPS 系統(tǒng)容量大一倍以上，其資源池的作用愈加明顯，在大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)，負(fù)載不確定、負(fù)載升級(jí)換代較快的背景下，其對(duì)負(fù)載的彈性裕度較大，資源調(diào)度的靈活度高。

7.4 節(jié)約空間資源

SHVDC 取消了傳統(tǒng)的變壓器和低壓配電系統(tǒng)，同時(shí)將多套HVDC 電源集成在一套電源之中，可以節(jié)省動(dòng)力設(shè)備的安裝空間，經(jīng)理論測(cè)算和實(shí)際運(yùn)用案例分析，其節(jié)約安裝空間約40%，極大地提升了數(shù)據(jù)中心動(dòng)力機(jī)房的空間利用率。

以2 000 kW 容量的數(shù)據(jù)中心模塊負(fù)荷為例，使用HVDC方案，考慮一路市電+一路HVDC，需要配置2臺(tái)2 500 kVA 變壓器，約21 面低壓配電柜，8 套HVDC（每套負(fù)荷250 kW）。使用SHVDC 電源，即使按照2N 系統(tǒng)配置，也只需要4 套1 250 kW SHVDC 電源。2 種方案所需設(shè)備對(duì)比見(jiàn)表2和表3。

表2 HVDC方案設(shè)備配置表（一路市電+一路HVDC）

表3 SHVDC方案設(shè)備配置表（2N結(jié)構(gòu)）

由表2和表3可知，使用SHVDC電源方案，設(shè)備數(shù)量和占地面積都將大大降低。需要補(bǔ)充的是，以上是HVDC+市電方案與2N SHVDC 方案對(duì)比，如果使用2N HVDC 與2N SHVDC 電源方案對(duì)比，SHVDC 電源節(jié)約設(shè)備數(shù)量、節(jié)省空間的優(yōu)點(diǎn)將更加突出。

SHVDC 電源采用了大容量的整流電源系統(tǒng)，同HVDC 方案對(duì)比，相同負(fù)荷的情況下，電池配置的組數(shù)少、單組容量大，減少了電池組數(shù)和電池的安裝空間。

SHVDC 電源系統(tǒng)不僅輸出240 V 直流，在本案例中還預(yù)留了低壓220 V 交流輸出，用于解決部分照明、空調(diào)末端的非保障型交流負(fù)荷需求。

7.5 降低工程投資

由表2 和表3 的對(duì)比可知，SHVDC 電源相對(duì)傳統(tǒng)的變壓器-低壓柜-HVDC/UPS 配電系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量減少，電纜數(shù)量也減少。考慮綜合投資，該方案較傳統(tǒng)方案節(jié)約投資約30%。隨著SHVDC 電源逐步推廣，造價(jià)逐漸降低，節(jié)約投資效果會(huì)越來(lái)越明顯。

同時(shí)低配系統(tǒng)的取消、電源套數(shù)減少和電池單體數(shù)量的減少，簡(jiǎn)化了動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控的網(wǎng)元和測(cè)點(diǎn)數(shù)量，同樣節(jié)約了投資。

7.6 簡(jiǎn)化工作易維護(hù)

SHVDC 本質(zhì)上屬于一種直流電源，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整流的模塊化結(jié)構(gòu)具有系統(tǒng)維護(hù)方便、擴(kuò)容和割接容易的特點(diǎn)，但是新技術(shù)引入必須有對(duì)應(yīng)新運(yùn)維規(guī)程的跟進(jìn)，高壓直流系統(tǒng)的漏電監(jiān)測(cè)和高壓直流開(kāi)關(guān)的選擇都必須引起重視。

8 結(jié)論

SHVDC 相較于通常的HVDC 電源，把功率因數(shù)校正功能集成于10 kV 移相變壓器，后級(jí)240 V AC 轉(zhuǎn)換240 V DC 的環(huán)節(jié)從隔離變?yōu)榉歉綦x，在功能和結(jié)構(gòu)上大大簡(jiǎn)化了變換器的設(shè)計(jì)，功率密度和效率大幅提升，最高效率可以達(dá)到98%左右。10 kV 輸入側(cè)的功率因數(shù)值（PF）大于0.99，電流諧波含量（THD）小于5%。

SHVDC 電源通過(guò)對(duì)10 kV AC/240 V AC 直接變換，取消了低壓變配電系統(tǒng)，通過(guò)AC/DC 轉(zhuǎn)換輸出直接達(dá)到了HVDC 電源的效果，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約、占地減少。相較于傳統(tǒng)的HVDC 因減少了供電環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可靠性提高。

綜上，SHVDC 電源從提高數(shù)據(jù)中心電力資源和空間資源的利用率、簡(jiǎn)化運(yùn)行維護(hù)、降低TCO 角度來(lái)看都具有較大的推廣價(jià)值。