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劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘 要:針對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心站配電效率低、經(jīng)濟(jì)性差等問題,結(jié)合儲(chǔ)能站、變電站的優(yōu)勢(shì),提出了基于儲(chǔ)能變流器(PCS)的多站融合直流吸引供電系統(tǒng)方案,搭建一套統(tǒng)一、合理、高效三站之間信息統(tǒng)一管理一體化直流供電系統(tǒng),通過多端口低壓直流電源系統(tǒng)電路拓?fù)浼捌淇刂萍夹g(shù)研究,實(shí)現(xiàn)三站之間信息統(tǒng)一管理、能量統(tǒng)一控制功能,根據(jù)與傳統(tǒng)高壓直流方案對(duì)比,本方案具有運(yùn)行可靠性高、建設(shè)成本低、能量轉(zhuǎn)換效率高優(yōu)勢(shì),給多站融合建設(shè)提供理論上的借鑒。
關(guān)鍵詞:PCS;數(shù)據(jù)中心站;直流供電系統(tǒng);多站融合
1引言
在傳統(tǒng)電網(wǎng)中,變電站只負(fù)責(zé)能量的單向輸送,整個(gè)電網(wǎng)的電能由發(fā)電廠供應(yīng),調(diào)度中心的調(diào)度控制相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著分布式電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展,變電站的功能還將包括儲(chǔ)能、電力變換,能量的傳輸也從單向變成了雙向,電力的調(diào)度就變得非常復(fù)雜,所需要采集的數(shù)據(jù)劇烈增加,因此,在儲(chǔ)能站的基礎(chǔ)之上進(jìn)行數(shù)據(jù)中心站的建設(shè),除了要對(duì)變電站和儲(chǔ)能站進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集、發(fā)送外,還要根據(jù)電網(wǎng)的需要,實(shí)現(xiàn)在電力過剩時(shí)向儲(chǔ)能裝置充電,當(dāng)電網(wǎng)電力不足時(shí),由儲(chǔ)能裝置向電網(wǎng)供電的功能。本文基于數(shù)據(jù)中心站高壓直流供電方案提出一種數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能、變電站多站融合方案,在能耗、安全性、可靠性、后期維護(hù)還有工作效率以及環(huán)保方面具有很大優(yōu)勢(shì)。
2系統(tǒng)方案
2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
同里綜合能源服務(wù)中心采用PCS和電力電子變壓器構(gòu)造低壓直流電網(wǎng),但大容量PCS和電力電子變壓器所需占地面積大,投資高,安裝困難、調(diào)試難度大,不適用于能源站。儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心和變電站共站建設(shè)后,能夠融合三者的個(gè)體優(yōu)勢(shì),符合綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的發(fā)展方向,可以為泛在物聯(lián)網(wǎng)提供有力保障。三者融合具備以下優(yōu)勢(shì):
(1)儲(chǔ)能能夠?yàn)閿?shù)據(jù)中心提供備用電源,減少數(shù)據(jù)中心UPS的配置容量,降低數(shù)據(jù)中心占地及建設(shè)成本。
(2)儲(chǔ)能PCS長(zhǎng)時(shí)間處于低功率運(yùn)行狀態(tài),若可復(fù)用其構(gòu)造直流配電網(wǎng),則能夠大幅提高站內(nèi)設(shè)備利用率,進(jìn)一步節(jié)約資源。
基于上述考慮,提出了利用儲(chǔ)能電站PCS的冗余容量的直流數(shù)據(jù)中心供電策略。具體方案如下:
圖1 多站融合直流供電方案系統(tǒng)圖
如圖所示,供電方案為由多組PCS和DC/DC組成的獨(dú)立低壓直流微電網(wǎng),具備以下特點(diǎn):
(1)各PCS大提供120kW的直流負(fù)荷,占PCS總?cè)萘康?0%,各儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)2個(gè)PCS的直流側(cè)分別接入兩路750V直流母線,形成雙電源。
(2)PCS供給的直流功率在儲(chǔ)能集裝箱附近由750V母線匯集,通過一根直流電纜輸送至數(shù)據(jù)中心樓內(nèi)。方案中組數(shù)N根據(jù)750V電纜的載流能力確定,N=載流能力/120kW。
(3)為防止PCS直流送出線的功率倒送,各送出線配置二極管作為單向?qū)ā?/p>
(4)數(shù)據(jù)中心站每?jī)蓚€(gè)120kW的DC/DC組成一組供電電源分別接至數(shù)據(jù)中心側(cè)的750V直流母線上,供給120kW的數(shù)據(jù)中心機(jī)柜,當(dāng)一路電源故障時(shí),機(jī)柜內(nèi)部可以自動(dòng)切換至另一路電源,形成數(shù)據(jù)中心雙電源供電模式。
(5)對(duì)于A類數(shù)據(jù)中心負(fù)荷,還需要配置第三路電源,第三路電源可由附近站引入10kV電纜經(jīng)過10MVA的10kV/400V變壓器形成400V交流母線,由其引出多條出線接入PCS的交流側(cè)。
(6)在該方案中,每組DC/DC供電負(fù)荷形成一個(gè)小型的220V局部直流微網(wǎng),同時(shí)多組儲(chǔ)能PCS供給N組DC/DC直流負(fù)荷,形成一個(gè)獨(dú)立的750V直流微網(wǎng)。根據(jù)直流負(fù)荷總?cè)萘?,可以?gòu)建多個(gè)相互獨(dú)立的低壓直流微網(wǎng)。這種各直流低電壓等級(jí)局部成網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較高的供電可靠性,是低壓直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì),具有很好的工程示范意義。
2.2系統(tǒng)運(yùn)行方式
PCS直流供電方案共有三種運(yùn)行方式:
(1)蓄電池放電方式,蓄電池的一部分功率供給DC/DC直流負(fù)荷,另一部分經(jīng)由PCS流入電網(wǎng)。用電高峰時(shí)采用該運(yùn)行方式。
(2)蓄電池充電方式,功率由PCS分別供給蓄電池和DC/DC直流負(fù)荷。用電低谷時(shí)采用該運(yùn)行方式。
(3)蓄電池不充不放方式,功率由PCS供給DC/DC直流負(fù)荷。平時(shí)用電采用該運(yùn)行方式。
以上三種運(yùn)行方式下,DC/DC是穩(wěn)定的直流負(fù)荷,其只需要高壓側(cè)定功率,低壓側(cè)定電壓輸出即可,無需根據(jù)其他設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來改變策略;PCS需要根據(jù)DC/DC功率調(diào)節(jié)直流側(cè)功率參考值,從而定功率輸出;蓄電池可以采用定電壓的控制策略,根據(jù)PCS的功率情況進(jìn)行充放電。三者采用上述控制策略可以在不需要協(xié)調(diào)控制下達(dá)到自主功率平衡狀態(tài),符合直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。
2.3可靠性分析
鑒于數(shù)據(jù)中心的供電可靠性要求,本站需設(shè)置第三路電源作為備用,以防止變電站內(nèi)兩路主供電源失電后可以及時(shí)切換。正常工作情況下,兩路工作電源互為冗余且熱備用。其中任意一個(gè)元件的故障或檢修都不方案數(shù)據(jù)中心的正常供電,僅需要正常的電源切換就可以保證數(shù)據(jù)中心的不掉電運(yùn)行。在兩路主供電源消失的時(shí)候,服務(wù)器需要瞬間切換至儲(chǔ)能電池供電,在此期間第三路電源需要進(jìn)行切換操作,并在有限的時(shí)間內(nèi)替代電池,防止儲(chǔ)能電池過放電。本方案考慮利用1路10kV專線作為本數(shù)據(jù)中心的第三路電源。
3與HVDC供電方案對(duì)比
目前數(shù)據(jù)中心采用HVDC高壓直流供電方式,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,首先10kV線路經(jīng)過變壓器降壓至AC380V形成交流母線,然后通過HVDC系統(tǒng)進(jìn)行整流變換。其中HVDC實(shí)際為AC/DC和DC/DC拓?fù)涞募?jí)聯(lián),即先由AC380V變換至DC700V,然后經(jīng)由DC/DC變換至240V,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示,除此之外HVDC的DC240V還并聯(lián)了蓄電池作為后備,而本文提出的基于儲(chǔ)能PCS直流供電方式是通過儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)DC/DC給IT負(fù)荷供電。
圖2 HVDC供電方案
圖3(a) AC/DC變換
圖3(b) DC/DC變換
直流供電方案里的儲(chǔ)能PCS和DC/DC電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖4所示。由圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)圖可知,直流供電方案里的儲(chǔ)能PCS等同于HVDC供電拓?fù)涞腁C/DC變換,而DC/DC電力電子變壓器等同于HVDC供電拓?fù)涞腄C/DC變換。
圖4(a) PCS變換環(huán)節(jié)拓?fù)?/p>
圖4(b) DC/DC電力電子變壓器拓?fù)?/p>
由此可以將兩種方案對(duì)比如下:
(1)供電效率方面,目前調(diào)研結(jié)果,變壓器效率約為98%,PCS約為98%,帶隔離的DC/DC約為97%,HVDC效率約為96%,兩種方案供電效率基本一致。
(2)設(shè)備數(shù)量方面,直流方案能夠節(jié)省一級(jí)變壓器,一級(jí)AC/DC變換,同樣儲(chǔ)能可以作為UPS,從而節(jié)省一部分蓄電池,占地和設(shè)備數(shù)量相比HVDC方案具有較大優(yōu)勢(shì)。
(3)設(shè)備使用率方面,直流方案復(fù)用了儲(chǔ)能PCS作為AC/DC變換,使用儲(chǔ)能作為一定的UPS,提高了蓄電池的利用率,因此直流方案設(shè)備使用率方面占優(yōu)。
(4)可靠性方面,DC/DC的直流電壓供電質(zhì)量如供電穩(wěn)定性、電壓紋波、抗交流電壓暫降能力更高。
(5)經(jīng)濟(jì)性方面,基于儲(chǔ)能PCS供電方案中的蓄電池可在用電高峰向DC/DC直流負(fù)荷供電,在用電低谷回充電量,具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
4安科瑞蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹設(shè)備選型
4.1概述
安科瑞公司ABAT系列鉛酸蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在線電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品,可以提前對(duì)失效的鉛酸蓄電池進(jìn)行預(yù)警及電池均衡,符合ANSI/TIA-942標(biāo)準(zhǔn)要求。
??該系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)電池的電壓、內(nèi)阻與內(nèi)部溫度功能,安裝、維護(hù)與接入非常方便。系統(tǒng)主要由ABAT-S模塊、ABAT-C模塊及ABAT-M采集器組成,可通過采集器查詢告警與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)等,可選配監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集中管理。
4.2系統(tǒng)組網(wǎng)
4.3硬件選型
5結(jié)束語
本文通過研究多組儲(chǔ)能電池系統(tǒng)并聯(lián)組成的低壓直流母線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過雙電源系統(tǒng)、核心裝置多冗余配置以及能量流傳輸保護(hù)策略掌握,多端口低壓直流電源系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì);構(gòu)建多端口低壓直流電源系統(tǒng)的總體控制體系,設(shè)計(jì)電源測(cè)端口、負(fù)荷測(cè)端口、母線雙向能量的控制策略,結(jié)合各控制策略提出的多端口低壓直流電源協(xié)調(diào)控制方法,實(shí)現(xiàn)能源利用大化;通過對(duì)比拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)驗(yàn)證方案的可行性、有效性。
【參考文獻(xiàn)】
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【2】王佰超,陳彥奎,劉玉振,王浩,徐利凱,李國(guó)柱,詹金果.基于多站融合的直流供電系統(tǒng)的研究[J].專題技術(shù),2020(02):75-76
【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版
作者簡(jiǎn)介:劉細(xì)鳳,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與應(yīng)用