基于双台电力电子变压器并联运行的数据中心配电系统研究

郭添俊 刘美集

摘要：在城市用电配电侧，交直流混合系统因其具有消纳多类型能源、满足用户多元化用能需求、实现多能互补、提高电网安全性等优点被广泛研究。本文针对数据中心用能需求及分布式可再生能源消纳等问题，提出一种基于双台电力电子变压器并联运行的数据中心配电系统。本文研究了数据中心配电系统架构、电力电子变压器特征及系统运行控制技术等。为数据中心建设提供一种分布式能源高效消纳及安全可靠系统，对促进未来配电网侧广泛消纳多类型能源的系统建设提供参考。

关键词：数据中心;电力电子变压器;分布式可再生能源;系统运行控制

0  引言

随着大数据、云计算和物联网等信息技术的飞速发展，数据量急速增长[1-4]。目前，全球数据量每年增长达50%。近年来，中国的互联网技术已处于世界领先水平，产生的数据量十分庞大。随着单机柜功率和数量不断增加，能耗问题日益凸显，给数据中心配电系统带来一些新的挑战[5-6]。传统数据中心配电系统主要分为交流配电系统和直流配电系统。数据中心传统交流配电系统结构图如图1所示，电网到直流负荷之间需经过整流、逆变、整流的交直交直多次变换，每次电能变换均会产生损耗，降低系统效率，增加系统成本，且过多的中间环节也会影响系统的可靠性[7-15]。数据中心直流配电系统结构图如图2所示，相比于交流系统，其中间电能变换环节较少，且没有传统UPS的谐波问题，提高了系统的可靠性和运行效率，降低了系统成本。正是直流系统的上述优点，使得其应用越来越广泛。

无论是交流还是直流配电系统，传统数据中心配电系统具有以下缺点：电能变换次数较多，效率较低;很难实现分布式可再生能源的高占比、高效消纳;输出电压等级单一;仍需大体积工频变压器，占地面积大。针对现阶段数据中心配电系统存在的问题，本文围绕数据中心用电特性，提出了一种基于双台电力电子变压器并联运行的数据中心配电系统，该系统以电力电子变压器为核心设备，研究了系统运行控制、多能互补优化等关键技术[16-19]。该系统的建成可实现分布式可再生能源、多形式储能等的高效接入，实现资源优化配置，提高经济效益。

1  数据中心配电系统架构

针对上述数据中心供电需求，建设配用电双级混联、多能互补的分布式可再生能源交直流混合示范工程，实现可再生能源的高占比接入及数据中心配电网的高效率运行。该系统包含光伏、风机、光热发电及热利用系统、储电系统。通过多端口多功能电力电子变压器集群实现多种分布式可再生能源高比例接入、交直流配用电多级混联。通过储电、储热等综合储能系统，实现源、网、荷高效互补，同时改善多种分布式能源高比例接入对电网的影响。数据中心基于电力电子变压器并联运行的配电网系统应用方案如图3所示，该方案采用双回10 kV市电线路进线，分别接两台2 MW电力电子变压器，两台变压器互为热备用。

2 电力电子变压器特征分析

电力电子变压器（PET）是实现交直流混合系统高效运行的核心设备，其通过高效率电力电子拓扑技术、高频磁性元件设计技术、高隔离等级模块一体化设计技术，实现不同端口间的电能转换及电气隔离，典型PET拓扑结构如图4所示。相比于传统工频变压器，PET具有以下优点：1） 多端口设计，可实现不同电压类型、不同电压等级的双向功率控制;2） 方便不同电压类型新能源系统高效接入，减小接入时的电能变换环节，提高新能源系统应用效率;3） 隔离变压器采用中高频变压器，所需导线及铁心材料更少，减小了变压器的体积;4） 电力电子变压器可实现功率因数、副边电压的控制。

本文研究的PET包含10kV/±375V 直流、10kV/380V 交流四个端口，低压侧并联、高压侧串联的模块化串并联结构，低压侧采用并联的结构可以高效率的扩容;高压侧采用串联结构直接升压至中压配电网电压等级，并且以多电平的形式出现，有利于减小滤波电感。内部系统采用高频变压器隔离，有利于减小变压器体积，提高系统功率密度。高频部分采用软开关技术，有利于提高高频部分的效率，减少损耗。功率模块采用碳化硅宽禁带器件，具有耐高温、耐高压、高效率等特点。在交直流混合系统中电力电子变压器的作用包括：1） 不同电压类型、电压等级的能量高效、双向流动;2） 分布式可再生能源的灵活高效接入;3） 幅值、相位、频率调节功能，高压交流端口具备谐波抑制及无功补偿功能;4） 具备一定的自检、故障容错和系统恢复能力。

3 系统运行控制

3.1 电力电子变压器的集群协同控制

电力电子变压器集群控制是将两台或者两台以上电力电子变压器进行能量端口组合，通过主动协调控制，整体具备灵活电能路由和高效能量管理的功能。集群控制以提高系统能效为目标，通过集中式或分级的协同控制机制，优化分配各电力电子变压器端口的能量大小，使得设备和系统高效运行。

3.2 系统运行控制目標

为实现交直流混合分布式系统的区域自治、云端互联、智能化水平，提高可再生能源的消纳性，开发了多能协调控制系统、“源-网-荷-储”能量管理系统、基于云平台的分布式可再生能源运行管理系统，并对系统运行提出了如下运行控制目标：1） 通过运行控制系统，实现交直流混合分布式系统的区域自治、云端互联;2） 通过多能协调控制系统的控制，依托多功能电力电子变压器、故障电流控制器等关键设备，实现交直流混合分布式系统的稳定运行，同时，基于多种运行模式柔性切换，提高系统灵活性和稳定性;3） 通过能量管理系统的优化调度，使得系统中的各类可再生能源实现最大化利用，并实现单个交直流混合分布式系统的智能化运行;4） 通过云端运行管理系统的聚类融合，实现多个分散系统的信息融合和共享，并基于云平台，实现多个交直流混合分布式系统的统一运营管理;5） 通过运行控制系统，并结合保护系统，实现系统在故障下的快速隔离与恢复，提高供电可靠性。

3.3 系统运行控制模式

针对系统基本运行方式，考虑2台电力电子变压器的联合运行、单台电力电子变压器及其各端口存在多种灵活的控制模式，并且电力电子变压器具备附加的电能质量治理功能，因此根据电力电子变压器控制模式，可以划分为系统失电、主从运行模式、对等运行模式、电能质量治理模式，同时考虑系统故障问题，增加主从模式故障态和对等模式故障态两种故障中间态。如图5所示为系统运行模式图，首先系统从失电状态通过电力电子变压器的不同启动方式，可以进入主从运行模式或对等运行模式，并且考虑储能存在 PQ 模式和下垂模式，在对应的运行模式下，储能可实现两种模式的切换，从而满足不同具体工况下的控制需求。电能质量治理模式主要是在不改变电力电子变压器原有控制模式的基础上，为改善接入配网点电能质量而附加的功能。同时，针对两种运行模式下的故障态，设计了对应故障及恢复的转换。

4  结语

在能源转型、数据中心大力发展背景下，围绕数据中心用能特点及分布式可再生能源的发展需求，本文研究了一种基于双台电力电子变压器并联运行的数据中心配电系统。首先，介绍了数据中心用能现状及存在的问题，提出了一种可推广性和可复制性的交直流混合的数据中心配电系统。其次，对配电系统中的核心设备进行了分析，与传统变压器相比具有更好的性能及灵活的控制策略，进而分析了系统的控制运行技术。该系统为数据中心供电系统设计提供了新思路，对促进未来配电网侧广泛消纳多类型能源的系统建设具有积极意义。

参考文献

[1]董朝阳，赵俊华，文福拴，等.从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架[J].电力系统自动化，2014，38（15）：1-11.

[2]马钊，周孝信，尚宇炜，等.能源互联网概念、关键技术及发展模式探索[J].电网技术， 2015， 39（11）：3014-3022.

[3]孙宏斌，郭庆来，潘昭光.能源互联网：理念、架构与前沿展望[J].电力系统自动化，2015，39（11）：3005-3013.

[4]韦晓广，高仕斌，臧天磊，等.社会能源互联网：概念、架构和展望[J].中国电机工程学报，2018，38（17）：4969-4986+5295.

[5]史海疆.云计算数据中心发展趋势探讨[J].电气应用，2018，37（12）：6-9.

[6]鄧维，刘方明，金海，等.云计算数据中心的新能源应用：研究现状与趋势[J].计算机学报，2013，36（03）：582-598.

[7]董晓峰，苏义荣，吴健，等.支撑城市能源互联网的主动配电网方案设计及工程示范[J].中国电机工程学报，2018，38（S1）：75-85.

[8]蒲天骄，刘克文，陈乃仕，等.基于主动配电网的城市能源互联网体系架构及其关键技术[J].中国电机工程学报，2015，35（14）：3511-3521.

[9]齐琛，汪可友，李国杰，等.交直流混合主动配电网的分层分布式优化调度[J].中国电机工程学报，2017，37（07）：1909-1918.

[10]朱永强，贾利虎，蔡冰倩，等.交直流混合微电网拓扑与基本控制策略综述[J].高电压技术，2016，42（09）：2756-2767.

[11]张璐，唐巍，梁军，等.基于VSC的交直流混合中压配电网功率–电压协调控制[J].中国电机工程学报，2016，36（22）：6067-6075.

[12]王伟亮，王丹，贾宏杰，等.能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述[J].中国电机工程学报，2016，36（12）：3292-3305.

[13]艾芊，郝然.多能互补、集成优化能源系统关键技术及挑战[J].电力系统自动化，2018，42（04）：2-10+46.

[14]薛士敏，陈超，金毅，等.直流配电系统保护技术研究综述[J].中国电机工程学报，2014，34（19）：3114-3122.

[15]吴鸣，刘海涛，陈文波，等.中低压直流配电系统的主动保护研究[J].中国电机工程学报，2016，36（04）：891-899.

[16]姜山，范春菊，黄宁，等.电力电子变压器直流端口极间短路故障特性分析[J].中国电机工程学报，2018，38（05）：1301-1309.

[17]孙秋，范春菊，徐峰，等.电力电子变压器中压直流端口单极接地故障特性研究[J].电网技术，2018，42（11）：3616-3622.

[18]李子欣，高范强，赵聪，等.电力电子变压器技术研究综述[J].中国电机工程学报，2018，38（05）：1274-1289.

[19]李子欣，王平，楚遵方，等.面向中高压智能配电网的电力电子变压器研究[J].电网技术，2013，37（9）：2592-2601.