预制式HVDC供配电系统的研究

吴华勇，王安林，顾 华

（维谛技术有限公司，陕西 西安 710075）

0 引 言

大数据时代的到来，使得互联网产品和服务的需求量与日俱增。作为大数据承载和信息媒体传输的数据中心，枢纽地位越来越凸显，其供配电系统的可靠运行、节能降耗、快速投用、省地建设等诸多现实问题成为从业人员关注的重点。在此背景下，考虑节能环保，减少数据中心机房建设和营运成本，建立创新型供电系统的架构，形成绿色数据中心供电系统势在必行。因此，本文重点对一体化融合中压配电、中压变电、低压配电及HVDC供电系统的架构进行研究。

1 数据中心建设现状

数据中心的传统建设模式是中压配电、中压变电、低压配电和低压供电各个环节都完全割裂，从10 kV中压输入到UPS或者HVDC系统输出之间存在众多中间设备，放置在不同的房间内。各典型功能区分布见图1。

需要因地制宜地根据数据中心工程的特点、负荷性质、用电容量、供电条件和节约电能等因素，综合考量并且合理制定设计方案。

这种布局松散的供配电方式建立了不同功能区的物理间隔，并分割成相互独立的2 000 kVA或2 500 kVA的变配电子系统，然后在其下挂接300～600 kVA的电源子系统。实际运用中，这些后备电源总存在5%～15%的碎片容量。对这些碎片容量的有效盘活和管理，成为当今大型数据中心建设的一个难题。此外，不同机柜都要预留操作和维护空间，极大地浪费了机房的有效面积，降低了空间利用率。

图1 数据中心供配电系统的传统建设模式

因为涉及中、低压供配电不同相关专业工程接口，施工复杂且周期长，各子系统分别交付后需要在现场设备联合调试。同时，在不同设备间使用电缆连接，既升高了系统压降，也增加了额外的故障点，降低了系统的可靠性，且增加了不必要的电能损耗和运营成本。此外，相当规模的大功率电缆走线，显著增加了投资建设成本。敷设电缆的桥架体积较大也间接阻挡了空间风道，进一步降低了制冷效率。

因此，从总拥有成本的经济可行性和保障供配电链路的系统可靠性两个角度分析，传统供配电的建设方式都不能达成理想的预期效果，而且存在一定的弊端，有必要进一步优化和改进架构。

2 预制式供配电系统方案架构

为了解决上述传统数据中心存在的问题，满足互联网企业和通信运营商数据中心直流供电需求，本文提出了预制式HVDC供配电系统的设计思路。

该系统集成了10 kVac配电、隔离变压、模块化直流电源和输出配电单元等环节，使得该产品具有高可靠性、高效率、高可用性、高功率容量、高功率密度和高可维护性等特点。单套系统容量可达2.5 MW以上，深度契合和满足5G时代数据中心的产品化、智能化、高效化、快速部署和平滑过渡等核心需求。以典型应用的1.6 MW系统为例，整体布局如图2所示。

该1.6 MW系统由中压开关柜、中压变压器柜、交流配电柜、2个HVDC整流柜和2个直流配电柜组成。此架构的原理如图3所示。

中压变压器采用Dyn11的干式电力10 kV/0.4 kV变压器，只有1个次级绕组，工艺成熟简便，更容易满足初级绕组引出线的安规要求。铁芯采用有取向硅钢片（其内部结构中晶粒朝向基本一致），热损耗小，相比传统的无取向硅钢片更有利于提高效率到99%以上。绝缘等级为H级。能够通过热电偶实时测量各绕组温度，同时配备强制散热风机，并可以根据温度阈值设定启停。

图2 预制化HVDC供配电系统

图3 预制化HVDC供配电系统原理图

日益增大的设备负载对数据中心颗粒度提出了更高的要求，业界通常采用的15 kW中功率HVDC整流模块已经不再适合。本系统中，5个25 kW恒定大功率整流模块（M1～M5）组成一个125 kW的模组单元G1，单整流柜可以放6个模组单元（G1～G6，即共计30个整流模块），使得其单整流柜容量达到750 kW，而2个整流柜满足1.5 MW的功率输出，柜内采取良好的散热和风道设计，达到了功率密度与温升的统一。

同时，整流柜上的主监控模块能够同时采集中压、变压器、模块、直流配电模拟量和开关量，可实现对整个系统的全面监控和及时下发控制指令。

2个直流配电柜母线连结在一起，对实时变化的负载保持动态平衡，每台直流配电柜都可接入多组电池和多个HVDC列头柜。每台直流柜具有独立的配电监控，并且都配置支路绝缘检测功能。在采集直流配电信息上传后，可以在系统主监控模块和直流配电柜本地同步查询直流配电信息。

3 预制式供配电系统特点分析

相比传统建设方式，该系统方案可以提升数据中心整体供电效率3%以上，减少供配电总投资成本20%以上，节省占地面积30%以上。除了这些显而易见的商业价值以外，该方案还有更优的可靠性、可用性和可维护性。

3.1 可靠性分析

整流柜内的HVDC整流模块及其模组单元作为最关键的功率变换环节，其可靠性直接决定了整个系统的MTBF。

3.1.1 整流模块交流输入侧与负载输出侧隔离

在功率变换器的拓扑中，非隔离电源虽然具有制造成本低、设计难度小、功率密度高、效率高等优点，但由于输入端和负载端之间没有通过变压器进行电气隔离而又直接连接，输入端和负载端共地，造成抗干扰能力差。

更重要的是，同样的开关器件击穿短路，对于隔离电源只是失去了供电的电源而断电，不会对负载本身造成其他影响；对于非隔离电源直接会引起模块内母线短路，进而波及对应副边绕组将故障进一步扩大，见图4。

图4 隔离和非隔离整流模块输出故障影响示意图

3.1.2 单个模块由独立断路器控制和保护

为了便于分层次的管控和选择性保护，一方面每个模组单元中任何1个的整流模块输入侧的短路故障，不会引起4个整流模块同时不工作；另一方面，每个整流模块有1个独立的断路器来下电，在检修或带电热插拔过程中更安全。

3.2 可用性分析

目前，越来越多的运营商COLO（托管租用）和互联网公司数据中心倾向于市电+HVDC供电的模式，以最大限度地提升PUE指标。

在预制化HVDC供配电系统中，将单系统中的10 kV/0.4 kV变压器副边线电压完全统一为380 V制式，增配交流配电柜的输出分路就可以在不增加变压器容量的情况下实现市电和HVDC在低压配电上的复用，接到市电+HVDC输入二合一的列头柜上，见图5。

10 kV网侧谐波含量超标会给运营过程带来各种弊端：一是引起设备的附加损耗，降低整体供电效率；二是加速线路的绝缘老化，缩短设备寿命；三是缴纳电力部门罚款，承担不必要的经济损失。GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》4谐波电压限值中明确要求：10 kV电网标称电压等级对应的电压总谐波畸变率为4%，如表1所示。

表1 公共电网谐波电压（相电压）

为了确保电网的电能质量，防止各类非线性负载产生的谐波电流注入电网，造成电压波形畸变而影响电网和广大用户的安全经济用电，必须在产生谐波的源头也就是整流模块上加以治理。其中，最直接有效的方法是设计PFC整流电路。

图5 预制式供配电系统市电+HVDC供电模式

图6 单系统中压变压器检修方案

尽管移相变压器等在高压变频器等工业场合应用相对广泛，但是在数据中心行业仍然存在各种工况可能导致谐波超标的风险。无论是各移相绕组所带负载不均衡，还是单个整流模块或多个整流模块组成的模组单元因为故障原因不能工作等情景，都会使得只有三相不控整流的整流模块对应的移相绕组的电流幅值相差较大，从而不能有效达到在10 kV网侧抵消掉多次谐波。

3.3 可维护性分析

中压变压器作为供配电系统中极为重要的一个环节，为了保障整个系统的稳定运行，需要定期检修和测试。在这种情况下，必须保证在业务不发生中断的前提下，使得中压变压器从中压配电和低压配电系统中脱离出来。

对于单系统，在对中压变压器检修时，可以通过分断其副边绕组的总输出开关和中压侧开关，使用电池备电的方式给负载设备供电，如图6所示。

图7 双系统中压变压器检修方案

对于双系统，在对A系统的中压变压器检修时，可以通过分断其对应副边绕组的总开关和中压侧开关及中压母线联络开关，同时闭合A系统和B系统之间的低压侧母线联络开关，保证A系统和B系统两套HVDC系统同时在线工作，如图7所示。

这样就避免了对中压变压器例行检修而导致HVDC变换环节全部失电瘫痪而无法正常运行的风险。

4 结 论

综上所述，以预制化HVDC供配电系统为代表的新型整体供电解决方案，经过技术论证和详细对比，在工程可实现性、可靠性、节能性和经济性等诸多方面都较以往的传统供配电建设方式更具优势和合理性，大幅度提升了部署、测试、维护速度，值得规模化应用。