特变电工新能源打造绿色数据中心：综合能效提升18%以上

文 | 时丕丽

幽深的走廊、一眼望不到头的机柜、间或有着炫酷的灯光……这就是普通人想象中的数据中心的模样。在当前政府、互联网、电信、金融等千行百业加速数字化转型时，由服务器、存储、网络、能源等组成的数据中心，作为支撑数字化转型的基础，迎来高速发展。

目前，全球数据中心市场年复合增长率超过20%，其中美国数据中心市场规模占比最大，达到38%；中国市场规模虽然目前仅占9%，但随着国内新基建、5G、大数据、人工智能等产业迅速发展，国内数据中心市场规模增速超过30%，2020年国内数据中心市场规模已达到2000亿元，耗电量相当于四个三峡水电站的发电量之和。

数据中心的高能耗不仅给企业带来了沉重负担，也给全社会能源供应带来了巨大压力。但目前数据中心用能效率PUE普遍偏高（PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗，其值大于1，越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好），总体能耗至少比国际先进水平差了30%以上，全生命周期数据中心能源消耗成本已经占到数据中心总成本的50%以上。

数据中心基础设施高耗能的属性受到日益严峻的电力资源、水资源及土地资源制约，能耗问题成为阻碍数据中心产业发展的主要矛盾。为此，国家发改委、国家能源局等四部委联合发布的《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》，提出“强化能源配套机制”的要求，其中包括探索电力网和数据网联动建设、运行机制，进一步降低数据中心用电成本，引导清洁能源开发使用，推动绿色数据中心建设。

如何让作为“耗能大户”的数据中心可以降低用电成本呢？在中国“碳中和”的大趋势下，这无疑是一个重大考验。在国家重点专项东莞安华数据中心示范工程中，特变电工运用交直流混合多端口电力电子变压器解决方案为绿色数据中心的打造提供了最佳实践经验。

多能互补优化，绿电助力碳达峰

数据中心是未来为数不多能源消耗占社会总用电量比例持续增长的行业。因此，数据中心提升绿色能源应用，并积极探索储能技术落地，提升高渗透率下的新能源消纳能力，对于实现碳达峰和碳中和的目标意义重大，实现绿色数据中心的核心在于数据中心配电系统能够灵活接入光伏、风电等各类绿色能源。

特变电工新能源电力电子变压器具备10kVAC/380VAC/10kVD C/±375VDC10kVAC/380VAC/10kVDC/±375VDC等交直流、多种电压等级的端口，多端口电力电子变压器可构建交直流混合系统，可减少电能变换环节，支撑分布式可再生能源的灵活接入，提高能源利用效率。

基于电力电子变压器的交直流混合微网系统总体可分为三层架构。第一层为设备层，主要囊括了分布式电源（风电、光伏系统等）和不同的交直流负荷；第二层控制层，以电力电子变压器为核心，分布式电源和负荷可通过其灵活的多端口配置实现可靠接入，并通过其中/高压接口，实现与配电网的有效连接；第三层为管理层，以“双端”能量管理系统为核心，采用人工智能算法可实现电力电子变压器交直流混合系统的分布式能源互补优化以及多个端口之间的协调控制，提高能源利用效率，多机并联系统的集群控制、功率在线优化分配，保障系统效率最优，同时能够对接电网调度，参与电力市场交易及辅助服务等，真正实现绿色数据中心电能的智能路由。

新型供电方案下系统效率提升6%

数据中心传统的UPS供电方案，是由高压配电柜、变压器、低压配电柜、UPS等组成，虽然系统方案成熟，但由于设备种类数量多，电能变换环节多，占地面积大，转换效率低，已有被逐步淘汰的趋势。

基于电力电子技术的新型供电方案逐渐占领市场，其中采用多端口电力电子变压器替代传统变压器、低压配电柜及UPS的方案备受关注，该方案通过电力电子变压器构建交直流混联系统架构，实现电能的交直流、不同电压等级的高效变换，能够实现光伏发电直供IT负荷及直流空调等负荷，有效降低电能变换引起的损耗。与传统UPS供电方案相比效率可提高6%以上。

特变电工新能源电力电子变压器采用三级全桥+高频变压器拓扑结构，同时具备多自由度调制及开关频率优化等核心专利技术，能够有效降低开关损耗，开关器件由第三代宽禁带半导体碳化硅材料构成，使得电力电子变压器有着更高的效率，中低压配电系统整体效率超越98.2%；采用“N-1”式的模块冗余设计，具有微秒级模块在线旁路功能，可实现功率模块故障自动旁路，系统不停机运行；采用模块化调制策略无需额外配置有源滤波装置，有效降低谐波含量，谐波含量小于1%，满足数据中心对高效、可靠、优质电能的需求。该产品于2017年获得中国机电工程学会“居于国际领先水平”的最高评价。

一站式供配电解决方案，提升ROI

随着服务器功率快速提升、体积不断下降，传统的供配电系统空间占比越来越高，导致IT“出柜率”越来越低，而且传统配电系统设备繁杂，空间无法最大化利用，设备采购及现场安装管理困难，交付周期长达2个月以上，阻碍数据中心的投资回报率提升。

特变电工新能源电力电子变压器数据中心配电方案采用模块化级联设计，通过高频隔离有效提升设备功率密度，无需外置变压器、低压配电柜等，占地面积减少30%，采用预装式集装箱一体化设计，结构紧凑，自带安装机架，现场施工要求简单，便于快速布置，施工周期可缩短至2周，有效降低数据中心初期建设投资成本及全生命周期投资收益率。

未来的无限可能

该工程属于国家重点研发计划“智能电网技术与装备”重点专项“交直流混合的分布式可再生能源技术”项目中针对数据中心典型应用场景的示范工程。

这个包含了风光、储能等多种能源形势互补的可再生能源系统无疑是未来能耗量大的数据中心能源解决方案的主要形式。在可再生能源占比高达65%的情况下，特变电工新能源不仅结合了源、荷接入变换环节多、系统能效低等问题，而且还在在多运行模式、含异构多节点、多能流特征下的系统互补优化配置方法，实现了系统综合节能18%。

目前，特变电工新能源电力电子变压器设备已在多个示范应用工程中成熟可靠运行。在国家能源局首批“互联网+”智慧能源示范工程中，特变电工新能源研制的首台±10kV/2MW级电力电子变压器助力世界规模最大的多端交直流混合柔性配网互联工程在广东珠海唐家湾成功投运；依托2017国家重点研发计划“交直流混合的分布式可再生能源关键技术、核心装备和工程示范研究”项目，特变电工新能源研制的两台AC10kV、DC10kV电压等级四端口电力电子变压器助力国内规模最大的交直流混合微电网顺利投运。

未来，在“多站融合”（变电站、储能站、数据中心站、北斗基站、5G基站等）的供配电系统中，电力电子变压器可作为连接配电网和各站的电能变换系统，实现多能接入变换与管理和潮流控制，提供“多站”配电成套解决方案。

在柔性配电网建设领域，电力电子变压器可作为柔性合环代替传统合环开关，突破传统“闭环设计、开环运行”的合环开关方案，为柔性配网提供潮流控制、故障隔离等功能，有效提高柔性配网可靠性。另外，在可再生能源发电并网、储能并网、工商业园区交直流混合微电网、电动车智能群充充电站、柔性直流配电网等领域，电力电子变压器将拥有更加广阔的应用空间，为用户提供柔性可控的高可靠性电能变换管理方案。