侯永涛,王 蕾(.中讯邮电咨询设计院有限公司,北京 00048;.中国联合网络通信有限公司,北京 00033)
当前,我国数据中心整体用电量以每年超10%的速度高速递增。2018 年,全国数据中心总耗电量为1 500 亿kWh,达到了社会总用电量的2.19%。预计到2025 年,其占比将增加一倍,达到4.05%。在“双碳”的大背景下,数据中心供电系统能耗问题亟待解决。
为了实现“双碳”目标,我国正在大力推进以光伏、风能为主体的新能源建设及储能技术发展,加之第3 代半导体器件的技术进步和应用不断普及,都为稳定、高效的新型电力系统建设提供了有利的契机。因此,实现数据中心电力系统与新型供电系统、以第3代功率半导体器件为基础的电力电子设备的有机结合,就成为亟待解决的技术问题和挑战。
上个世纪中叶,随着半导体技术的发展,基于直流用电技术的电子设备大量出现,各种新型高压大功率交、直流变换设备和技术逐步应用于配电、供电,甚至发、输电领域,高压直流大功率电力电子技术的发、输、配、用电网络已初见端倪。由于直流发、输、配电网络没有无功损耗,且具有变换环节简单、潮流控制灵活等天然优势,采用直流电力系统逐步取代交流电力系统,已经成为业内研究的热点。
当前,以光伏、风能为代表的新能源建设正在世界各地快速开展,其中,以欧洲提出的北海超级直流电网和我国正在建设的西北部大规模新能源、东南部沿海的海上风电集群建设为代表。国内外相关学者和学术组织,结合欧洲和我国电力能源和负荷分布的特点,提出利用电压源换相直流输电(Voltage Source Converter,VSC)技术构建多源融合的高压直流输电(HVDC)网络,逐步形成跨省、跨国乃至跨州的直流电网主干网络,例如国际大电网组织(Cigre)提出了欧洲超级电网的构想[9],如图1 所示;我国的部分学者也提出中国未来直流输电网的建设构想[6],如图2所示。
图1 欧洲超级电网设想图
图2 中国直流电网主干结构设想图
可以预见未来的电力系统,一次能源结构将发生重大变革,新能源占比将迅速增加,甚至超过煤电在一次能源结构占比,这将是实现“双碳”目标最为重要的技术路径。
而在用电侧,由于以电动汽车为代表去化石能源、再电气化负荷的大量涌现,以及海量分布式新能源发电设备大量接入电网,传统的交流供电网络由于难以实现电能的双向流动,直流供配电网络将展现出强大的优势,得到推广应用。
综上所述,随着新能源大量接入电网和各种电气化用电设备的急剧增加,传统的交流电网结构越来越难以满足未来能源革命的需求,电力系统的结构、运行模式必将发生重大变革,同时,各类高中低压、不同功率储能技术在电力系统中的大量应用,如抽水蓄能、电化学储能、压缩空气储能、氢能等,对包含各种储能环节的用电设备和系统提出了能够实现双向功率流动的需求,这其中主要包括电动汽车和数据中心的供电系统。
2022 年2 月17 日,国家发改委、中央网信办、工业和信息化部和国家能源局联合印发通知,规划了10个国家数据中心集群,“东数西算”工程正式全面启动。从地理位置而言,“东数西算”数据中心的建设和我国大规模新能源和高压直流输电网的建设高度融合,如果对这些数据中心和新能源进行统一规划和建设,将大幅减少输电和电力变换环节,大幅降低数据中心供电系统的建设成本,实现新能源的就地消纳,最终显著降低用电成本;采用第3代新型电力电子器件,可以降低30%以上的电源设备转换损耗,实现更高效供电;同时,根据数据中心具有大量储能单元的特点,采用具有双向供电能力的新型电力电子技术,参与电力市场的调频调压,提供有功和无功,实现对我国电力系统的支撑能力,可以极大提高数据中心供电系统的运营效能。
对于海上风电场集群建设,同样可以考虑海上风电换流站与海底大规模数据中心的一体化规划和集约化建设,利用海底低温环境提高海底数据中心运行效率的同时,大幅降低电力传输和电力变换环节损耗,提高海上风电的利用率。
随着以碳化硅(Silicon Carbide,SiC)、氮化镓(Gal⁃lium Nitride,GaN)为代表的第3 代半导体器件和以高压直流网络供电技术为代表的新一代供电网络的出现和日趋成熟,数据中心供电系统将呈现出以下几个方面的特征。
第3 代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率和抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性,可以实现更好的电流和电压的开关控制,更适合于制作高温、高频、抗辐射的大功率电力电子设备。当前,5G 基站、新能源汽车和光伏系统等都是第3 代半导体的重要应用领域。
目前数据中心的电源设备采用的电力电子器件是硅基的IGBT 和MOSFET,但对电源设备能效、体积和重量等要求越来越高。传统的硅基电力电子器件存在着开关频率低、开关损耗大等缺点,已经达到技术瓶颈,很难进一步提升。
以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体功率器件的出现和发展,为电力电子变换器实现更高的效率、更高的功率密度提供了可能。相较于传统硅器件,SiC 器件与GaN 器件能够满足更高温度、更高电压以及更高频率的要求,其开关损耗较之硅基电力电子器件可以降低50%以上,使转换效率有质的飞跃;由于高温特性良好,还可以大幅降低对空调系统的容量需求,更进一步降低数据中心的空调能耗。
数据中心电力电子设备的电路拓扑结构主要包括整流电路和逆变电路,主流的电路变换型式为二极管整流加PFC、图腾柱电路、维也纳电路、同步整流和巴拿马电路等,这些电路型式存在无法实现双向功率传输、电力电子变换和能量存储功能只能应用在低压环节等缺点,制约了数据中心电源设备向着更高效率、更高应用层面的发展。
随着国家供电网络发展和电力电子技术的不断进步,在电力电子变换电路方面将越来越多地采用双向变换电路,并实现与高压接入系统和高压储能系统一体化设计的需求,例如将基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性高压直流输电系统、高压储能系统和通信电源系统一体化设计的技术方案,避免了工频变压器的使用,而且采用一套整流或者逆变设备可以实现高压直流输电、高压储能、通信系统供电等功能,节约了大量的电力电子器件,结合碳化硅、氮化镓等第3 代半导体器件,进一步降低了系统造价、体积和重量,将进一步提升数据中心电源设备的整体效率,并拓展了数据中心电源参与电网调频调压功能,为未来以新能源为主体的新型电力系统提供无功和有功的支持,进一步发挥整体协同效能。例如《一种适应于数据中心的新型供电系统》专利就提供了以上思路的一种解决方案,如图3所示。具体到供电系统子模块拓扑架构又可分为2 种:共同接地方案(见图4)和悬浮电位方案(见图5),两者因为隔离性能的差异,在系统电位和效率等方面各具优势。
图3 数据中心供电系统原理示意图
图4 共同接地方案原理示意图
图5 悬浮电位方案原理示意图
随着高压直流网络直流供电技术的逐步成熟,数据中心供电系统甚至可以直接接入高压直流供电甚至输电网络,从而免去交流接入的交直流变换环节,与大容量高压储能系统的结合也更为灵活多变,例如未来的数据中心供电系统可以和大规模新能源场站的高压直流供电网络、高压直流储能电站汇集成为一体,并参与新能源场站的一体化调控,成为虚拟电厂的一个单元。而随着新能源场站集群的协调控制,更进一步提升新能源发电的时空互补性,提升新能源发电、电网接入和消纳的整体稳定性,降低了新型供电系统由于新能源发电的随机性和波动性所带来的供电风险,提升数据中心的供电可靠性。而未来数据中心的后备电源系统如果实现用氢能发电或储能技术替代柴油机发电,最终将实现100%的绿电使用和零碳数据中心。
随着新能源规模发展和新型电力系统普及,数据中心的电源系统和新能源为主体的新型电力供电系统将深度融合,数据贯通,并结合数字化孪生、人工智能、区块链等新一代信息技术,实现数据中心电源系统从器件、电路、设备、系统等各个层面的实时监测和调控运行,并深度参与国家新型电力系统的运行和调控,成为新型电力系统的有机组成部分。
本文从以新能源为主体的新型电力系统构建、“双碳”背景下数据中心能效提升,以及第3 代电力电子技术发展等多个角度,对未来数据中心电源系统电力电子化的发展方向进行了初步的探讨。
a)数据中心的电力电子技术将大量使用以碳化硅和氮化镓为代表的第3 代半导体器件,替代现存的硅基IGBT 和MOSFET 器件,将使电力电子变换环节的损耗降低50%以上。
b)数据中心的电力电子设备将逐步采用具有双向功率流动的电力电子变换拓扑,并趋向于和大规模新能源场站、高压柔性直流装置、高压大功率储能装置、氢能发电设备等新型电力装置一体化设计、集成,实现高压直流网络化运行,具备实现有功、无功支撑等功能,进一步提升电力电子装置的效能和供电可靠性,最终实现100%绿电使用和零碳数据中心。
c)数据中心电力电子装置的数字化与我国新型电力系统的数字化将实现深度融合和数据贯通,并成为新型电力系统的一个单元,深度参与电力系统的运行与调控,成为数字化孪生新型电力系统的有机组成部分。