趙云濤

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的推進和“東數(shù)西算”工程的實施，數(shù)據(jù)中心作為算力基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)規(guī)模呈現(xiàn)快速增長[1]。國家在2020年提出“雙碳”目標，數(shù)據(jù)中心如何能綠色低碳高效運行成為目前的研究熱點，持續(xù)研究不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）對數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)至關(guān)重要，積極探索可靠、高效、消納綠色能源的不間斷電源系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)雙碳有重要意義。本文闡述了不同的不間斷電源系統(tǒng)的特點和應(yīng)用范圍，介紹了固態(tài)變壓器作為不間斷電源在數(shù)據(jù)中心配電中的實際應(yīng)用，為數(shù)據(jù)中心選擇不間斷電源提供了借鑒。

1 不間斷電源系統(tǒng)分析

1.1 交流UPS電源系統(tǒng)

交流UPS電源由變流模塊、靜態(tài)旁路、蓄電池組等組成，常用的在線雙變換運行模式效率可達96%[2]。近年來很多UPS產(chǎn)品推出了高級ECO運行模式，在高級ECO模式下，逆變器始終保持“開啟”狀態(tài)，與旁路輸入電源并聯(lián)運行，但實際并不給負載供電。當主電源發(fā)生故障時，逆變器可以完成無縫切換并繼續(xù)為負載供電，同時也能可控地吸收負載諧波電流，實現(xiàn)濾波功能。高級ECO運行模式可以提高電能質(zhì)量，運行效率高于在線雙變換模式。交流UPS電源目前在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最廣泛，系統(tǒng)配電鏈路級數(shù)多、設(shè)備數(shù)量多、占地面積較大且成本較高，有些客戶不接受UPS經(jīng)常運行在高級ECO模式。

1.2 240 V直流電源系統(tǒng)

240 V直流電源系統(tǒng)由交流配電柜、整流柜、直流配電柜以及蓄電池組等組成，電池直掛直流輸出母線，省掉逆變環(huán)節(jié)，可用性高。整流模塊可以在輕載下進入休眠模式，直流電源效率可達97%，效率高于交流UPS的在線雙變換運行模式[3,4]。240 V直流電源系統(tǒng)配電鏈路級數(shù)多，占地面積較大，成本較高，需要信息與通信技術(shù)（Information and Communications Technology，ICT）設(shè)備支持240 V直流供電，目前主要應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)和運營商機房，其他外租客戶接受度較低。

1.3 巴拿馬電源系統(tǒng)

巴拿馬電源由10 kV中壓柜、移相變壓器柜、整流柜、直流配電柜以及蓄電池組等組成，實現(xiàn)10 kV交流輸入和240 V直流輸出，柔性集成了10 kV配電、隔離變壓、模塊化整流器和240 V直流輸出配電等整個供電鏈路環(huán)節(jié)，簡化了供電鏈路的多級配電，節(jié)省了低壓柜的配置，減少占地面積，工廠預(yù)制化可以節(jié)省安裝工期，整體鏈路系統(tǒng)效率可達97%～97.5%[5]。巴拿馬電源集成度高，故障時影響面較大，需要ICT設(shè)備支持240 V直流供電，目前主要應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，其他外租客戶接受度較低。

1.4 交流預(yù)制化電力模塊系統(tǒng)

交流預(yù)制化電力模塊深度融合了變壓器、進線/母聯(lián)柜、補償柜、交流UPS主機、交流輸出柜、維修旁路柜等，實現(xiàn)10 kV交流輸入和220 V交流輸出，集成了10 kV配電、變壓器、交流UPS以及交流輸出配電等整個供電鏈路環(huán)節(jié)，簡化了供電鏈路的多級配電，節(jié)省了低壓柜的配置，減少占地面積，工廠預(yù)制化可節(jié)省安裝工期。交流預(yù)制化電力模塊使用的是傳統(tǒng)工頻變壓器，UPS運行在在線雙變換運行模式時整體鏈路系統(tǒng)效率有待提升，目前國內(nèi)正在推廣，在一些空間受限的場景有所應(yīng)用。

1.5 固態(tài)變壓器系統(tǒng)

固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）由交流啟動柜（10 kV交流輸入）、功率模塊柜、直流配電柜組成，以電能變換裝置為核心，內(nèi)部主要由電力電子電路與高頻變壓器等部件構(gòu)成，高頻變壓器的頻率通常為幾kHz至幾十kHz,甚至上百kHz，通過電力電子電路的控制可實現(xiàn)高壓交流至低壓直流或低壓交流的電壓變換與能量雙向流動，高頻功率變流部分替代了傳統(tǒng)的工頻變壓器、低壓配電柜、變流器，可以實現(xiàn)10 kV交流輸入和240 V直流輸出或交流輸出，是可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心行業(yè)的一種新型不間斷電源系統(tǒng)。

以10 kV交流輸入、240 V直流輸出兩端口固態(tài)變壓器為例，包含交流10 kV接口和直流240 V端口，10 kV側(cè)由3組級聯(lián)功率模塊組成，低壓側(cè)3組功率模塊并聯(lián)接入直流240 V母線段，實現(xiàn)電能的交直流、不同電壓等級的高效變換。主回路拓撲如圖1所示。

圖1 10 kV交流-240 V直流兩端口固態(tài)變壓器主回路

固態(tài)變壓器一般采用以串聯(lián)諧振（Series Resonant Converter，SRC）為基礎(chǔ)的各類變種諧振式電路，實現(xiàn)了軟開關(guān)，極大降低了電力電子器件的開關(guān)損耗。采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）+移相調(diào)制方式，在提高電壓利用率的同時也提升了鏈路傳輸效率，整體系統(tǒng)綜合效率可達到97.5%。同時以高頻替代的方式舍棄了傳統(tǒng)供電中必備的工頻變壓器或移相變壓器，減小了傳統(tǒng)工頻變的空載損耗，且重量相對較輕、噪聲小、方便散熱。

固態(tài)變壓器簡化了供電鏈路的多級配電，較傳統(tǒng)交流UPS方案和直流240 V電源方案可節(jié)省約50%占地面積，空間利用率更高。工廠預(yù)制化的生產(chǎn)方式可節(jié)省安裝工期，實現(xiàn)快速部署。設(shè)置功率模塊冗余、中壓故障隔離等多級保護，供電系統(tǒng)安全可靠。采用在線智能自動旁路控制技術(shù)，實現(xiàn)在系統(tǒng)不停機狀態(tài)下故障功率模塊的自動智能旁路功能。

固態(tài)變壓器也集成了有源濾波器（Active Power Filter，APF）、靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）功能，可實現(xiàn)電能質(zhì)量的主動治理，完成諧波補償,可輸出感性無功和容性無功，無須額外配置諧波治理模塊及無功補償裝置，額定工況下10 kV輸入側(cè)電流諧波小于1%。

以兩端口固態(tài)變壓器為基礎(chǔ)，可以迭代為具備多電壓等級交直流端口的“能量路由器”，適用于風、光、儲等不同元素的靈活接入，減少電能變換環(huán)節(jié)，能夠主動控制各個端口的功率潮流，實現(xiàn)新能源發(fā)電的消納，實現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲”高效接入和智能管理。

2 后備電池分析

電池是不間斷電源系統(tǒng)的后備保障，目前廣泛運用于數(shù)據(jù)中心的電池主要是鉛酸電池，如12 V高倍率鉛酸電池、12 VⅠ類鉛酸電池、2 V高倍率鉛酸電池以及2 VⅠ類鉛酸電池，其中高倍率電池更適用于數(shù)據(jù)中心15 min短時高倍率放電的場景。近年來，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的不斷成熟和成本的降低，磷酸鐵鋰電池也開始應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心場景，且在某些特定場景的優(yōu)勢逐漸凸顯。

磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池對比分析如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池對比表

磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池相比較，在能量密度、占地面積、使用壽命以及故障更換等方面具有優(yōu)勢，尤其適合一些房間空間受限的場景，國外數(shù)據(jù)中心機房開始規(guī)?；褂娩囯姵兀瑖鴥?nèi)也有一些機房在使用鋰電池。

3 實際應(yīng)用案例

以貴州某“東數(shù)西算”數(shù)據(jù)中心為例，每個樓層機柜功率約2 000 kW，采用一路交流UPS+一路固態(tài)變壓器（240 V直流輸出）配電方案。交流UPS方案配置1臺2 500 kVA變壓器、5臺500 kVA的UPS、17面低壓柜，5臺UPS共配置10臺162 Ah/72.57（kW·h）鋰電池柜和5臺81 Ah/36.28 （kW·h）鋰電池柜。固態(tài)變壓器方案配置1套2.4 MW系統(tǒng)，考慮了電池充電功率和備用功率模塊容量，包含1臺交流啟動柜、3臺功率柜、2臺直流輸出柜，配置24臺81 Ah/36.28 （kW·h）鋰電池柜，固態(tài)變壓器方案比傳統(tǒng)UPS方案節(jié)省了占地面積。每個樓層2種方案電源設(shè)備平面布置圖如圖2所示。

圖2 機房電源設(shè)備平面布局圖

本項目是固態(tài)變壓器作為不間斷電源在國家“東數(shù)西算”數(shù)據(jù)中心場景的首次規(guī)?；瘧?yīng)用，也是固態(tài)變壓器電源和鋰電池在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的首次規(guī)模化配套應(yīng)用。此項目是國內(nèi)數(shù)據(jù)中心新型不間斷電源系統(tǒng)的一次積極探索，豐富了國內(nèi)數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用方案，對數(shù)據(jù)中心不間斷電源新技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了借鑒。

4 結(jié) 論

在國家“雙碳”目標背景下，積極探索高效節(jié)能可靠的不間斷電源系統(tǒng)已成為數(shù)據(jù)中心配電行業(yè)的一大趨勢。固態(tài)變壓器電源和鋰電池在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的配套應(yīng)用中廣泛接入利用綠色能源，減小了占地面積，提升了設(shè)備利用效率，有效降低了碳排放，對于實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”的目標意義重大。