一种新型不间断电源在数据中心的应用研究

作者：兰洋科技浏览量：3529 时间：2023年11月10日标签: UPS电源不间断电源碳减

摘要：本文分析阐述了数据中心多种不同的不间断电源系统的特点及应用场景，探讨了固态变压器新型不间断电源系统和磷酸铁锂电池在国内数据中心的首次规模化配套应用，丰富了数据中心不间断电源系统的应用方案，为不间断电源新技术的研究和应用提供参考。

引言

随着国家“东数西算”工程的实施，作为算力重要基础设施的数据中心，其建设规模呈现快速增长，如何绿色低碳高效运行成为目前的研究热点，持续研究不间断电源对数据中心供配电系统至关重要，积极探索可靠、高效、节省占地面积、能消纳绿色能源的不间断电源系统对数据中心降低PUE和实现双碳有重要意义。本文分析了数据中心不同的不间断电源系统的特点和应用范围，结合实际项目案例阐述分析了固态变压器作为不间断电源配合磷酸铁锂电池在国内数据中心的首次规模化应用，丰富了数据中心不间断电源系统的应用方案，为数据中心不间断电源的选择和应用提供了借鉴。

不间断电源系统分析

交流UPS电源系统

交流UPS电源由变流模块、静态旁路、蓄电池组等组成，常用的在线双变换运行模式效率可到96%。近年来很多UPS产品推出了高级ECO运行模式，在高级ECO模式下，逆变器始终保持“开启”状态，与旁路输入电源并联运行，但实际并不给负载供电，当主电源发生故障时，逆变器可以完成无缝切换并继续为负载供电，同时逆变器也能可控地吸收负载谐波电流，实现滤波功能。高级ECO运行模式可以提高电能质量，运行效率高于在线双变换模式。交流UPS电源目前在数据中心应用最广泛，系统配电链路级数多，设备数量多，占地面积较大，成本较高，有些客户不接受UPS经常运行在高级ECO模式。

240V直流电源系统

240V直流电源系统由交流配电柜、整流柜、直流配电柜、蓄电池组等组成，电池直挂直流输出母线，省掉逆变环节，可用性高，整流模块可以在轻载下进入休眠模式，直流电源效率可到97%，效率高于交流UPS的在线双变换运行模式。240V直流电源系统配电链路级数多，占地面积较大，成本较高，需要ICT设备支持240V直流供电，目前主要应用在互联网行业和运营商，其他外租客户接受度较低。

巴拿马电源系统

巴拿马电源由10kV中压柜、移相变压器柜、整流柜、直流配电柜、蓄电池组等组成，实现10kVAC输入和240VDC输出，柔性集成了10kV配电、隔离变压、模块化整流器和240V直流输出配电等整个供电链路环节，简化了供电链路的多级配电，节省了低压柜的配置，可以节省占地面积，工厂预制化可节省安装工期，整体链路系统效率可到97%~97.5%。巴拿马电源集成度高，故障时影响面较大，需要ICT设备支持240V直流供电，目前主要应用在互联网行业，其他外租客户接受度较低。

交流预制化电力模块系统

交流预制化电力模块深度融合了变压器、进线/母联柜、补偿柜、交流UPS主机、交流输出柜、维修旁路柜等，实现10kVAC输入和220VAC输出，集成了10kV配电、变压器、交流UPS和交流输出配电等整个供电链路环节，简化了供电链路的多级配电，节省了低压柜的配置，也可以节省占地面积，工厂预制化可节省安装工期。交流预制化电力模块使用的是传统工频变压器，UPS运行在在线双变换运行模式时整体链路系统效率有待提升，目前国内正在推广，在一些空间受限的场景有所应用。

固态变压器（SST）系统

固态变压器以电能变换装置为核心，主要由电力电子变换器与高频变压器等部件构成的一二次融合电力设备，整套系统由交流启动柜（10kVAC输入）、功率模块柜、直流配电柜组成，高频变压器的频率通常为几kHz至几十kHz,甚至上百kHz，通过电力电子电路的控制可实现高压交流至低压直流或低压交流的电压变换及能量双向流动，高频功率变流部分替代了传统的工频变压器、低压配电柜、变流器，可以实现10kVAC输入和240VDC输出或交流输出，是可应用于数据中心行业的一种新型不间断电源系统。

以10kVAC输入、240VDC输出两端口固态变压器为例，包含交流10kV接口和直流240V端口，10kV侧由三组级联功率模块组成，低压侧三组功率模块并联接入直流240V母线段，实现电能的交直流、不同电压等级的高效变换，主回路拓扑图如图1所示。

图 1 10kVAC-240VDC 两端口固态变压器主回路拓扑图

固态变压器一般采用以SRC（Series Resonant Converter 串联谐振）为基础的各类变种谐振式电路，实现了软开关，极大降低了电力电子器件的开关损耗。采用PWM调制+移相的调制方式，在提高了电压利用率的同时也提升了链路传输效率，整体系统综合效率可达到97.5%，同时以高频替代的方式舍弃了传统供电中必备的工频变压器或移相变压器，减小了传统工频变的空载损耗，且重量相对较轻、噪声小、方便散热。

固态变压器简化了供电链路的多级配电，较传统交流UPS方案和直流240V电源方案可节省约50%占地面积，空间利用率更高；工厂预制化的生产方式可节省安装工期，实现快速部署；设置了功率模块冗余、中压故障隔离等多级保护，供电系统安全可靠；采用了在线智能自动旁路控制技术，实现在系统不停机的状态下，故障功率模块的自动智能旁路功能。

固态变压器也集成了APF、SVG功能，可实现电能质量的主动治理，完成谐波补偿,可输出感性无功和容性无功，无需额外配置谐波治理模块及无功补偿装置，额定工况下10kV输入侧电流谐波小于1%。

以两端口固态变压器为基础，可以迭代为具备多电压等级交直流端口的“能量路由器”，适用于风、光、储等不同元素的灵活接入，减少电能变换环节，能够主动控制各个端口的功率潮流，实现新能源发电的消纳，实现“源网荷储”高效接入和智能管理。

不同方案的投资和采购规模、采购模式关系较大，交流UPS电源系统方案和240V直流电源系统方案的投资还需计入变压器、低压配电柜及柜间电缆，目前国内UPS应用最为广泛且有推出大容量产品，单套240V直流电源产品的容量相对受限，固态变压器应用较少因此产业链没有达到规模化，在总的带载能力相同的情况下，交流UPS电源方案和固态变压器方案的投资相当，交流预制化电力模块和巴拿马电源的投资略低。随着以后固态变压器的广泛应用和产业链不断成熟，成本会逐渐降低，固态变压器方案的发展趋势是投资会有所下降。

后备电池分析

电池是不间断电源系统的后备保障。目前广泛运用于数据中心的电池主要是铅酸电池，如12V高倍率铅酸电池、12VⅠ类铅酸电池、2V高倍率铅酸电池和2VⅠ类铅酸电池，其中高倍率电池更适用于数据中心15min短时高倍率放电的场景。近年来，随着磷酸铁锂电池技术的不断成熟和成本的降低，磷酸铁锂电池也开始应用于数据中心场景，且在某些特定场景的优势也逐渐凸显。

磷酸铁锂电池和铅酸电池对比分析如表1所示。

表1 磷酸铁锂电池和铅酸电池对比表

磷酸铁锂电池和铅酸电池相比较，在能量密度、占地面积、使用寿命、故障更换等方面具有优势，尤其适合一些房间空间受限的场景，国外数据中心机房开始规模化使用锂电池，国内也有一些机房在使用锂电池。

实际应用案例

以贵州某“东数西算”数据中心为例，每个楼层机柜功率约2000kW，采用一路交流UPS+一路固态变压器（240VDC输出）配电方案。交流UPS方案配置1台2500kVA变压器、5台500kVA的UPS、17面低压柜，5台UPS共配置10台162Ah/72.57kWh锂电池柜和5台81Ah/36.28kWh锂电池柜。固态变压器方案配置1套2.4MW系统，考虑了电池充电功率和备用功率模块容量，包含1台交流启动柜、3台功率柜、2台直流输出柜，配置24台81Ah/36.28kWh锂电池柜，固态变压器方案比传统UPS方案节省了占地面积。每个楼层两种方案电源设备平面布置图如图2所示。