數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用研究技術(shù)報(bào)告 2024

[編號(hào)ODCC-2024-02007]開放數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)委員會(huì)2024.09發(fā)布o(jì)CC2024-02007版權(quán)聲明轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者觀點(diǎn)的，應(yīng)注明oCC2024-02007編寫組oCC2024-02007版權(quán)聲明 2編寫組 3 5數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能應(yīng)用需求白皮書 1 1 1三、縮略語和相關(guān)術(shù)語的名詞解釋 3四、電能路由器的發(fā)展歷程和技術(shù)現(xiàn)狀 6（一）交直流混合微電網(wǎng)的演化趨勢(shì) 6（二）電能路由器的研究現(xiàn)狀 9五、電能路由器的工作原理和控制策略 （一）電能路由器的拓?fù)浼軜?gòu)對(duì)比 （二）電能路由器的可靠性分析 （三）電能路由器的控制策略分類 六、電能路由器在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下的應(yīng)用方案 28（一）數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下電能路由器融合新能源和儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用方案 （二）數(shù)據(jù)中心與電力系統(tǒng)融合后多個(gè)電能路由器的應(yīng)用展望 34 37oCC2024-02007oCC2024-02007數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能應(yīng)用需求白皮書本白皮書的主要討論范圍是單/多端口電能路由器、其依托的交），1oCC2024-02007變換環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)供配電架構(gòu)，大大縮短了中壓交流市電到IT設(shè)備負(fù)2oCC2024-02007三、縮略語和相關(guān)術(shù)語的名詞解釋下面按照字母順序排列出本白皮書出現(xiàn)的相關(guān)英文術(shù)語的中文CHP：天然氣燃料熱電聯(lián)產(chǎn)（Co-generationofHeatandPower）CMC：鏈?zhǔn)蕉嚯娖剑–ascadedMultilevelDAB：雙線有源橋（DualActiveDCL：數(shù)字通信鏈路（DigitalCommunicationLDER：分布式能源（Distributed/DecentralizedEnergyDGI：分布式電網(wǎng)智能（DistributedGridIntelligDR：需求側(cè)響應(yīng)（DemandRespEER：電能路由器（ElectiricEnergyRouter）是一種可實(shí)現(xiàn)能量3oCC2024-02007IEM：智能能量管理（IntelligentEnergIFM：智能故障管理（IntelligentFaultManLS-PWM：載波層疊調(diào)制（Level-shiMMC：模塊化多電平變換器（ModularMultilevelConverter），由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊（SM）級(jí)聯(lián)構(gòu)成，已成為柔性直流輸電系MPPT：最大功率點(diǎn)跟蹤（MaximumPo），PCC：公共連接點(diǎn)（PointofCommonCoupling）PCS：雙向能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PowerConversionSysPLL：鎖相環(huán)（PhaselockedPS-PWM：載波移相調(diào)制（Phase-ShifPWM：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation），是通過對(duì)一4oCC2024-02007RSC：可再生側(cè)變換器（RenewableSideConveSHE-PWM：特定諧波消除調(diào)制（SelectedHarmonicEliminationVFD：變頻器（Variable-frequencyDrive），是應(yīng)用變頻技術(shù)與5oCC2024-02007四、電能路由器的發(fā)展歷程和技術(shù)現(xiàn)狀（一）交直流混合微電網(wǎng)的演化趨勢(shì)由于交流電壓通過交流變壓器容易轉(zhuǎn)換為較高的電壓等級(jí)以及交流微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖（a）所示，光伏、風(fēng)機(jī)等分布式電源裝置和相關(guān)儲(chǔ)能設(shè)備均通過各自匹配的變流設(shè)備連接到微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的一條交流母線進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，該交流母線通過PCC處的選擇開夠根據(jù)用戶需要實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)分別工作于并6oCC2024-02007oCC2024-020077oCC2024-02007交直流混合微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如上圖（b）所示，它集成了直流微交流和直流母線，它們可以通過AC/DC變流器連接，實(shí)現(xiàn)能量的雙個(gè)特殊電源的方式通過相應(yīng)的變流設(shè)備恰當(dāng)?shù)剡B接到交流微網(wǎng)的母現(xiàn)為接入系統(tǒng)內(nèi)的多種負(fù)荷提供不同要求的電能并減少由于功率的8oCC2024-02007個(gè)超大功率的雙向AC/DC變換器，這也是未來向直流化演進(jìn)過程中純直流微網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖（c）所示，該微網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備以及交流部分均通過相應(yīng)的變流裝置連接至一條直了供電可靠性，并且因?yàn)楸苊饬硕啻蜛C/DC轉(zhuǎn)換，也進(jìn)一步提高了（二）電能路由器的研究現(xiàn)狀和隨機(jī)性的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)系統(tǒng)的有效途徑。而9oCC2024-02007技術(shù)是EER的最核心的技術(shù)之一，它可以實(shí)現(xiàn)電能的快速轉(zhuǎn)換和分配，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)EER的信絡(luò)為例，即FREEDM（未來可再生電能傳輸和管理，TheFuture圖2所示，除了安裝在中壓母線上的IFM和集成分布式電源單元與電母線，和通過即插即用接口連接的400V低壓直流及120V低壓交流配電母線的IEM裝置，這也就是EER的雛形。圖2北卡的FREEDM架構(gòu)oCC2024-02007其次，完善EER的能量管理和網(wǎng)絡(luò)通信，滿足復(fù)雜工況下的應(yīng)再次，重視和解決EER的安全和可靠性，保障長(zhǎng)期不間斷穩(wěn)定同推動(dòng)EER技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。oCC2024-02007五、電能路由器的工作原理和控制策略絡(luò)的能量互聯(lián)和靈活調(diào)度。因此對(duì)EER電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘难芯渴菫楫?dāng)前被數(shù)據(jù)中心供配電專業(yè)所重點(diǎn)關(guān)注的（一）電能路由器的拓?fù)浼軜?gòu)對(duì)比前面第4.2節(jié)中介紹的FREEDM架構(gòu)中的EER，其第一級(jí)為整流級(jí)，由多個(gè)H橋變換器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，第二級(jí)為中間級(jí)，采用隔離型逆變器輸出240V/120V交流電。不過由于當(dāng)時(shí)的器件限制，開關(guān)器第一種是直接AC/AC變換，即將工頻交流調(diào)制為高頻交流，然種是在中間加入直流環(huán)節(jié)，即采用AC/DC/AC的形式，即先將工頻制后，最后經(jīng)DC/AC變換器逆變?yōu)楣ゎl交流。這兩種形式的應(yīng)用場(chǎng)oCC2024-02007應(yīng)用場(chǎng)合。由于當(dāng)今社會(huì)對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求逐漸增高，因此后者的當(dāng)前比較成熟的系統(tǒng)拓?fù)錇镮SOP型，即輸入端為中壓（交流或控制電路組成，功率電路有前級(jí)的整流電路和后級(jí)的直流-直流變換器（對(duì)應(yīng)直流型EER）或逆變電路（對(duì)應(yīng)交流型EER），控制電路oCC2024-02007oCC2024-02007共MVDC母線，可以減少高壓變頻器和開關(guān)器件的數(shù)量故而降低了），oCC2024-02007以將EER按照功能劃分為輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)（視交流電源和交流負(fù)載所占比例，可有可無），如下圖5所示。關(guān)系，當(dāng)電平數(shù)較多時(shí)，電路結(jié)構(gòu)會(huì)很復(fù)雜，難以保證分壓電容電橋型和雙全橋型。雙反激型和雙推挽型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于小功率場(chǎng)oCC2024-02007心這樣的大功率應(yīng)用場(chǎng)合，容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，且容易實(shí)現(xiàn)能量的雙oCC2024-02007（二）電能路由器的可靠性分析的重要基礎(chǔ)，主要包括元件模塊的年故障率），oCC2024-02007本白皮書僅討論采用假設(shè)相同條件下的EER的可靠性，而忽略不同耐壓等級(jí)的元器件等因素所造成的相對(duì)較小的故障率差異，對(duì)EER結(jié)構(gòu)及EER內(nèi)各模塊進(jìn)行可靠性建模，從端口的角度分析由不同模塊和結(jié)構(gòu)組成的EER之間的可靠性差異，并進(jìn)行對(duì)比和初步分析。串聯(lián)組成，如下圖6（a）所示，從輸入端到輸出端依次為：?jiǎn)蜗鄻颍?，oCC2024-02007LTC整流電路，即AC/DC）和一個(gè)DAB電路串聯(lián)，因此功率模塊的故λmodule=λAC/DC+λDAB=0.416972（次/y）為了保障EER系統(tǒng)可靠運(yùn)行，功率模塊必須采用冗余配置，比（三）電能路由器的控制策略分類oCC2024-02007的應(yīng)用，如智算中心中GPU服務(wù)器的瞬態(tài)過載。oCC2024-02007的其他部分隔離開來，以防止故障擴(kuò)散并保護(hù)未受影響的區(qū)域。在開電路，從而隔離已發(fā)生的局部故障。此外EER的控制策略也包括上一節(jié)5.2中可靠性分析的部分提到了增大冗余度（n+2）來實(shí)鏈路電壓控制等方法，如下圖7所示。oCC2024-02007采用容錯(cuò)控制和/或容錯(cuò)調(diào)制實(shí)現(xiàn)變換器長(zhǎng)oCC2024-02007定開關(guān)狀態(tài)的控制。因此為實(shí)現(xiàn)故障模塊重構(gòu)，需改進(jìn)原有的調(diào)制在EER的設(shè)計(jì)中，通常會(huì)采用多級(jí)保護(hù)策略，這包括主保護(hù)和的控制算法和快速的執(zhí)行機(jī)制。例如一些EER采用了基于圖論的方上述EER的故障檢測(cè)和隔離功能是通過一系列復(fù)雜的硬件設(shè)備oCC2024-02007DAB模塊輸出并聯(lián)，輸入電壓相同，在電路條件不同的情況下，會(huì)方法，主要采用兩種解決思路：第一種是將EER的輸入級(jí)和隔離級(jí)DAB原邊輸入側(cè)直流母線電壓較高，采用三電平電路可以降低），oCC2024-02007（ab）（cd）（ef）（gh）oCC2024-02007oCC2024-02007六、電能路由器在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下的應(yīng)用方案在數(shù)據(jù)中心供電容量日益增大的背景下，在制定供配電方案時(shí)，（一）數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下電能路由器融合新能源和儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用方案至關(guān)重要，數(shù)據(jù)中心應(yīng)該考慮微電網(wǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)的UPS和發(fā)電機(jī)解在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景下，制定相應(yīng)的EER結(jié)合微電網(wǎng)電力系統(tǒng)oCC2024-02007規(guī)范時(shí)可以參考和借鑒IEC61850這一電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域的全球通數(shù)據(jù)中心的負(fù)載分為IT設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備兩種類型，其中IT設(shè)備掛接在母線上有多種變換器：光伏端口的MPPT采用單向的Boost升壓變換器；直流負(fù)載為低壓負(fù)載，采用單向Buck降壓變換器；儲(chǔ)能端口采用雙向Buck-BoosoCC2024-02007根據(jù)GB/T35727-2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)銜接作為VSC穩(wěn)定運(yùn)行的約束條件；故在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下選取750440oCC2024-02007相220V銜接更合適，另外一個(gè)重要原因是VSC需要具有適宜的調(diào)負(fù)母線間電壓750V）和Δ%（允許電壓偏差5%）帶入VSC的調(diào)制比計(jì)算公式，可以計(jì)算出75.4%，在規(guī)定的最佳調(diào)制比范圍（70%~ 2vac(1??%)vdc備，其內(nèi)部整流后的直流電容母線電壓的額定值范圍在750V～800V之間，也可以將電能路由器建立的750V直流母線接入，這樣將數(shù)據(jù)oCC2024-02007負(fù)荷的變化對(duì)系統(tǒng)造成的波動(dòng)影響可通過儲(chǔ)能設(shè)備在系統(tǒng)的直流側(cè)oCC2024-02007最后，基于EER的交直流混合配用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)符合當(dāng)前數(shù)據(jù)中重要價(jià)值和潛力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的進(jìn)一步降低，預(yù)計(jì)未來EER還支持高級(jí)的EMS策略，如DR和負(fù)oCC2024-02007（二）數(shù)據(jù)中心與電力系統(tǒng)融合后多個(gè)電能路由器的應(yīng)用展望和孤島模式兩種，而多EER系統(tǒng)則有兩