2024ODCC-02007數據中心電能路由器應用白皮書

數據中心電能路由器應用技術報告數據中心電能路由器應用技術報告 目錄前 言 5數據中心電能路由器應用技術報告 1一、范圍 1二、引言 1三、縮略語和相關術語的名詞解釋 3四、電能路由器的發(fā)展歷程和技術現狀 6（一）交直流混合微電網的演化趨勢 6（二）電能路由器的研究現狀 9五、電能路由器的工作原理和控制策略 12（一）電能路由器的拓撲架構對比 12（二）電能路由器的可靠性分析 18（三）電能路由器的控制策略分類 20六、電能路由器在數據中心場景下的應用方案 28（一）數據中心場景下電能路由器融合新能源和儲能設備的應用方案 （二）數據中心與電力系統融合后多個電能路由器的應用展望 七、總結 36數據中心電能路由器應用技術報告 前 言ODCC數據中心電能路由器應用技術報告 數據中心電能路由器應用技術報告一、范圍本白皮書的主要討論范圍是單/多端口電能路由器、其依托的交二、引言EER數據中心電能路由器應用技術報告 IT設備負載端數據中心電能路由器應用技術報告 三、縮略語和相關術語的名詞解釋下面按照字母順序排列出本白皮書出現的相關英文術語的中文含義，重要概念會展開解釋其定義。BIPV（BuildingIntegratedCHB：級聯H橋（CascadedHBridge）CHP：天然氣燃料熱電聯產（Co-generationofHeatandPower）CMC：鏈式多電平（CascadedMultilevelConverter）DAB：雙線有源橋（DualActiveBridge）DCL：數字通信鏈路（DigitalCommunicationLink）DER：分布式能源（Distributed/DecentralizedEnergyResource）DGI：分布式電網智能（DistributedGridIntelligence）DR：需求側響應（DemandResponse）EER：電能路由器（ElectiricEnergyRouter）是一種可實現能量（EnergyManagement熱數據中心電能路由器應用技術報告 EV：電動汽車（ElectricVehicle）FC：燃料電池（FuelCell）（InternationalElectrotechnicalCommission）IEM（IntelligentEnergyManagement)IFM：智能故障管理（IntelligentFaultManagement）ISOP：輸入端級聯，輸出端并聯（InputSeriesOutputParallel）LS-PWM：載波層疊調制（Level-shiftedPWM）MMC：模塊化多電平變換器（ModularMultilevelConverter），由多個結構相同的子模塊（SM）級聯構成，已成為柔性直流輸電系統的首選換流器拓撲。MPPT：最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking）MVDC：中壓直流（MediumVoltageDirectCurrent），我國中壓直流電壓等級的劃分依據是直流電壓的有效值在1kV至20kV之間。PCC：公共連接點（PointofCommonCoupling）PCS：雙向能量轉換系統（PowerConversionSystem）PET：電力電子變壓器（PowerElectronicTransformer），是利用電力電子變換技術來實現電壓等級轉換和電力傳輸的智能化設備。PFC：功率因數校正（PowerFactorCorrection）PLL：鎖相環(huán)（Phaselockedloop）；PS-PWM：載波移相調制（Phase-shiftedPWM）PWM：脈沖寬度調制（PulseModulation），是通過對一（數據中心電能路由器應用技術報告 值）。RSC：可再生側變換器（RenewableSideConverter）SHE-PWM：特定諧波消除調制（SelectedHarmonicEliminationPWM）SM(Sub-Module)，半橋型SMSMSST：固態(tài)變壓器（SolidStateTransformer）SVM：空間矢量調制（SpaceVectorModulation）VFD：變頻器Drive），是應用變頻技術與VSC：電壓型變換器（VoltageSourceConverter)數據中心電能路由器應用技術報告 四、電能路由器的發(fā)展歷程和技術現狀（一）交直流混合微電網的演化趨勢100kW到數MW，就母線電壓類型而由于交流電壓通過交流變壓器容易轉換為較高的電壓等級以及交流微網的基本結構如圖（a）所示，光伏、風機等分布式電源裝置和相關儲能設備均通過各自匹配的變流設備連接到微網系統內部的一條交流母線進行統一調度，該交流母線通過PCC處的選擇開數據中心電能路由器應用技術報告（a）

AC/DC ACVF?,

0DCC—2024—02007"! DCVFDDC/DC（b）MPPTSSTDC/èC"" DCVFD（c）圖1 不同種微電的結原圖數據中心電能路由器應用技術報告 （b）所示，它集成了直流微AC/DC變流器連接，實現能量的雙個特殊電源的方式通過相應的變流設備恰當地連接到交流微網的母現為接入系統內的多種負荷提供不同要求的電能并減少由于功率的數據中心電能路由器應用技術報告 個超大功率的雙向AC/DC純直流微網的典型結構如圖（c）所示，該微網系統中的分布式電源和儲能設備以及交流部分均通過相應的變流裝置連接至一條直AC/DC轉換，也進一步提高了BIPV（二）電能路由器的研究現狀和隨機性的缺點，實現新能源大規(guī)模接入電網系統的有效途徑。而EER數據中心電能路由器應用技術報告 技術是EER的最核心的技術之一，它可以實現電能的快速轉換和分EER的信EER年美國北卡羅來納大學提出的構建的自動靈活的配電網絡為例，即FREEDM（未來可再生電能傳輸和管理，TheFutureRenewableElectricEnergyDeliveryand2IFM和集成分布式電源單元與儲能單元的DGI12kV400V120V低壓交流配電母線的IEM裝置，這也就是EER圖2 北的FREEDM架構數據中心電能路由器應用技術報告 盡管EER的研究取得了顯著的進展，但仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。針對其未來的研究展望與建議，可以從以下幾個方面入手：EEREER的能量管理和網絡通信，滿足復雜工況下的應用需求；再次，重視和解決EER的安全和可靠性，保障長期不間斷穩(wěn)定運行。同推動EER數據中心電能路由器應用技術報告 五、電能路由器的工作原理和控制策略EER電路拓撲和控制策略的研究（一）電能路由器的拓撲架構對比4.2FREEDM架構中的EER，其第一級為整H橋變換器級聯構成，第二級為中間級，采用隔離型DC/DC3.8kV240V/120V交流電。不過由于當時的器件限制，開關器的角度要不斷優(yōu)化EER縱觀EER的發(fā)展歷史，其硬件結構在早期大致分為兩種類型：第一種是直接AC/AC變換，即將工頻交流調制為高頻交流，然AC/DC/AC的形式，即先將工頻交流經過AC/DCDC/DC制后，最后經DC/AC變換器逆變?yōu)楣ゎl交流。這兩種形式的應用場前者電路拓撲結構和控制都相對簡單，但可控性不太高，適用于小功率的應用場景；而后者電路拓撲結構相對復雜，控制相對繁瑣，數據中心電能路由器應用技術報告 應用場合。由于當今社會對電網質量要求逐漸增高，因此后者的AC/DC/AC目前主要有兩種ERI。當前比較成熟的系統拓撲為ISOP（240V）直流。分為三組，對應A、B、C33ISOP型EEREER）或逆變電路（EER），控制電路數據中心電能路由器應用技術報告 前級電路也稱為CHBDC/DC電網側饋電的功能，因此后級電路也稱為DABMMC型電能路由器拓撲結構為典型的AC/DC/ACSM頻變壓器DAB4數據中心電能路由器應用技術報告 4MMC型EERMMC型EER在需要10kV直流共MVDCMMC10kV等），MMCEER數據中心電能路由器應用技術報告 EER按照功能劃分為輸入級、隔離級和輸出級（視交流電源和）55EER隔離級為雙向隔離型DC/DC數據中心電能路由器應用技術報告 EEREEREEREER的設計還包括了高頻耦合結構，這種結構利用高頻變壓器來數據中心電能路由器應用技術報告 EER在逐步被克服，而EER（二）電能路由器的可靠性分析EER功率模塊及其內部主要元器件的可靠性參數是EER可靠性評價的重要基礎，主要包括元件模塊的年故障率λ（次／y）、平均故障修復時間r（h）對于處于被設想提出設計結構、仍在實驗室中研發(fā)階段，數據中心電能路由器應用技術報告 EER的可靠性，而忽略不同EER結構及EER內各模塊進行可靠性建模，從端口的角度分析由不同模塊和結構組成的EER（a）（b）圖6DAB的電路原理圖和可靠性框圖以功率單元的后級DAB電路為例，其可靠性模型可以由6部分串聯組成，如下圖6（a）所示，從輸入端到輸出端依次為：單相橋式全控逆變電路（DC/AC）、變壓器原邊串聯電感（L）、高頻隔離變壓器（T）、單相橋式全控整流電路（AC/DC）、直流輸出濾波電容（C）和控制與保護電路（C&P），需要說明的是勵磁電感（Lm）數據中心電能路由器應用技術報告 因為包含在高頻隔離變壓器（T）中，所以沒有單獨建模。通過查閱相關文獻，整理各元件的故障率參數如下表1所示。表1 DAB元件/電故障率數元器件/電路DC/ACLTAC/DCCC&P故障率（次/y）0.020830.0000840.0139280.0539620.0227760.251430由圖6（b）所示的串聯模型，推導出可靠性計算公式得出：????=0.36301由于功率模塊內部是由一個CHB電路（實質也是單相橋式全控整流電路，即AC/DC）和一個DAB電路串聯，因此功率模塊的故障率為：

?module=???/??+????=0.416972（次/y）EER系統可靠運行，功率模塊必須采用冗余配置，比如單相級聯的功率模塊采用n+22（三）電能路由器的控制策略分類EER電壓控制策略主要關注于維持輸出電壓的穩(wěn)定性，這對于連接到數據中心電能路由器應用技術報告 PWM的應用，如智算中心中GPURREER數據中心電能路由器應用技術報告 的其他部分隔離開來，以防止故障擴散并保護未受影響的區(qū)域。在EERms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5.2中可靠性分析的部分提到了增大冗余度（n+2）來實7所示。數據中心電能路由器應用技術報告 7/容錯控制可搭配不同的PWMSHE-PWM、PS-PWM、LS-PWMSVM等。容錯運行時，若數據中心電能路由器應用技術報告 EER的設計中，通常會采用多級保護策略，這包括主保護和EER采用了基于圖論的方EER上述EER的故障檢測和隔離功能是通過一系列復雜的硬件設備和軟件算法相結合來實現的。不僅能夠快速準確地識別和響應故障，還能夠通過智能控制和自愈機制來最小化故障的影響。在操作上，EER可以實時監(jiān)控各個端口的能量流動，確保電力供數據中心電能路由器應用技術報告 或儲能設備獲取的電力，以維持給ITEERISOP型EER的所有DAB模塊輸出并聯，輸入電壓相同，在電路條件不同的情況下，會EER中DAB方法，主要采用兩種解決思路：第一種是將EER的輸入級和隔離級EER的輸入級實現DAB離級通過均功率控制實現DAB目前普遍采用前者來解決多個DABDAB88（后8個模態(tài)與之完全對稱）100kHz，也數據中心電能路由器應用技術報告 就是1s時間內完成了10萬個周期的循環(huán)，那么在10us內變換了16種工作模式。（a） （b）（c） （d）（e） （f）（g） （h）圖8原邊為三電平半橋的DAB電路半周期模態(tài)分析綜上所述，EER的控制策略是一個復雜且多樣化的領域，涉及到數據中心電能路由器應用技術報告 以預見EER數據中心電能路由器應用技術報告 六、電能路由器在數據中心場景下的應用方案（一）數據中心場景下電能路由器融合新能源和儲能設備的應用方案EERUPS和發(fā)電機解在數據中心應用場景下，制定相應的EER結合微電網電力系統數據中心電能路由器應用技術報告 規(guī)范時可以參考和借鑒IEC61850（數據中心的負載分為ITIT設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；直流負載為低壓負載，采用單向Buck降壓變換器；儲能端口采用雙向Buck-Boost變換器；交流配電網（也包含風能變流器和柴油發(fā)電機等）和交流型IT負載都采用三相全橋VSC，如下圖9所示。數據中心電能路由器應用技術報告 圖9電能路由器融合新能源和儲能設備的數據中心應用方案根據GB/T35727-2017《中低壓直流配電電壓導則》對于低壓直VSC750（±375）這一優(yōu)選值作為電能路由器輸出的直流母線電壓。表2低壓直流配電系統的標稱電壓單位：伏優(yōu)選值備選值1500（±750）1000750（±375）600440400336240220（±110）110數據中心電能路由器應用技術報告 為GB/TGB/T1402-2010660V750（±375）GB/T156《標準電壓》推薦的設備用直流電380V、單220VVSC需要具有適宜的調直流正750V）和Δ%（5%）VSC的調制75.4%（70%～80%）之內。

1??%????= 2???1??%???而對當前在網運行且占絕大比例的UPS和HVDC750V～800V750V10描繪了仍然以EER儲能等新設備，以及UPS和HVDC數據中心電能路由器應用技術報告 10EER融合現有UPS和HVDCR負荷的變化對系統造成的波動影響可通過儲能設備在系統的直流側進行功率平衡的調節(jié)補償。EER其次，EER能夠支持數據中心在不同電源之間進行快速切換，以快速響應電網的瞬態(tài)波動或故障，從而保證數據中心的不間斷運行。