光储式机房高压直流供电系统设计

李成升 黄刚 王新想 刘嘉杰

摘   要：为实现数据机房的高效清洁、高可靠供电，文章设计了一种新型的光储式机房高压直流供电系统。该系统融合了目前发展较为迅速的机房高压直流系统和传统的不间断电源，采用交直流混合供电的方式，兼容原有供电系统的同时有效提升了新能源发电的利用率，在经济性、可扩展性、电能质量方面都比传统系统更有优势。

关键词：机房;交直流混合供电;高压直流;新能源

1    机房供电问题介绍

随着网络科技的不断发展，数据机房也朝着容量不断增加、对供电可靠性要求越来越高的方向发展。但是随着机房规模的扩大，机房的耗电问题、扩容问题和维护问题日益突出。目前，我国机房主流供电模式为不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）供电以及48 V低压直流供电，但UPS供电存在并机困难（扩容困难）且存在转换环节多、效率低、易故障的问题;而48 V低压直流供电存在电压低、电流大、配电损耗高的问题[1-2]。高压直流（High Voltage Direct Current，HVDC）系统的出现有效解决了上述问题，但是也存在着对某些机房产品兼容性不佳的弊端。

2    HVDC系统概述

HVDC系统在实际的运用过程中，需要对各种设备进行测试，某些情况下还需要对设备的电源部分进行直流化改造，这些都是制约高压直流供电推广应用中所面临的一些困境。本文提出了一种新型的机房高压直流供电系统，通过采用整体高压直流配电的方式，在实现系统高效运行的同时，提高兼容性，并充分利用新能源发电的优势，实现节能降费、提高机房供电可靠性的目标。

2.1  系统整体描述

系统采用悬浮供电方式，在原有的HVDC系统上进行扩展，采用DC270V作为母线电压等级，由于新能源的接入需求，增加了储能的容量，光伏变换器经合理设计满足机房产品供电的电能质量要求。因而现有系统包括了原有的HVDC系统、增加的光伏系统及不间断电源系统，系统拓扑如图1所示。

2.2  HVDC系统简介

数据机房负荷本质上是以直流供电为主，交流电经过整流再变换成负荷所需要的直流电。为了保障供电可靠性，往往采用UPS供电方案，即市电经整流、逆变，再输入负荷，经过负荷内部的整流、变换环节得到负荷所需要的直流電压等级。由此可以看出，如果直接采用直流供电，短期的明显效果是减少了逆变环节，提高转换效率。长期来看，可以简化负荷设计，实现直流直接供电。HVDC正是近年来为了替代传统UPS电源供电系统及48 V低压直流供电系统而推出的一种机房高压直流系统，当前主流的标称电压等级为DC336V和DC240V，实际运行电压一般在DC400V和DC270V[1， 3]。系统一般分为分立式和组合式，分立式系统主要由交流柜、整流柜、直流柜、列头柜4部分组成，如图2所示;组合式则是将交流柜与整流柜合为一体。

2.3  不间断电源配置

对于少数不适合用直流供电或直流供电改造难度较大的负荷，系统仍旧保留部分UPS电源为其供电，不同的是，常规UPS不间断电源是按照市电作为主输入，蓄电池（组）作为后备输入，在线式运行方式下，市电经整流再逆变得到输出的交流电，当市电断电时，并联在整流桥后端直流母线上的电池组维持直流母线电压，蓄电池（组）作为逆变输入的源，基本无切换时间。在本系统中，直接采用直流母线作为UPS的后备电源。

2.4  系统运行模式

本系统的电源包括光伏、交流电网及储能单元3个部分，从保证高质量和连续的供电以及实现分布式电源与储能之间的相互配合和充分利用的角度出发，优先使用光伏发电，而储能则用作后备应急电源，在提高经济性的同时，保证系统的供电可靠性，系统运行策略如表1所示。

3    系统保护配置

3.1  绝缘监察

当前的绝缘电阻检测电路主要分为3种：平衡电桥检测法、不平衡电桥检测法以及低频交流检测法。平衡电桥检测法优点是不受接地电容影响、检测速度快;缺点是无法测量正负极平衡接地。不平衡电桥优点是可以检测任何形式的接地;缺点是检测速度相对慢且检测精度受接地电容影响。低频交流检测法是采用向直流母线注入低频交流信号进而检测低频电流或电压大小的方法来判别直流母线接地电阻。

本系统采用不平衡电桥检测法，如图3所示，其中R1，R2为检测电阻，R+，R-分别为正负母线对地电阻。通过监测直流正负母线对地电阻，可以进行绝缘下降和接地报警。

3.2  一体化直流配电单元保护

系统的电池馈出线及整流器馈出线采用一体化直流配电单元进行保护，一体化直流配电单元是一类直流配电保护测控装置，主要用于直流进线和直流馈线的各种故障保护跳闸和告警，保护功能包括电流保护、电压保护、接地漏电流保护、过负荷热保护、逆功率保护以及开入量联锁保护等，系统框架如图4所示。

一体化直流配电单元采集线路的电压、电流信息，通过变送器将信号送至测控中心，测控中心根据不同的策略发出控制信号，通过控制励磁脱扣器使断路器断开和电动操作机构进行故障合闸恢复运行，当馈线发生故障时，装置迅速完成故障切除动作，速度可快至10 ms，从而实现直流系统保护的快速、可靠、灵敏、准确要求，保障后端设备的安全运行[4]。

4    结语

机房负荷采用直流供电有诸多益处，伴随着新能源发电以及电力电子技术的不断发展，新能源直流配电技术也不断成熟。在此背景下，本文提出了一种新型的光储式机房高压直流供电系统，在利用新能源发电的同时，有效提升了原有HVDC系统的负荷兼容性。此外，相对于原有系统，新系统增加了一体化直流配电单元实现系统线路保护，使得机房供电的安全性得到有效提升。

[参考文献]

[1]周三.高压直流供电系统在IDC机房的应用与探讨[J].信息通信，2019（1）：268-270.

[2]林健明，陈启章，杨杰.共建共享模式下接入机房-48 V直流供电系统建设方案[J].通信电源技术，2018（2）：91-94.

[3]闫德生.高压直流336 V电源系统设计探讨[J].通信电源技术，2018（1）：159-160.

[4]李忠，严建海，王福林，等.楼宇低压直流配电系统示范应用[J].供用电，2018（6）：33-40.