2024ODCC-02007數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用白皮書

數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 目錄前 言 5數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 1一、范圍 1二、引言 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 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 12（一）電能路由器的拓?fù)浼軜?gòu)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(shù)據(jù)中心場景下的應(yīng)用方案 28（一）數(shù)據(jù)中心場景下電能路由器融合新能源和儲能設(shè)備的應(yīng)用方案 （二）數(shù)據(jù)中心與電力系統(tǒng)融合后多個電能路由器的應(yīng)用展望 七、總結(jié) 36數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 前 言O(shè)DCC數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)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(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 IT設(shè)備負(fù)載端數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 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)語的中文含義，重要概念會展開解釋其定義。BIPV（BuildingIntegratedCHB：級聯(lián)H橋（CascadedHBridge）CHP：天然氣燃料熱電聯(lián)產(chǎn)（Co-generationofHeatandPower）CMC：鏈?zhǔn)蕉嚯娖剑–ascadedMultilevelConverter）DAB：雙線有源橋（DualActiveBridge）DCL：數(shù)字通信鏈路（DigitalCommunicationLink）DER：分布式能源（Distributed/DecentralizedEnergyResource）DGI：分布式電網(wǎng)智能（DistributedGridIntelligence）DR：需求側(cè)響應(yīng)（DemandResponse）EER：電能路由器（ElectiricEnergyRouter）是一種可實現(xiàn)能量（EnergyManagement熱數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)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(lián)，輸出端并聯(lián)（InputSeriesOutputParallel）LS-PWM：載波層疊調(diào)制（Level-shiftedPWM）MMC：模塊化多電平變換器（ModularMultilevelConverter），由多個結(jié)構(gòu)相同的子模塊（SM）級聯(lián)構(gòu)成，已成為柔性直流輸電系統(tǒng)的首選換流器拓?fù)?。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(jù)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(zhuǎn)換系統(tǒng)（PowerConversionSystem）PET：電力電子變壓器（PowerElectronicTransformer），是利用電力電子變換技術(shù)來實現(xiàn)電壓等級轉(zhuǎn)換和電力傳輸?shù)闹悄芑O(shè)備。PFC：功率因數(shù)校正（PowerFactorCorrection）PLL：鎖相環(huán)（Phaselockedloop）；PS-PWM：載波移相調(diào)制（Phase-shiftedPWM）PWM：脈沖寬度調(diào)制（PulseModulation），是通過對一（數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 值）。RSC：可再生側(cè)變換器（RenewableSideConverter）SHE-PWM：特定諧波消除調(diào)制（SelectedHarmonicEliminationPWM）SM(Sub-Module)，半橋型SMSMSST：固態(tài)變壓器（SolidStateTransformer）SVM：空間矢量調(diào)制（SpaceVectorModulation）VFD：變頻器Drive），是應(yīng)用變頻技術(shù)與VSC：電壓型變換器（VoltageSourceConverter)數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 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100kW到數(shù)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(zhuǎn)換為較高的電壓等級以及交流微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖（a）所示，光伏、風(fēng)機等分布式電源裝置和相關(guān)儲能設(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處的選擇開數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)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(jié)原圖數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 （b）所示，它集成了直流微AC/DC變流器連接，實現(xiàn)能量的雙個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數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 個超大功率的雙向AC/DC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AC/DC轉(zhuǎn)換，也進(jìn)一步提高了BIPV（二）電能路由器的研究現(xiàn)狀和隨機性的缺點，實現(xiàn)新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)系統(tǒng)的有效途徑。而EER數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 技術(shù)是EER的最核心的技術(shù)之一，它可以實現(xiàn)電能的快速轉(zhuǎn)換和分EER的信EER年美國北卡羅來納大學(xué)提出的構(gòu)建的自動靈活的配電網(wǎng)絡(luò)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(gòu)數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 盡管EER的研究取得了顯著的進(jìn)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(wǎng)絡(luò)通信，滿足復(fù)雜工況下的應(yīng)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(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 五、電能路由器的工作原理和控制策略EER電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘难芯浚ㄒ唬╇娔苈酚善鞯耐負(fù)浼軜?gòu)對比4.2FREEDM架構(gòu)中的EER，其第一級為整H橋變換器級聯(lián)構(gòu)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(dāng)時的器件限制，開關(guān)器的角度要不斷優(yōu)化EER縱觀EER的發(fā)展歷史，其硬件結(jié)構(gòu)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(diào)制為高頻交流，然AC/DC/AC的形式，即先將工頻交流經(jīng)過AC/DCDC/DC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)用場前者電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制都相對簡單，但可控性不太高，適用于小功率的應(yīng)用場景；而后者電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，控制相對繁瑣，數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 應(yīng)用場合。由于當(dāng)今社會對電網(wǎng)質(zhì)量要求逐漸增高，因此后者的AC/DC/AC目前主要有兩種ERI。當(dāng)前比較成熟的系統(tǒng)拓?fù)錇镮SOP（240V）直流。分為三組，對應(yīng)A、B、C33ISOP型EEREER）或逆變電路（EER），控制電路數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 前級電路也稱為CHBDC/DC電網(wǎng)側(cè)饋電的功能，因此后級電路也稱為DABMMC型電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為典型的AC/DC/ACSM頻變壓器DAB4數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 4MMC型EERMMC型EER在需要10kV直流共MVDCMMC10kV等），MMCEER數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)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(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 EEREEREEREER的設(shè)計還包括了高頻耦合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)利用高頻變壓器來數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)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(nèi)部主要元器件的可靠性參數(shù)是EER可靠性評價的重要基礎(chǔ)，主要包括元件模塊的年故障率λ（次／y）、平均故障修復(fù)時間r（h）對于處于被設(shè)想提出設(shè)計結(jié)構(gòu)、仍在實驗室中研發(fā)階段，數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 EER的可靠性，而忽略不同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（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(lián)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(lián)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(hù)電路（C&P），需要說明的是勵磁電感（Lm）數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)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(guān)文獻(xiàn)，整理各元件的故障率參數(shù)如下表1所示。表1 DAB元件/電故障率數(shù)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(lián)模型，推導(dǎo)出可靠性計算公式得出：????=0.36301由于功率模塊內(nèi)部是由一個CHB電路（實質(zhì)也是單相橋式全控整流電路，即AC/DC）和一個DAB電路串聯(lián)，因此功率模塊的故障率為：

?module=???/??+????=0.416972（次/y）EER系統(tǒng)可靠運行，功率模塊必須采用冗余配置，比如單相級聯(lián)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(guān)注于維持輸出電壓的穩(wěn)定性，這對于連接到數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 PWM的應(yīng)用，如智算中心中GPURREER數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 的其他部分隔離開來，以防止故障擴散并保護(hù)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(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)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(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 EER的設(shè)計中，通常會采用多級保護(hù)策略，這包括主保護(hù)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(fù)雜的硬件設(shè)備和軟件算法相結(jié)合來實現(xiàn)的。不僅能夠快速準(zhǔn)確地識別和響應(yīng)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(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 或儲能設(shè)備獲取的電力，以維持給ITEERISOP型EER的所有DAB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(xiàn)DAB離級通過均功率控制實現(xiàn)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(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 就是1s時間內(nèi)完成了10萬個周期的循環(huán)，那么在10us內(nèi)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(fù)雜且多樣化的領(lǐng)域，涉及到數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 以預(yù)見EER數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 六、電能路由器在數(shù)據(jù)中心場景下的應(yīng)用方案（一）數(shù)據(jù)中心場景下電能路由器融合新能源和儲能設(shè)備的應(yīng)用方案EERUPS和發(fā)電機解在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景下，制定相應(yīng)的EER結(jié)合微電網(wǎng)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 規(guī)范時可以參考和借鑒IEC61850（數(shù)據(jù)中心的負(fù)載分為ITIT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；儲能端口采用雙向Buck-Boost變換器；交流配電網(wǎng)（也包含風(fēng)能變流器和柴油發(fā)電機等）和交流型IT負(fù)載都采用三相全橋VSC，如下圖9所示。數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 圖9電能路由器融合新能源和儲能設(shè)備的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用方案根據(jù)GB/T35727-2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)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(tǒng)的標(biāo)稱電壓單位：伏優(yōu)選值備選值1500（±750）1000750（±375）600440400336240220（±110）110數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 為GB/TGB/T1402-2010660V750（±375）GB/T156《標(biāo)準(zhǔn)電壓》推薦的設(shè)備用直流電380V、單220VVSC需要具有適宜的調(diào)直流正750V）和Δ%（5%）VSC的調(diào)制75.4%（70%～80%）之內(nèi)。

1??%????= 2???1??%???而對當(dāng)前在網(wǎng)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(shè)備，以及UPS和HVDC數(shù)據(jù)中心電能路由器應(yīng)用技術(shù)報告 10EER融合現(xiàn)有UPS和HVDCR負(fù)荷的變化對系統(tǒng)造成的波動影響可通過儲能設(shè)備在系統(tǒng)的直流側(cè)進(jìn)行功率平衡的調(diào)節(jié)補償。EER其次，EER能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)中心在不同電源之間進(jìn)行快速切換，以快速響應(yīng)電網(wǎng)的瞬態(tài)波動或故障，從而保證數(shù)據(jù)中心的不間斷運行。