数据中心电能路由器应用研究技术报告 2024

[编号ODCC-2024-02007]开放数据中心标准推进委员会2024.09发布oCC2024-02007版权声明转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明oCC2024-02007编写组oCC2024-02007版权声明 2编写组 3 5数据中心储能应用需求白皮书 1 1 1三、缩略语和相关术语的名词解释 3四、电能路由器的发展历程和技术现状 6（一）交直流混合微电网的演化趋势 6（二）电能路由器的研究现状 9五、电能路由器的工作原理和控制策略 （一）电能路由器的拓扑架构对比 （二）电能路由器的可靠性分析 （三）电能路由器的控制策略分类 六、电能路由器在数据中心场景下的应用方案 28（一）数据中心场景下电能路由器融合新能源和储能设备的应用方案 （二）数据中心与电力系统融合后多个电能路由器的应用展望 34 37oCC2024-02007oCC2024-02007数据中心储能应用需求白皮书本白皮书的主要讨论范围是单/多端口电能路由器、其依托的交），1oCC2024-02007变换环节的传统供配电架构，大大缩短了中压交流市电到IT设备负2oCC2024-02007三、缩略语和相关术语的名词解释下面按照字母顺序排列出本白皮书出现的相关英文术语的中文CHP：天然气燃料热电联产（Co-generationofHeatandPower）CMC：链式多电平（CascadedMultilevelDAB：双线有源桥（DualActiveDCL：数字通信链路（DigitalCommunicationLDER：分布式能源（Distributed/DecentralizedEnergyDGI：分布式电网智能（DistributedGridIntelligDR：需求侧响应（DemandRespEER：电能路由器（ElectiricEnergyRouter）是一种可实现能量3oCC2024-02007IEM：智能能量管理（IntelligentEnergIFM：智能故障管理（IntelligentFaultManLS-PWM：载波层叠调制（Level-shiMMC：模块化多电平变换器（ModularMultilevelConverter），由多个结构相同的子模块（SM）级联构成，已成为柔性直流输电系MPPT：最大功率点跟踪（MaximumPo），PCC：公共连接点（PointofCommonCoupling）PCS：双向能量转换系统（PowerConversionSysPLL：锁相环（PhaselockedPS-PWM：载波移相调制（Phase-ShifPWM：脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），是通过对一4oCC2024-02007RSC：可再生侧变换器（RenewableSideConveSHE-PWM：特定谐波消除调制（SelectedHarmonicEliminationVFD：变频器（Variable-frequencyDrive），是应用变频技术与5oCC2024-02007四、电能路由器的发展历程和技术现状（一）交直流混合微电网的演化趋势由于交流电压通过交流变压器容易转换为较高的电压等级以及交流微网的基本结构如图（a）所示，光伏、风机等分布式电源装置和相关储能设备均通过各自匹配的变流设备连接到微网系统内部的一条交流母线进行统一调度，该交流母线通过PCC处的选择开够根据用户需要实现微网系统分别工作于并6oCC2024-02007oCC2024-020077oCC2024-02007交直流混合微网的基本结构如上图（b）所示，它集成了直流微交流和直流母线，它们可以通过AC/DC变流器连接，实现能量的双个特殊电源的方式通过相应的变流设备恰当地连接到交流微网的母现为接入系统内的多种负荷提供不同要求的电能并减少由于功率的8oCC2024-02007个超大功率的双向AC/DC变换器，这也是未来向直流化演进过程中纯直流微网的典型结构如图（c）所示，该微网系统中的分布式电源和储能设备以及交流部分均通过相应的变流装置连接至一条直了供电可靠性，并且因为避免了多次AC/DC转换，也进一步提高了（二）电能路由器的研究现状和随机性的缺点，实现新能源大规模接入电网系统的有效途径。而9oCC2024-02007技术是EER的最核心的技术之一，它可以实现电能的快速转换和分配，提高电力系统的运行效率；计算机网络技术用于实现EER的信络为例，即FREEDM（未来可再生电能传输和管理，TheFuture图2所示，除了安装在中压母线上的IFM和集成分布式电源单元与电母线，和通过即插即用接口连接的400V低压直流及120V低压交流配电母线的IEM装置，这也就是EER的雏形。图2北卡的FREEDM架构oCC2024-02007其次，完善EER的能量管理和网络通信，满足复杂工况下的应再次，重视和解决EER的安全和可靠性，保障长期不间断稳定同推动EER技术的发展和应用。oCC2024-02007五、电能路由器的工作原理和控制策略络的能量互联和灵活调度。因此对EER电路拓扑和控制策略的研究是为当前被数据中心供配电专业所重点关注的（一）电能路由器的拓扑架构对比前面第4.2节中介绍的FREEDM架构中的EER，其第一级为整流级，由多个H桥变换器级联构成，第二级为中间级，采用隔离型逆变器输出240V/120V交流电。不过由于当时的器件限制，开关器第一种是直接AC/AC变换，即将工频交流调制为高频交流，然种是在中间加入直流环节，即采用AC/DC/AC的形式，即先将工频制后，最后经DC/AC变换器逆变为工频交流。这两种形式的应用场oCC2024-02007应用场合。由于当今社会对电网质量要求逐渐增高，因此后者的当前比较成熟的系统拓扑为ISOP型，即输入端为中压（交流或控制电路组成，功率电路有前级的整流电路和后级的直流-直流变换器（对应直流型EER）或逆变电路（对应交流型EER），控制电路oCC2024-02007oCC2024-02007共MVDC母线，可以减少高压变频器和开关器件的数量故而降低了），oCC2024-02007以将EER按照功能划分为输入级、隔离级和输出级（视交流电源和交流负载所占比例，可有可无），如下图5所示。关系，当电平数较多时，电路结构会很复杂，难以保证分压电容电桥型和双全桥型。双反激型和双推挽型结构简单，适用于小功率场oCC2024-02007心这样的大功率应用场合，容易实现软开关，且容易实现能量的双oCC2024-02007（二）电能路由器的可靠性分析的重要基础，主要包括元件模块的年故障率），oCC2024-02007本白皮书仅讨论采用假设相同条件下的EER的可靠性，而忽略不同耐压等级的元器件等因素所造成的相对较小的故障率差异，对EER结构及EER内各模块进行可靠性建模，从端口的角度分析由不同模块和结构组成的EER之间的可靠性差异，并进行对比和初步分析。串联组成，如下图6（a）所示，从输入端到输出端依次为：单相桥），oCC2024-02007LTC整流电路，即AC/DC）和一个DAB电路串联，因此功率模块的故λmodule=λAC/DC+λDAB=0.416972（次/y）为了保障EER系统可靠运行，功率模块必须采用冗余配置，比（三）电能路由器的控制策略分类oCC2024-02007的应用，如智算中心中GPU服务器的瞬态过载。oCC2024-02007的其他部分隔离开来，以防止故障扩散并保护未受影响的区域。在开电路，从而隔离已发生的局部故障。此外EER的控制策略也包括上一节5.2中可靠性分析的部分提到了增大冗余度（n+2）来实链路电压控制等方法，如下图7所示。oCC2024-02007采用容错控制和/或容错调制实现变换器长oCC2024-02007定开关状态的控制。因此为实现故障模块重构，需改进原有的调制在EER的设计中，通常会采用多级保护策略，这包括主保护和的控制算法和快速的执行机制。例如一些EER采用了基于图论的方上述EER的故障检测和隔离功能是通过一系列复杂的硬件设备oCC2024-02007DAB模块输出并联，输入电压相同，在电路条件不同的情况下，会方法，主要采用两种解决思路：第一种是将EER的输入级和隔离级DAB原边输入侧直流母线电压较高，采用三电平电路可以降低），oCC2024-02007（ab）（cd）（ef）（gh）oCC2024-02007oCC2024-02007六、电能路由器在数据中心场景下的应用方案在数据中心供电容量日益增大的背景下，在制定供配电方案时，（一）数据中心场景下电能路由器融合新能源和储能设备的应用方案至关重要，数据中心应该考虑微电网相对于传统的UPS和发电机解在数据中心应用场景下，制定相应的EER结合微电网电力系统oCC2024-02007规范时可以参考和借鉴IEC61850这一电力系统自动化领域的全球通数据中心的负载分为IT设备和动力设备两种类型，其中IT设备挂接在母线上有多种变换器：光伏端口的MPPT采用单向的Boost升压变换器；直流负载为低压负载，采用单向Buck降压变换器；储能端口采用双向Buck-BoosoCC2024-02007根据GB/T35727-2017《中低压直流配电电压导衔接作为VSC稳定运行的约束条件；故在数据中心场景下选取750440oCC2024-02007相220V衔接更合适，另外一个重要原因是VSC需要具有适宜的调负母线间电压750V）和Δ%（允许电压偏差5%）带入VSC的调制比计算公式，可以计算出75.4%，在规定的最佳调制比范围（70%~ 2vac(1−∆%)vdc备，其内部整流后的直流电容母线电压的额定值范围在750V～800V之间，也可以将电能路由器建立的750V直流母线接入，这样将数据oCC2024-02007负荷的变化对系统造成的波动影响可通过储能设备在系统的直流侧oCC2024-02007最后，基于EER的交直流混合配用电系统结构符合当前数据中重要价值和潜力。随着技术的不断发展和成本的进一步降低，预计未来EER还支持高级的EMS策略，如DR和负oCC2024-02007（二）数据中心与电力系统融合后多个电能路由器的应用展望和孤岛模式两种，而多EER系统则有两