2024ODCC-02007数据中心电能路由器应用白皮书

数据中心电能路由器应用技术报告数据中心电能路由器应用技术报告 目录前 言 5数据中心电能路由器应用技术报告 1一、范围 1二、引言 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 12（一）电能路由器的拓扑架构对比 12（二）电能路由器的可靠性分析 18（三）电能路由器的控制策略分类 20六、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 七、总结 36数据中心电能路由器应用技术报告 前 言ODCC数据中心电能路由器应用技术报告 数据中心电能路由器应用技术报告一、范围本白皮书的主要讨论范围是单/多端口电能路由器、其依托的交二、引言EER数据中心电能路由器应用技术报告 IT设备负载端数据中心电能路由器应用技术报告 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含义，重要概念会展开解释其定义。BIPV（BuildingIntegratedCHB：级联H桥（CascadedHBridge）CHP：天然气燃料热电联产（Co-generationofHeatandPower）CMC：链式多电平（CascadedMultilevelConverter）DAB：双线有源桥（DualActiveBridge）DCL：数字通信链路（DigitalCommunicationLink）DER：分布式能源（Distributed/DecentralizedEnergyResource）DGI：分布式电网智能（DistributedGridIntelligence）DR：需求侧响应（DemandResponse）EER：电能路由器（ElectiricEnergyRouter）是一种可实现能量（EnergyManagement热数据中心电能路由器应用技术报告 EV：电动汽车（ElectricVehicle）FC：燃料电池（FuelCell）（InternationalElectrotechnicalCommission）IEM（IntelligentEnergyManagement)IFM：智能故障管理（IntelligentFaultManagement）ISOP：输入端级联，输出端并联（InputSeriesOutputParallel）LS-PWM：载波层叠调制（Level-shiftedPWM）MMC：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统的首选换流器拓扑。MPPT：最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking）MVDC：中压直流（MediumVoltageDirectCurrent），我国中压直流电压等级的划分依据是直流电压的有效值在1kV至20kV之间。PCC：公共连接点（PointofCommonCoupling）PCS：双向能量转换系统（PowerConversionSystem）PET：电力电子变压器（PowerElectronicTransformer），是利用电力电子变换技术来实现电压等级转换和电力传输的智能化设备。PFC：功率因数校正（PowerFactorCorrection）PLL：锁相环（Phaselockedloop）；PS-PWM：载波移相调制（Phase-shiftedPWM）PWM：脉冲宽度调制（PulseModulation），是通过对一（数据中心电能路由器应用技术报告 值）。RSC：可再生侧变换器（RenewableSideConverter）SHE-PWM：特定谐波消除调制（SelectedHarmonicEliminationPWM）SM(Sub-Module)，半桥型SMSMSST：固态变压器（SolidStateTransformer）SVM：空间矢量调制（SpaceVectorModulation）VFD：变频器Drive），是应用变频技术与VSC：电压型变换器（VoltageSourceConverter)数据中心电能路由器应用技术报告 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100kW到数MW，就母线电压类型而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处的选择开数据中心电能路由器应用技术报告（a）

AC/DC ACVFõ,

0DCC—2024—02007"! DCVFDDC/DC（b）MPPTSSTDC/èC"" DCVFD（c）图1 不同种微电的结原图数据中心电能路由器应用技术报告 （b）所示，它集成了直流微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数据中心电能路由器应用技术报告 个超大功率的双向AC/DC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AC/DC转换，也进一步提高了BIPV（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EER数据中心电能路由器应用技术报告 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EER的信EER年美国北卡罗来纳大学提出的构建的自动灵活的配电网络为例，即FREEDM（未来可再生电能传输和管理，TheFutureRenewableElectricEnergyDeliveryand2IFM和集成分布式电源单元与储能单元的DGI12kV400V120V低压交流配电母线的IEM装置，这也就是EER图2 北的FREEDM架构数据中心电能路由器应用技术报告 尽管EER的研究取得了显著的进展，但仍存在一些问题和挑战。针对其未来的研究展望与建议，可以从以下几个方面入手：EEREER的能量管理和网络通信，满足复杂工况下的应用需求；再次，重视和解决EER的安全和可靠性，保障长期不间断稳定运行。同推动EER数据中心电能路由器应用技术报告 五、电能路由器的工作原理和控制策略EER电路拓扑和控制策略的研究（一）电能路由器的拓扑架构对比4.2FREEDM架构中的EER，其第一级为整H桥变换器级联构成，第二级为中间级，采用隔离型DC/DC3.8kV240V/120V交流电。不过由于当时的器件限制，开关器的角度要不断优化EER纵观EER的发展历史，其硬件结构在早期大致分为两种类型：第一种是直接AC/AC变换，即将工频交流调制为高频交流，然AC/DC/AC的形式，即先将工频交流经过AC/DCDC/DC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前者电路拓扑结构和控制都相对简单，但可控性不太高，适用于小功率的应用场景；而后者电路拓扑结构相对复杂，控制相对繁琐，数据中心电能路由器应用技术报告 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AC/DC/AC目前主要有两种ERI。当前比较成熟的系统拓扑为ISOP（240V）直流。分为三组，对应A、B、C33ISOP型EEREER）或逆变电路（EER），控制电路数据中心电能路由器应用技术报告 前级电路也称为CHBDC/DC电网侧馈电的功能，因此后级电路也称为DABMMC型电能路由器拓扑结构为典型的AC/DC/ACSM频变压器DAB4数据中心电能路由器应用技术报告 4MMC型EERMMC型EER在需要10kV直流共MVDCMMC10kV等），MMCEER数据中心电能路由器应用技术报告 EER按照功能划分为输入级、隔离级和输出级（视交流电源和）55EER隔离级为双向隔离型DC/DC数据中心电能路由器应用技术报告 EEREEREEREER的设计还包括了高频耦合结构，这种结构利用高频变压器来数据中心电能路由器应用技术报告 EER在逐步被克服，而EER（二）电能路由器的可靠性分析EER功率模块及其内部主要元器件的可靠性参数是EER可靠性评价的重要基础，主要包括元件模块的年故障率λ（次／y）、平均故障修复时间r（h）对于处于被设想提出设计结构、仍在实验室中研发阶段，数据中心电能路由器应用技术报告 EER的可靠性，而忽略不同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（a）（b）图6DAB的电路原理图和可靠性框图以功率单元的后级DAB电路为例，其可靠性模型可以由6部分串联组成，如下图6（a）所示，从输入端到输出端依次为：单相桥式全控逆变电路（DC/AC）、变压器原边串联电感（L）、高频隔离变压器（T）、单相桥式全控整流电路（AC/DC）、直流输出滤波电容（C）和控制与保护电路（C&P），需要说明的是励磁电感（Lm）数据中心电能路由器应用技术报告 因为包含在高频隔离变压器（T）中，所以没有单独建模。通过查阅相关文献，整理各元件的故障率参数如下表1所示。表1 DAB元件/电故障率数元器件/电路DC/ACLTAC/DCCC&P故障率（次/y）0.020830.0000840.0139280.0539620.0227760.251430由图6（b）所示的串联模型，推导出可靠性计算公式得出：�𝐷�=0.36301由于功率模块内部是由一个CHB电路（实质也是单相桥式全控整流电路，即AC/DC）和一个DAB电路串联，因此功率模块的故障率为：

�module=���/𝐴+�𝐷�=0.416972（次/y）EER系统可靠运行，功率模块必须采用冗余配置，比如单相级联的功率模块采用n+22（三）电能路由器的控制策略分类EER电压控制策略主要关注于维持输出电压的稳定性，这对于连接到数据中心电能路由器应用技术报告 PWM的应用，如智算中心中GPURREER数据中心电能路由器应用技术报告 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EERms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5.2中可靠性分析的部分提到了增大冗余度（n+2）来实7所示。数据中心电能路由器应用技术报告 7/容错控制可搭配不同的PWMSHE-PWM、PS-PWM、LS-PWMSVM等。容错运行时，若数据中心电能路由器应用技术报告 EER的设计中，通常会采用多级保护策略，这包括主保护和EER采用了基于图论的方EER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和软件算法相结合来实现的。不仅能够快速准确地识别和响应故障，还能够通过智能控制和自愈机制来最小化故障的影响。在操作上，EER可以实时监控各个端口的能量流动，确保电力供数据中心电能路由器应用技术报告 或储能设备获取的电力，以维持给ITEERISOP型EER的所有DAB模块输出并联，输入电压相同，在电路条件不同的情况下，会EER中DAB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EER的输入级实现DAB离级通过均功率控制实现DAB目前普遍采用前者来解决多个DABDAB88（后8个模态与之完全对称）100kHz，也数据中心电能路由器应用技术报告 就是1s时间内完成了10万个周期的循环，那么在10us内变换了16种工作模式。（a） （b）（c） （d）（e） （f）（g） （h）图8原边为三电平半桥的DAB电路半周期模态分析综上所述，EER的控制策略是一个复杂且多样化的领域，涉及到数据中心电能路由器应用技术报告 以预见EER数据中心电能路由器应用技术报告 六、电能路由器在数据中心场景下的应用方案（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EERUPS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数据中心电能路由器应用技术报告 规范时可以参考和借鉴IEC61850（数据中心的负载分为ITIT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-Boost变换器；交流配电网（也包含风能变流器和柴油发电机等）和交流型IT负载都采用三相全桥VSC，如下图9所示。数据中心电能路由器应用技术报告 图9电能路由器融合新能源和储能设备的数据中心应用方案根据GB/T35727-2017《中低压直流配电电压导则》对于低压直VSC750（±375）这一优选值作为电能路由器输出的直流母线电压。表2低压直流配电系统的标称电压单位：伏优选值备选值1500（±750）1000750（±375）600440400336240220（±110）110数据中心电能路由器应用技术报告 为GB/TGB/T1402-2010660V750（±375）GB/T156《标准电压》推荐的设备用直流电380V、单220VVSC需要具有适宜的调直流正750V）和Δ%（5%）VSC的调制75.4%（70%～80%）之内。

1−∆%�𝑎�= 2�𝑎1−∆%�𝑎而对当前在网运行且占绝大比例的UPS和HVDC750V～800V750V10描绘了仍然以EER储能等新设备，以及UPS和HVDC数据中心电能路由器应用技术报告 10EER融合现有UPS和HVDCR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进行功率平衡的调节补偿。EER其次，EER能够支持数据中心在不同电源之间进行快速切换，以快速响应电网的瞬态波动或故障，从而保证数据中心的不间断运行。