基于储能变流器（PCS）的多站融合直流吸引供电系统方案
- 来源:
- 安科瑞电气股份有限公司
- 日期:
- 2023年8月30日
1引言
在传统电网中，变电站只负责能量的单向输送，整个电网的电能由发电厂供应，调度中心的调度控制相对简单。随着分布式电网的建设与发展，变电站的功能还将包括储能、电力变换，能量的传输也从单向变成了双向，电力的调度就变得非常复杂，所需要采集的数据剧烈增加，因此，在储能站的基础之上进行数据中心站的建设，除了要对变电站和储能站进行各项数据采集、发送外，还要根据电网的需要，实现在电力过剩时向储能装置充电，当电网电力不足时，由储能装置向电网供电的功能。本文基于数据中心站高压直流供电方案提出一种数据中心、储能、变电站多站融合方案，在能耗、安全性、可靠性、后期维护还有工作效率以及环保方面具有很大优势。
2系统方案
2.1系统方案设计
同里综合能源服务中心采用PCS和电力电子变压器构造低压直流电网，但大容量PCS和电力电子变压器所需占地面积大，投资高，安装困难、调试难度大，不适用于能源站。储能、数据中心和变电站共站建设后，能够融合三者的个体优势，符合绿色数据中心建设的发展方向，可以为泛在物联网提供有力保障。三者融合具备以下优势：
（1）储能能够为数据中心提供备用电源，减少数据中心UPS的配置容量，降低数据中心占地及建设成本。
（2）储能PCS长时间处于低功率运行状态，若可复用其构造直流配电网，则能够大幅提高站内设备利用率，进一步节约资源。
基于上述考虑，提出了利用储能电站PCS的冗余容量的直流数据中心供电策略。具体方案如下：
图1 多站融合直流供电方案系统图
如图所示，供电方案为由多组PCS和DC/DC组成的独立低压直流微电网，具备以下特点：
（1）各PCS大提供120kW的直流负荷，占PCS总容量的20%，各储能集装箱内2个PCS的直流侧分别接入两路750V直流母线，形成双电源。
（2）PCS供给的直流功率在储能集装箱附近由750V母线汇集，通过一根直流电缆输送至数据中心楼内。方案中组数N根据750V电缆的载流能力确定，N=载流能力/120kW。
（3）为防止PCS直流送出线的功率倒送，各送出线配置二极管作为单向导通。
（4）数据中心站每两个120kW的DC/DC组成一组供电电源分别接至数据中心侧的750V直流母线上，供给120kW的数据中心机柜，当一路电源故障时，机柜内部可以自动切换至另一路电源，形成数据中心双电源供电模式。
（5）对于A类数据中心负荷，还需要配置第三路电源，第三路电源可由附近站引入10kV电缆经过10MVA的10kV/400V变压器形成400V交流母线，由其引出多条出线接入PCS的交流侧。
（6）在该方案中，每组DC/DC供电负荷形成一个小型的220V局部直流微网，同时多组储能PCS供给N组DC/DC直流负荷，形成一个独立的750V直流微网。根据直流负荷总容量，可以构建多个相互独立的低压直流微网。这种各直流低电压等级局部成网的拓扑结构具有较高的供电可靠性，是低压直流配电网的发展趋势，具有很好的工程示范意义。
2.2系统运行方式
PCS直流供电方案共有三种运行方式：
（1）蓄电池放电方式，蓄电池的一部分功率供给DC/DC直流负荷，另一部分经由PCS流入电网。用电高峰时采用该运行方式。
（2）蓄电池充电方式，功率由PCS分别供给蓄电池和DC/DC直流负荷。用电低谷时采用该运行方式。
（3）蓄电池不充不放方式，功率由PCS供给DC/DC直流负荷。平时用电采用该运行方式。
【参考文献】
【1】林波，浅谈.UPS不间断电源工作原理及在电力系统中的应用[J].科技风，2013（23）：92-92
【2】王佰超，陈彦奎，刘玉振，王浩，徐利凯，李国柱，詹金果．基于多站融合的直流供电系统的研究［Ｊ］．专题技术，2020（02）：75-76
【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版
在传统电网中，变电站只负责能量的单向输送，整个电网的电能由发电厂供应，调度中心的调度控制相对简单。随着分布式电网的建设与发展，变电站的功能还将包括储能、电力变换，能量的传输也从单向变成了双向，电力的调度就变得非常复杂，所需要采集的数据剧烈增加，因此，在储能站的基础之上进行数据中心站的建设，除了要对变电站和储能站进行各项数据采集、发送外，还要根据电网的需要，实现在电力过剩时向储能装置充电，当电网电力不足时，由储能装置向电网供电的功能。本文基于数据中心站高压直流供电方案提出一种数据中心、储能、变电站多站融合方案，在能耗、安全性、可靠性、后期维护还有工作效率以及环保方面具有很大优势。
2系统方案
2.1系统方案设计
同里综合能源服务中心采用PCS和电力电子变压器构造低压直流电网，但大容量PCS和电力电子变压器所需占地面积大，投资高，安装困难、调试难度大，不适用于能源站。储能、数据中心和变电站共站建设后，能够融合三者的个体优势，符合绿色数据中心建设的发展方向，可以为泛在物联网提供有力保障。三者融合具备以下优势：
（1）储能能够为数据中心提供备用电源，减少数据中心UPS的配置容量，降低数据中心占地及建设成本。
（2）储能PCS长时间处于低功率运行状态，若可复用其构造直流配电网，则能够大幅提高站内设备利用率，进一步节约资源。
基于上述考虑，提出了利用储能电站PCS的冗余容量的直流数据中心供电策略。具体方案如下：
图1 多站融合直流供电方案系统图
如图所示，供电方案为由多组PCS和DC/DC组成的独立低压直流微电网，具备以下特点：
（1）各PCS大提供120kW的直流负荷，占PCS总容量的20%，各储能集装箱内2个PCS的直流侧分别接入两路750V直流母线，形成双电源。
（2）PCS供给的直流功率在储能集装箱附近由750V母线汇集，通过一根直流电缆输送至数据中心楼内。方案中组数N根据750V电缆的载流能力确定，N=载流能力/120kW。
（3）为防止PCS直流送出线的功率倒送，各送出线配置二极管作为单向导通。
（4）数据中心站每两个120kW的DC/DC组成一组供电电源分别接至数据中心侧的750V直流母线上，供给120kW的数据中心机柜，当一路电源故障时，机柜内部可以自动切换至另一路电源，形成数据中心双电源供电模式。
（5）对于A类数据中心负荷，还需要配置第三路电源，第三路电源可由附近站引入10kV电缆经过10MVA的10kV/400V变压器形成400V交流母线，由其引出多条出线接入PCS的交流侧。
（6）在该方案中，每组DC/DC供电负荷形成一个小型的220V局部直流微网，同时多组储能PCS供给N组DC/DC直流负荷，形成一个独立的750V直流微网。根据直流负荷总容量，可以构建多个相互独立的低压直流微网。这种各直流低电压等级局部成网的拓扑结构具有较高的供电可靠性，是低压直流配电网的发展趋势，具有很好的工程示范意义。
2.2系统运行方式
PCS直流供电方案共有三种运行方式：
（1）蓄电池放电方式，蓄电池的一部分功率供给DC/DC直流负荷，另一部分经由PCS流入电网。用电高峰时采用该运行方式。
（2）蓄电池充电方式，功率由PCS分别供给蓄电池和DC/DC直流负荷。用电低谷时采用该运行方式。
（3）蓄电池不充不放方式，功率由PCS供给DC/DC直流负荷。平时用电采用该运行方式。
【参考文献】
【1】林波，浅谈.UPS不间断电源工作原理及在电力系统中的应用[J].科技风，2013（23）：92-92
【2】王佰超，陈彦奎，刘玉振，王浩，徐利凯，李国柱，詹金果．基于多站融合的直流供电系统的研究［Ｊ］．专题技术，2020（02）：75-76
【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版