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特變電工新能源打造綠色數(shù)據(jù)中心:綜合能效提升18%以上

能源發(fā)展網(wǎng)發(fā)布時間:2021-04-09 00:00:00

幽深的走廊、一眼望不到頭的機柜、間或有著炫酷的燈光……這就是普通人想象中的數(shù)據(jù)中心的模樣。在當前政府、互聯(lián)網(wǎng)、電信、金融等千行百業(yè)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型時,由服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)、能源等組成的數(shù)據(jù)中心,作為支撐數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ),迎來高速發(fā)展。

目前,全球數(shù)據(jù)中心市場年復(fù)合增長率超過20%,其中美國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模占比最大,達到38%;中國市場規(guī)模雖然目前僅占9%,但隨著國內(nèi)新基建、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,國內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模增速超過30%,2020年國內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模已達到2000億元,耗電量相當于四個三峽水電站的發(fā)電量之和。

數(shù)據(jù)中心的高能耗不僅給企業(yè)帶來了沉重負擔,也給全社會能源供應(yīng)帶來了巨大壓力。但目前數(shù)據(jù)中心用能效率PUE普遍偏高(PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗,其值大于1,越接近1表明非IT設(shè)備耗能越少,即能效水平越好),總體能耗至少比國際先進水平差了30%以上,全生命周期數(shù)據(jù)中心能源消耗成本已經(jīng)占到數(shù)據(jù)中心總成本的50%以上。

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施高耗能的屬性受到日益嚴峻的電力資源、水資源及土地資源制約,能耗問題成為阻礙數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要矛盾。為此,國家發(fā)改委、國家能源局等四部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快構(gòu)建全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導(dǎo)意見》,提出“強化能源配套機制”的要求,其中包括探索電力網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)聯(lián)動建設(shè)、運行機制,進一步降低數(shù)據(jù)中心用電成本,引導(dǎo)清潔能源開發(fā)使用,推動綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)。

如何讓作為“耗能大戶”的數(shù)據(jù)中心可以降低用電成本呢?在中國“碳中和”的大趨勢下,這無疑是一個重大考驗。在國家重點專項東莞安華數(shù)據(jù)中心示范工程中,特變電工運用交直流混合多端口電力電子變壓器解決方案為綠色數(shù)據(jù)中心的打造提供了最佳實踐經(jīng)驗。

 

多能互補優(yōu)化,綠電助力碳達峰

數(shù)據(jù)中心是未來為數(shù)不多能源消耗占社會總用電量比例持續(xù)增長的行業(yè)。因此,數(shù)據(jù)中心提升綠色能源應(yīng)用,并積極探索儲能技術(shù)落地,提升高滲透率下的新能源消納能力,對于實現(xiàn)碳達峰和碳中和的目標意義重大,實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的核心在于數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)能夠靈活接入光伏、風電等各類綠色能源。

特變電工新能源電力電子變壓器具備10kVAC/380VAC/10kVDC/±375VDC等交直流、多種電壓等級的端口,多端口電力電子變壓器可構(gòu)建交直流混合系統(tǒng),可減少電能變換環(huán)節(jié),支撐分布式可再生能源的靈活接入,提高能源利用效率。

基于電力電子變壓器的交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)總體可分為三層架構(gòu)。第一層為設(shè)備層,主要囊括了分布式電源(風電、光伏系統(tǒng)等)和不同的交直流負荷;第二層控制層,以電力電子變壓器為核心,分布式電源和負荷可通過其靈活的多端口配置實現(xiàn)可靠接入,并通過其中/高壓接口,實現(xiàn)與配電網(wǎng)的有效連接;第三層為管理層,以“雙端”能量管理系統(tǒng)為核心,采用人工智能算法可實現(xiàn)電力電子變壓器交直流混合系統(tǒng)的分布式能源互補優(yōu)化以及多個端口之間的協(xié)調(diào)控制,提高能源利用效率,多機并聯(lián)系統(tǒng)的集群控制、功率在線優(yōu)化分配,保障系統(tǒng)效率最優(yōu),同時能夠?qū)与娋W(wǎng)調(diào)度,參與電力市場交易及輔助服務(wù)等,真正實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心電能的智能路由。

 

新型供電方案下系統(tǒng)效率提升6%

數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的UPS供電方案,是由高壓配電柜、變壓器、低壓配電柜、UPS等組成,雖然系統(tǒng)方案成熟,但由于設(shè)備種類數(shù)量多,電能變換環(huán)節(jié)多,占地面積大,轉(zhuǎn)換效率低,已有被逐步淘汰的趨勢。

基于電力電子技術(shù)的新型供電方案逐漸占領(lǐng)市場,其中采用多端口電力電子變壓器替代傳統(tǒng)變壓器、低壓配電柜及UPS的方案備受關(guān)注,該方案通過電力電子變壓器構(gòu)建交直流混聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu),實現(xiàn)電能的交直流、不同電壓等級的高效變換,能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電直供IT負荷及直流空調(diào)等負荷,有效降低電能變換引起的損耗。與傳統(tǒng)UPS供電方案相比效率可提高6%以上。

特變電工新能源電力電子變壓器采用三級全橋+高頻變壓器拓撲結(jié)構(gòu),同時具備多自由度調(diào)制及開關(guān)頻率優(yōu)化等核心專利技術(shù),能夠有效降低開關(guān)損耗,開關(guān)器件由第三代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅材料構(gòu)成,使得電力電子變壓器有著更高的效率,中低壓配電系統(tǒng)整體效率超越98.2%;采用“N-1”式的模塊冗余設(shè)計,具有微秒級模塊在線旁路功能,可實現(xiàn)功率模塊故障自動旁路,系統(tǒng)不停機運行;采用模塊化調(diào)制策略無需額外配置有源濾波裝置,有效降低諧波含量,諧波含量小于1%,滿足數(shù)據(jù)中心對高效、可靠、優(yōu)質(zhì)電能的需求。該產(chǎn)品于2017年獲得中國機電工程學(xué)會“居于國際領(lǐng)先水平”的最高評價。

 

一站式供配電解決方案,提升ROI

隨著服務(wù)器功率快速提升、體積不斷下降,傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)空間占比越來越高,導(dǎo)致IT“出柜率”越來越低,而且傳統(tǒng)配電系統(tǒng)設(shè)備繁雜,空間無法最大化利用,設(shè)備采購及現(xiàn)場安裝管理困難,交付周期長達2個月以上,阻礙數(shù)據(jù)中心的投資回報率提升。

特變電工新能源電力電子變壓器數(shù)據(jù)中心配電方案采用模塊化級聯(lián)設(shè)計,通過高頻隔離有效提升設(shè)備功率密度,無需外置變壓器、低壓配電柜等,占地面積減少30%,采用預(yù)裝式集裝箱一體化設(shè)計,結(jié)構(gòu)緊湊,自帶安裝機架,現(xiàn)場施工要求簡單,便于快速布置,施工周期可縮短至2周,有效降低數(shù)據(jù)中心初期建設(shè)投資成本及全生命周期投資收益率。

 

未來的無限可能

該工程屬于國家重點研發(fā)計劃“智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備”重點專項“交直流混合的分布式可再生能源技術(shù)”項目中針對數(shù)據(jù)中心典型應(yīng)用場景的示范工程。

這個包含了風光、儲能等多種能源形勢互補的可再生能源系統(tǒng)無疑是未來能耗量大的數(shù)據(jù)中心能源解決方案的主要形式。在可再生能源占比高達65%的情況下,特變電工新能源針對源、荷接入變換環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)能效低等問題,提出了多運行模式、含異構(gòu)多節(jié)點、多能流特征下的系統(tǒng)互補優(yōu)化調(diào)度方法,實現(xiàn)了系統(tǒng)綜合節(jié)能18%。

目前,特變電工新能源電力電子變壓器設(shè)備已在多個示范應(yīng)用工程中成熟可靠運行。在國家能源局首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源示范工程中,特變電工新能源研制的首臺±10kV/2MW級電力電子變壓器助力世界規(guī)模最大的多端交直流混合柔性配網(wǎng)互聯(lián)工程在廣東珠海唐家灣成功投運;依托2017國家重點研發(fā)計劃“交直流混合的分布式可再生能源關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備和工程示范研究”項目,特變電工新能源研制的多臺AC10kV、DC10kV電壓等級四端口電力電子變壓器助力國內(nèi)規(guī)模最大的交直流混合微電網(wǎng)順利投運。

未來,在“多站融合”(變電站、儲能站、數(shù)據(jù)中心站、北斗基站、5G基站等)的供配電系統(tǒng)中,電力電子變壓器可作為連接配電網(wǎng)和各站的電能變換系統(tǒng),實現(xiàn)多能接入變換與管理和潮流控制,提供“多站”配電成套解決方案。

在柔性配電網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域,電力電子變壓器可作為柔性合環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)合環(huán)開關(guān),突破傳統(tǒng)“閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行”的合環(huán)開關(guān)方案,為柔性配網(wǎng)提供潮流控制、故障隔離等功能,有效提高柔性配網(wǎng)可靠性。另外,在可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、儲能并網(wǎng)、工商業(yè)園區(qū)交直流混合微電網(wǎng)、電動車智能群充充電站、柔性直流配電網(wǎng)等領(lǐng)域,電力電子變壓器將擁有更加廣闊的應(yīng)用空間,為用戶提供柔性可控的高可靠性電能變換管理方案。

 

來源:特變電工

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