大型數據中心低壓配電系統亟待革新

大型數據中心建設熱潮來襲。然而，在大型數據中心的運營中，巨大的配電成本支出正在對運營商形成挑戰，同時配電單元往往占用大量面積，不利于數據中心的節能環保。因此，如何能夠在保證數據中心穩定運行的情況下，實現配電系統的革新，顯著降低配電成本成為業界關注的問題。正是在這一趨勢下，中壓型UPS開始興起。中壓型UPS能夠提高接近負荷中心的電壓等級，減少低壓配電環節，降低能耗?？梢灶A見，隨著電信行業去電信化、減配增效的深入推進，中壓UPS系統將迎來廣闊的市場前景。
 
　　大型數據中心低壓配電系統亟待革新
　　
　　我國早期通信系統負有政治安全責任，通信網絡一旦中斷將追究相關方政治責任，所以我國通信系統中冗余配置較高，這從早期UPS和開關電源蓄電池組后備時間的不一致可見一斑。所以，在建設數據中心的供電系統時，為了保證系統安全可靠性，充分考慮設備配置和冗余。
　　
　　目前大型數據中心園區或大型數據中心的供配電結構一般是引市電高壓（110kV）或中壓（35kV、10kV）到高壓配電室然后再分配給干式變壓器（轉成380V）并配置成套低壓配電系統，成套低壓配電系統中的饋電柜再通過密集母線或電纜分配電能到每個樓層的低壓配電柜，再分配到大型的UPS（如500kVA、600kVA），目前每套低壓配電系統一般最大配置到2000kVA，每套低壓系統最多帶兩套大容量的1 1型UPS系統或2N型UPS系統，這種從高壓配電系統-低壓配電系統-UPS的結構在早期中小型數據中心應用廣泛，但隨著數據中心單UPS系統配電容量的加大，這種配電結構存在諸多缺陷。
　　
　　第一，投資浪費嚴重。單套低壓配電系統存在浪費投資、浪費機房空間、浪費密集母線等浪費現象。雖然也可以將變壓器配置在每個樓層，但是供配電結構沒有變化，隨著大型UPS的使用，每套2000kVA的低壓配電系統下掛2套600kVA（1 1）考慮充電電流及負載冗余后即滿。
　　
　　第二，增加供配電等級，增加了安全隱患。在相同的電源器件環境中，對于配電系統來說上下游開關越少越安全，配電等級越少可靠性越高，接近負荷中心的電壓等級越高越節能。大型數據中心園區35kV開關站-10kV高壓配電柜-10kV配電柜-變壓器-低壓配電柜-密集母線-樓層配電柜-UPS系統，8層級的配電結構，每多1個層級則意味著增加一個故障隱患點。
　　
　　第三，影響機房可使用面積，增加建筑成本。對于大型數據中心，如果每層樓均配置變壓器低壓配電室、UPS系統電源室，相應電源區域要預留40%以上的空間，對于通信機房來說，一般預留25%~30%空間，且低壓配電結構冗余度越大占機房面積越大。
　　
　　中壓型一體化UPS正在興起
　　
　　回顧通信領域的高低壓配電發展趨勢，交流系統從早期的380V到10kV，不間斷電源從220V到240V、336V高壓直流，設備功耗密集程度越大配電系統的電壓等級也隨之上升，采用高壓等級的設備可以更多地減少線損、線纜母線投資、節省設備占地面積、減少轉換次數也意味著節能，同樣，改變傳統的380V進380V出220V配電的結構，提高UPS進入電壓等級至10kV以上也具備以上優點。使用如10kV的UPS的前提是將傳統低壓配點系統的計量功能、功率補償功能、低壓發電機組轉移到10kV系統。
　　
　　低壓配電中的計量可采用高壓端計量。傳統數據中心往往是通過在低壓段低壓配電系統中配置計量柜的方式，但是隨著數據中心規模越來越大，大型數據中心已有10套以上的低壓配電系統，且分為生活用電、辦公用電等，統計量工作放在高壓將成為一種趨勢。采用高壓端計量的同時仍可以通過中壓型一體化UPS的變壓器的數據采集進行自動統計上報。
　　
　　低壓配電中的補償功能可改為高壓補償和負荷中心就近補償。對于數據中心來說，感性負載和容性負載同時存在，感性負載主要為空調主機、風機等電機類設備；整流設備、IT設備為容性負載；也就說數據中心感性負載和容性負載是同時存在的，是相互補充的。統計顯示，目前大部分通信局樓的低壓電容器柜多設置為人工投入，因為由于感性負載和容性負載的同時存在，功率因數cosΦ通常都在0.92以上。采取在低壓配電系統進行補償屬于后補償，沒有起到有效作用，且在諧波環境下容易引發電容器共振并存在爆炸風險。因此未來的數據中心應針對具體機房環境測試其諧波和無功負荷情況進行就近補償。
　　
　　大型數據中心采用高壓油機是必然趨勢。目前大型、超大型數據中心已推廣采用高壓油機，帶來很多優勢：電纜、上下游開關配置方面，簡化了配電結構，高壓油機使用高壓電纜傳輸電力，高壓輸電電流相當于低壓輸電電流的二十六分之一，上下游開關及電纜投資節省、敷設及施工方便、線損很小、安全性也較高；便于進行多機并機，形成大容量后備電源，消除了常壓油機系統面臨的輸出容量瓶頸；若采用高壓空調必須采用高壓油機，離心機組啟動電流較大，如國內某運營商集團企業標準規定“除變頻供電的電動機外，單臺額定功率大于350kW的電動機，宜采用10kV電源供電”。采用高壓冷水機組供電后，可以相應減少變壓器及低配和密集母線、電纜的投資，綜合對比高壓冷水機組的價格因素，初步統計可以節省0.075萬元/kW（制冷量）；高壓油機集中布置，可以根據園區功耗發展情況分期、逐臺投資，而低壓油機則只能是與低配模塊化相匹配而無論油機的實際負載率，造成油機投資浪費；推廣使用高壓油機之后低壓配電系統中的ATS柜可以減配。
　　
　　以上分析證明，低壓配電系統中的主要功能，計量、電容、ATS柜等都可以代替，實施高壓到負荷中心的二級轉換比再經過低壓側顯然可以節省更多成本，減少中間配電環節后也使得可靠性提高很多。
　　
　　國外中壓UPS系統應用現狀
　　
　　從歐洲地區的中壓UPS系統發展來看，中壓UPS系統多應用在工業級不間斷電源應用場景中，擁有兆瓦級額定功率和高達99.5%的中壓UPS，儲能和逆變器依然處于低壓水平，它還能大幅簡化維護作業和降低系統成本。中壓UPS可進行改造，進行定制化設計，可兼容各種各樣的儲能裝置，具體取決于所需的保護時間。超級電容器和飛輪可在幾秒鐘內提供高密度保護，而電池可以達到長達15分鐘的備用時間。
　　
　　北美地區早期工業用中壓型UPS系統多為集裝箱式結構或露天箱體結構。數據中心使用的中壓型UPS系統多為戶內型、模塊化結構，容量為2.0MW~20MW。包括輸入輸出開關柜、變壓器箱、主控單元、PES柜（中壓）、雙向變流器、儲能箱等。戶外型儲能箱后備時間為1~3分鐘，戶內型后備時間根據客戶需求配置，可以達到30分鐘以上。
　　
　　可以看到，國外已有類似產品，但是國外的中壓UPS較多定位于將UPS系統功能集中于中壓段解決，目前已在美國的部分大型數據中心開始應用。
　　
　　尤為值得一提的是，相比傳統低壓UPS，中低壓一體化UPS在同樣的場景下將減少80%的投資成本，而之所以能夠帶來這一“不可思議”的改變，則主要得益于大幅減少了傳統低壓配電柜的占地面積，節省了大量的低壓配電母線、電纜，同時發電機組采用高壓油機也便于分期投資?？梢灶A見，中壓UPS系統的建設將為運營商節省大量的供配電成本，進一步提升運營商的市場競爭力。