大型数据中心低压配电系统亟待革新

大型数据中心建设热潮来袭。然而，在大型数据中心的运营中，巨大的配电成本支出正在对运营商形成挑战，同时配电单元往往占用大量面积，不利于数据中心的节能环保。因此，如何能够在保证数据中心稳定运行的情况下，实现配电系统的革新，显著降低配电成本成为业界关注的问题。正是在这一趋势下，中压型UPS开始兴起。中压型UPS能够提高接近负荷中心的电压等级，减少低压配电环节，降低能耗。可以预见，随着电信行业去电信化、减配增效的深入推进，中压UPS系统将迎来广阔的市场前景。
 
　　大型数据中心低压配电系统亟待革新
　　
　　我国早期通信系统负有政治安全责任，通信网络一旦中断将追究相关方政治责任，所以我国通信系统中冗余配置较高，这从早期UPS和开关电源蓄电池组后备时间的不一致可见一斑。所以，在建设数据中心的供电系统时，为了保证系统安全可靠性，充分考虑设备配置和冗余。
　　
　　目前大型数据中心园区或大型数据中心的供配电结构一般是引市电高压（110kV）或中压（35kV、10kV）到高压配电室然后再分配给干式变压器（转成380V）并配置成套低压配电系统，成套低压配电系统中的馈电柜再通过密集母线或电缆分配电能到每个楼层的低压配电柜，再分配到大型的UPS（如500kVA、600kVA），目前每套低压配电系统一般最大配置到2000kVA，每套低压系统最多带两套大容量的1 1型UPS系统或2N型UPS系统，这种从高压配电系统-低压配电系统-UPS的结构在早期中小型数据中心应用广泛，但随着数据中心单UPS系统配电容量的加大，这种配电结构存在诸多缺陷。
　　
　　第一，投资浪费严重。单套低压配电系统存在浪费投资、浪费机房空间、浪费密集母线等浪费现象。虽然也可以将变压器配置在每个楼层，但是供配电结构没有变化，随着大型UPS的使用，每套2000kVA的低压配电系统下挂2套600kVA（1 1）考虑充电电流及负载冗余后即满。
　　
　　第二，增加供配电等级，增加了安全隐患。在相同的电源器件环境中，对于配电系统来说上下游开关越少越安全，配电等级越少可靠性越高，接近负荷中心的电压等级越高越节能。大型数据中心园区35kV开关站-10kV高压配电柜-10kV配电柜-变压器-低压配电柜-密集母线-楼层配电柜-UPS系统，8层级的配电结构，每多1个层级则意味着增加一个故障隐患点。
　　
　　第三，影响机房可使用面积，增加建筑成本。对于大型数据中心，如果每层楼均配置变压器低压配电室、UPS系统电源室，相应电源区域要预留40%以上的空间，对于通信机房来说，一般预留25%~30%空间，且低压配电结构冗余度越大占机房面积越大。
　　
　　中压型一体化UPS正在兴起
　　
　　回顾通信领域的高低压配电发展趋势，交流系统从早期的380V到10kV，不间断电源从220V到240V、336V高压直流，设备功耗密集程度越大配电系统的电压等级也随之上升，采用高压等级的设备可以更多地减少线损、线缆母线投资、节省设备占地面积、减少转换次数也意味着节能，同样，改变传统的380V进380V出220V配电的结构，提高UPS进入电压等级至10kV以上也具备以上优点。使用如10kV的UPS的前提是将传统低压配点系统的计量功能、功率补偿功能、低压发电机组转移到10kV系统。
　　
　　低压配电中的计量可采用高压端计量。传统数据中心往往是通过在低压段低压配电系统中配置计量柜的方式，但是随着数据中心规模越来越大，大型数据中心已有10套以上的低压配电系统，且分为生活用电、办公用电等，统计量工作放在高压将成为一种趋势。采用高压端计量的同时仍可以通过中压型一体化UPS的变压器的数据采集进行自动统计上报。
　　
　　低压配电中的补偿功能可改为高压补偿和负荷中心就近补偿。对于数据中心来说，感性负载和容性负载同时存在，感性负载主要为空调主机、风机等电机类设备；整流设备、IT设备为容性负载；也就说数据中心感性负载和容性负载是同时存在的，是相互补充的。统计显示，目前大部分通信局楼的低压电容器柜多设置为人工投入，因为由于感性负载和容性负载的同时存在，功率因数cosΦ通常都在0.92以上。采取在低压配电系统进行补偿属于后补偿，没有起到有效作用，且在谐波环境下容易引发电容器共振并存在爆炸风险。因此未来的数据中心应针对具体机房环境测试其谐波和无功负荷情况进行就近补偿。
　　
　　大型数据中心采用高压油机是必然趋势。目前大型、超大型数据中心已推广采用高压油机，带来很多优势：电缆、上下游开关配置方面，简化了配电结构，高压油机使用高压电缆传输电力，高压输电电流相当于低压输电电流的二十六分之一，上下游开关及电缆投资节省、敷设及施工方便、线损很小、安全性也较高；便于进行多机并机，形成大容量后备电源，消除了常压油机系统面临的输出容量瓶颈；若采用高压空调必须采用高压油机，离心机组启动电流较大，如国内某运营商集团企业标准规定“除变频供电的电动机外，单台额定功率大于350kW的电动机，宜采用10kV电源供电”。采用高压冷水机组供电后，可以相应减少变压器及低配和密集母线、电缆的投资，综合对比高压冷水机组的价格因素，初步统计可以节省0.075万元/kW（制冷量）；高压油机集中布置，可以根据园区功耗发展情况分期、逐台投资，而低压油机则只能是与低配模块化相匹配而无论油机的实际负载率，造成油机投资浪费；推广使用高压油机之后低压配电系统中的ATS柜可以减配。
　　
　　以上分析证明，低压配电系统中的主要功能，计量、电容、ATS柜等都可以代替，实施高压到负荷中心的二级转换比再经过低压侧显然可以节省更多成本，减少中间配电环节后也使得可靠性提高很多。
　　
　　国外中压UPS系统应用现状
　　
　　从欧洲地区的中压UPS系统发展来看，中压UPS系统多应用在工业级不间断电源应用场景中，拥有兆瓦级额定功率和高达99.5%的中压UPS，储能和逆变器依然处于低压水平，它还能大幅简化维护作业和降低系统成本。中压UPS可进行改造，进行定制化设计，可兼容各种各样的储能装置，具体取决于所需的保护时间。超级电容器和飞轮可在几秒钟内提供高密度保护，而电池可以达到长达15分钟的备用时间。
　　
　　北美地区早期工业用中压型UPS系统多为集装箱式结构或露天箱体结构。数据中心使用的中压型UPS系统多为户内型、模块化结构，容量为2.0MW~20MW。包括输入输出开关柜、变压器箱、主控单元、PES柜（中压）、双向变流器、储能箱等。户外型储能箱后备时间为1~3分钟，户内型后备时间根据客户需求配置，可以达到30分钟以上。
　　
　　可以看到，国外已有类似产品，但是国外的中压UPS较多定位于将UPS系统功能集中于中压段解决，目前已在美国的部分大型数据中心开始应用。
　　
　　尤为值得一提的是，相比传统低压UPS，中低压一体化UPS在同样的场景下将减少80%的投资成本，而之所以能够带来这一“不可思议”的改变，则主要得益于大幅减少了传统低压配电柜的占地面积，节省了大量的低压配电母线、电缆，同时发电机组采用高压油机也便于分期投资。可以预见，中压UPS系统的建设将为运营商节省大量的供配电成本，进一步提升运营商的市场竞争力。