巴拿馬電源柔性集成了10kVac的配電,隔離變壓,模塊化整流器和輸出配電等環節,採用移相變壓器取代工頻變壓器,並從10kVac到240Vdc整個供電鏈路做到了優化集成。該方案具有高效率、高可靠性、高功率密度、高功率容量和維護方便等特點。相比傳統數據中心的供電方案,佔地面積減少50%、設備和工程施工量可節省40%、功率模塊的效率高達98.5%、架構簡潔可靠性高、蓄電池單獨安裝、系統容量可以根據需求進行靈活配置。
巴拿馬電源採用多繞組的移相變壓器,大大減小了變壓器副邊繞組的短路電流,降低其下遊開關的短路電流容量,並結合整流模塊單元,對傳統供電架構的配電層級進行優化整合,縮短了傳統供電中從變壓器輸出到ACUPS或240V/336VHVDC櫃間的漫長鏈路,簡化了此鏈路中的多級配電。與傳統供電系統架構比,巴拿馬電源供電鏈路中的開關器件大大減少,更加簡潔高效、成本更低。巴拿馬電源方案將傳統ACUPS或240VDC供電中的配電環節大大簡化。如圖1所示。
巴拿馬電源利用多脈衝移相變壓器實現低THDi和高功率因數,從而去掉傳統ACUPS或240V/336VHVDC系統中,功率模塊內部的功率因數校正環節。這部分環節的節省,使得巴拿馬電源模塊僅僅負責調壓即可,拓撲大大簡化,模塊效率可以達到峰值98.5%。在輕載下20%時,效率就高達97.5%以上,其優勢更明顯。巴拿馬電源中30kW的功率模塊和傳統240VDC系統中15kW的模塊體積一樣大小。
巴拿馬電源的原理如圖2所示。
從整體結構看,整個巴拿馬電源由10kV中壓櫃(可選)、移相變壓器櫃、整流輸出櫃、交流分配櫃(常規不配置,當要求配置交流380V輸出時提供該櫃)組成。一般巴拿馬電源的上遊都配有10kVac中置櫃,巴拿馬電源進線櫃是為了方便運維而增加的,如果10kVac中置櫃與巴拿馬電源在同一房間,距離很近,中壓開關櫃可以省掉。巴拿馬方案組成單元如圖3所示。
中壓櫃的設置是為了維護變壓器時,設置一個明顯斷點,內部安裝有負荷開關、高壓防雷以及高壓帶電顯示等器件。開關櫃具有各種防誤操作的措施,滿足「五防」功能要求,裝置的閉鎖結構可靠、準確。
移相變壓器櫃主要由移相變壓器、10kV輸入接線排、副邊低壓輸出接線排、輸入電壓/電流偵測單元以及冗餘風機等部件組成。移相變壓器輸出各繞組分別接入相互隔離的AC/DC整流單元,實現DC與地懸浮(240V/336V國標要求,更加安全),與其他AC繞組電氣隔離,並配置溫度和綜合檢測模塊,採用多風機冗餘設計,確保變壓器穩定長時間運行。變壓器一次側10.5kV輸入、頻率50Hz、全銅、H級絕緣、35kV耐壓、雷電衝擊耐壓75kV,在30%～60%負載率,環境溫度25℃時的效率可達99%,短路阻抗為6%～8%。巴拿馬電源方案變壓器櫃內部構成如圖4所示。
整流櫃主要由整流模塊及整流模塊輸入斷路器等部件組成,通過整流模塊將輸入的交流電轉換成直流電輸出。其內部每個整流模塊為30kW,在標準配置下最大可安裝96臺整流模塊,每個整流櫃功率720kW(寬度800mm),輸出電壓為240Vdc(也可輸出336Vdc)。由於採用了移相變壓器,從而簡化了傳統整流器的設計,去掉功率因數校正環節,並解決了功率因數與諧波電流問題,使得整流器的效率達到98%以上。交流輸入允許電壓變動範圍為8.5～11kV,系統輸入電壓允許變動範圍上限為12kV,下限為8.5kV(輸出額定容量)。系統輸入電壓允許變動最大範圍最低電壓保護值為7.1kV(允許降容)。允許頻率變動範圍為50Hz±5%,輸入電壓波形失真度<5%。當額定輸入電壓、輸出滿載和50%載時,系統的輸入總電流諧波分別為<5%和<8%。240V系統輸出電壓可調節範圍:在204～288V範圍內設定,誤差≤±1V。336V系統輸出電壓可調節範圍:在280～400V範圍內設定,誤差≤±1.5V。系統穩壓精度優於±1.0%。巴拿馬電源方案整流櫃內部構成,如圖5所示。
直流輸出部分由電池分路熔斷器、直流負載分路熔斷器、直流SPD、綜合偵測模塊、HMI等部件組成。直流輸出分路和容量可根據工程的實際要求靈活調整,直流總配電櫃一般由櫃體和附屬部件組成。附屬部件包括輸入配電模塊、分路輸出模塊、地線排、信號輸出接口、數據顯示裝置、門鎖及機墩等。直流總配電櫃電纜的進、出線方式要求電池上進線,輸出上出線,頂部開進線孔。巴拿馬電源方案直流輸出櫃內部構成如圖6所示。
綜合監控模塊可以實時監測系統的系統電壓、系統電流和系統狀態信息,當有告警時可簡單顯示告警信息。綜合偵測模塊對整流模塊的監測具備遙測(電壓、電流),遙信(工作狀態),遙控(開/關機,均/浮充/測試)功能。綜合監控模塊對直流配電單元的監測具備輸出電壓、總負載電流、功率、電量、主要分路電流、蓄電池充/放電電流等參數遙測功能,以及輸出電壓過壓/欠壓、蓄電池熔斷器狀態、均/浮充/測試、主要分路熔斷器/開關狀態、蓄電池二次下電等參數遙信功能。
綜合檢測模塊能根據用戶的需要設置相關的運行參數,具備掉電存儲功能。所設置的運行參數在系統掉電時不會丟失,來電後自動恢復。
CSU(中央監控單元)作為監控核心,通過CAN總線管理整流模塊,其它單元採用RS-485總線。巴拿馬電源方案綜合偵測架構如圖7所示。
巴拿馬電源中,功率變換模塊的容量配置需根據數據中心的IT負荷容量、電池組充電容量、冗餘功率容量三者之和進行計算,變壓器容量按照IT負荷容量與電池組充電容量之和進行計算。輸出DC分路的配置需根據具體的電池組數、IT負荷路數以及備用輸出路數設計,可以靈活配置。
目前單體整流模塊的功率是30kW,該功率是指輸出電壓在240Vdc以上時的功率為30kW。系統模塊數量不大於96個。具體項目中整流模塊數量配置可按下面方法計算:
①負載電流I_IT=P_IT/V_outmin其中P_IT為IT負荷功率;
V_outmin為含電池且市電正常時的系統最低輸出電壓;一般略高於電池的截止放電電壓,比如:對240Vdc系統,其電池的截止放電電壓是210Vdc(如果單體的截止電壓為1.75V/cell),而V_outmin一般選擇為220-230Vdc。
②電池組充電電流I_charge=AH_電池×C_RateAH_電池,為電池的安時數,和傳統電池組的選擇一樣。C_Rate為電池的充電倍率,和傳統電池組的選擇一樣。
③N_主用模塊=(I_IT+I_charge)/In;
In為單體模塊的最大輸出電流。
④N_模塊=N_主用模塊/10+N_主用模塊,並對該數採用進一法取整。
冗餘模塊數量建議，採用N+1冗餘，N個主用，N≤10時，1個備用；N>10個時，每10隻備用一個。
在輕載時,巴拿馬電源系統也可採用模塊休眠功能,工作在最佳效率區間。其休眠管理與傳統240Vdc系統一致。
數據中心中通常選用鉛酸蓄電池作為儲能部件。蓄電池選擇和傳統240Vdc系統基本一致,簡述為:根據系統容量大小,選擇單體電壓和組數,再選擇合適AH電池型號。蓄電池單體電壓可選2V、6V、12V,其單組電池個數如表1。每個系統蓄電池組數不得少於2組,最多不宜超過4組。
(節選自:巴拿馬供電技術白皮書)
（來源：《數據中心建設+》雜誌）
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