目前，全球數(shù)據(jù)中心市場年復合增長率超過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設備能耗，其值大于1，越接近1表明非IT設備耗能越少，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)中心基礎設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《關于加快構建全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導意見》，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、運行機制，進一步降低數(shù)據(jù)中心用電成本，引導清潔能源開發(fā)使用，推動綠色數(shù)據(jù)中心建設。
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用，并積極探索儲能技術落地，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。第一層為設備層，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，但由于設備種類數(shù)量多，電能變換環(huán)節(jié)多，占地面積大，轉換效率低，已有被逐步淘汰的趨勢。
基于電力電子技術的新型供電方案逐漸占領市場，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的方案備受關注，該方案通過電力電子變壓器構建交直流混聯(lián)系統(tǒng)架構，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+高頻變壓器拓撲結構，同時具備多自由度調(diào)制及開關頻率優(yōu)化等核心專利技術，能夠有效降低開關損耗，開關器件由第三代寬禁帶半導體碳化硅材料構成，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會“居于國際領先水平”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，導致IT“出柜率”越來越低，而且傳統(tǒng)配電系統(tǒng)設備繁雜，空間無法最大化利用，設備采購及現(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)設計，通過高頻隔離有效提升設備功率密度，無需外置變壓器、低壓配電柜等，占地面積減少30%，采用預裝式集裝箱一體化設計，結構緊湊，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)技術與裝備”重點專項“交直流混合的分布式可再生能源技術”項目中針對數(shù)據(jù)中心典型應用場景的示范工程。
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備已在多個示范應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鍵技術、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)建設領域，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，突破傳統(tǒng)“閉環(huán)設計、開環(huán)運行”的合環(huán)開關方案，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)等領域，電力電子變壓器將擁有更加廣闊的應用空間，為用戶提供柔性可控的高可靠性電能變換管理方案。
