数据中心高压直流锂电技术应用白皮书

数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 分布式存储技术与产业分析报告 1 [编号ODCC-2022-02103] 数据中心高压直流锂电技术应用白皮书 开放数据中心标准推进委员会 2022-09发布 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 前言 数据中心是全球协作的特定网络设施，用于传递、加速、展示、计算、存储数据信息。随着国家新基建战略的提出、消费互联网的成熟、产业互联网的兴起、5G移动通信的推广、云计算与AI智能的业务增加等，数据中心市场呈爆发增长的态势。 不间断电源是数据中心建设基础设施的重要组成部分，对数据中心不间断供电气到了不可或缺的作用。随着数据中心市场的发展，不间断电源行业市场规模迎来稳步增长。中国不间断电源行业将向环保化、一体化、集中化、直流化方向发展，产品将向智能化、定制化、大功率、模块化、锂电化方向发展。节能低耗与绿色环保已经成为不间断电源产业的发展方向。高压直流和锂电池作为不间断电源的两个重要发展方向和技术，是数据中心节能高效的不间断电源方案。 本白皮书旨在与行业同盟分享ODCC对数据中心高压直流与锂电池技术以及相关集成技术的现状、功能、设计以及测试要求等，同时为数据中心建设人员及设备集成商、电池供应商提供技术咨询及参考，以促进数据中心高压直流锂电技术的发展。 本报告的起草，感谢以下单位（排名不分先后）： 百度在线网络技术(北京)有限公司、中国信息通信研究院（云大所数据中心团队）、华为技术有限公司、深圳市雄韬电源科技股份有限公司、杭州中恒电气股份有限公司、台达电子企业管理（上海）有限公司、维谛技术有限公司 起草人（排名不分先后）： 李晓斌、李代程、刘衍彬、吴美希、李宝宇、王波、郭锋、雷同、胥飞飞、李善策、叶新平、宫伟文、吴华勇、方永平 I 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 目录 前言I 一、适用范围1 二、名词解释1 三、高压直流技术2 （一）应用现状2 （二）技术介绍3 1.系统原理3 2.交流屏4 3.整流屏5 4.整流模块6 5.直流屏7 （三）技术优势8 （四）发展趋势10 四、集中式锂电池技术10 （一）应用现状10 （二）技术介绍11 1.系统原理11 2.系统组成12 （三）技术优势13 （四）发展趋势14 五、高压直流锂电技术15 II 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 （一）技术介绍15 （二）方案与架构15 （三）技术优势16 （四）安装与交付17 （五）储能应用18 （六）应用趋势19 六、总结与展望19 III 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 一、适用范围 本白皮书主要讨论范围是中心高压直流与锂电技术，以及两种技术结合作为数据中心不间断电源的应用。 二、名词解释 （1）高压直流（HVDC） 高压直流电源简称HVDC，它是由三相交流电输入，通过整流以240V/336V标称直流电压输出的供电系统，是数据中心不间断电源系统的一种电源设备。 （2）集中式锂电（centralizedlithiumbattery） 是指完全代替铅酸电池，用锂离子电池组成的数据中心后备电源系统，通常与UPS或HVDC配合使用，是数据中心不间断电源系统的一种电池类型。 （3）电池单体（cell） 实现化学能和电能相互转化的基本单元，由正极、负极、隔膜、电解质、壳体和端子等组成。 （4）电池模块（batterymodule） 由电池单休采用串联、并联或串并联连接方式，且只有一对正负极输出端子的电池组合休，还宜包括外壳、管理与保护装置等部件。 （5）电池簇（batterycluster） 由电池模块采用串联、并联或串并联连接方式，且与高压控制箱连接后实现独立运行的电池组合体，还宜包括电池管理系统、监测和保护电路、电气和通讯接口等部件。 1 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 （6）电池系统（batterysystem） 由电池簇采用并联连接方式，且与开关柜或汇流装置连接后实现独立运行的电池组合体，还宜包括电池管理系统、监测和保护电路、电气和通讯接口等部件。 （7）电池监控单元（BMU，batterymanagementunit） 监测电池模块的电池电压、电流、温度等参数信息，并对电池的状态进行管理和均衡控制的装置。 （8）电池管理系统（BMS，batterymanagementsystem） 监测电池系统的电池电压、电流、温度等参数信息，并对电池的状态进行管理和控制的装置。 （9）电池簇管理系统（CBMS，clusterbatterymanagementsystem） 监测电池簇内的电池电压、电流、温度等参数信息，并对电池的状态进行管理和控制的装置，通常会集成如接触器、断路器、熔断器、霍尔传感器等。 （10）电池系统管理系统（GBMS，generalbatterymanagementsystem） 监测电池系统内的电池电压、电流、温度等参数信息，并对电池的状态进行管理和控制的装置。 三、高压直流技术 （一）应用现状 20世纪90年代后，美国、瑞典、日本等各国的通信公司便开始研究和应用HVDC供电系统。2006年劳尔实验联合发起数据中心DC380V应用标准，但因全球提议倡导电压多种多样，一直没有确定应用标准。目前选择380V的有：台达电 2 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 子、法国电信、华为技术、艾默生、爱立信、NTT数据、环境研究所等；选择300V的有：韩国电信；选择380V的有：英特尔、IBM、戴尔、微软、伊顿等；选择320V的有：富士通、NEC、日立等。总体来说，没有真正形成标准化应用，整体应用规模偏小。 在国内，高压直流技术于2007年首次在中国电信机房进行实验应用。2009年，形成通信标准类高压直流技术报告，2011年制定出行业标准YD/T2378，2014年后互联网通信行业HVDC开始逐渐推广，2016后大规模企业开始应用，并开启大型项目建设，2018年至今，受益于互联网基地数据中心建设、5G技术应用、新基建政策的发力，HVDC迎来全面发展机遇，2020年国标GB/T38833正式发布。 国内高压直流主要的应用分为互联网行业、通信行业、超算中心等。互联网行业以百度、腾讯、阿里巴巴等为代表企业，其数据中心IT应用都以HVDC为主；通信行业以中国移动、电信、联通为主要代表企业，其在自用机房和租赁机房里大面积使用；超算中心数据中心也有部分数据中心使用高压直流；金融行业目以工商银行为代表，于2021年进行高压直流先期试点。 （二）技术介绍 1.系统原理 高压直流通常由一个交流屏、若干个整流屏、若干个直流总输出屏及直流二次配电屏（列头柜）等不同的机架组成。采用MOSFET电力电子器件和模块设计思路，整套系统采用多个模块组合成一个供配电系统，系统可靠性有所提升。与传统双转换在线式UPS系统的主要区别，是取消了逆变环节，电池挂接在直流母线上，与整流器并联，同时为IT设备供电。由于直流电源拓扑简单，因此故障率降低。高压直流供电系统下图所示。 3 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 目前HVDC在数据中心应用的方案架构大同小异，下图为一个HVDC供电方案的常用架构图与监控示意图。交流市电通过交流配电（交流屏）、整流（整流屏）、直流配电（直流屏）对直流列头柜进行供电，同时直流屏需连接电池组做电池后备。每个交流屏、整流屏、直流屏、电池等的监控系统会进行汇总，然后通过触摸屏HMI等设备进行显示。 2.交流屏 交流屏为交流电源的接入，给整流屏及其他电源设备用，同时配置开关进行运维操作和短路保护等。如配置断路器、刀闸、自动切换（ATS）输入等。交 4 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 流屏根据不同的电源容量需求，调整交流配电分路规格，比如380V/1000A、380V/800A等不同的容量。 交流屏主要由系统输入断路器、交流采样单元/仪表、交流防雷器等部件组成，其作用为系统交流输入总配电，可控制整套系统的上下电和显示交流输入数据信息，同时提供输入防雷保护。交流屏可根据需求配置一路或两路交流进线，两路进线方案，交流电通过ATS进行联锁和切换，保障后端设备市电供应。 交流屏配电也可以根据需求选择一对一和一对多供电形式。一对一供电交流屏只承担单套高压直流设备的供电。一对多形式交流屏，单台交流屏输出有多个支路，可为多台整流屏供电，在多套高压直流并柜布局的机房，一对多形式的交流屏更省空间。也有部分系统由于功率较小，该部分可集成至整流屏。 一对多交流屏的正面和背面示意图如下图所示。 3.整流屏 整流屏是通过通过整流模块将输入的交流电转换成直流电。整流屏根据不同的电源容量需求，调整整理屏的容量，比如240V/1600A、240V/1200A等不同的容量。 5 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 整流屏主要由模块输入断路器、整流模块、电池熔丝支路、输出断路器或熔丝、直流防雷、监控采样单元等部件组成。能给整流模块提供插槽，并将模块输出的直流汇总为一段母线。整流屏根据系统总设计功率和整流模块类型，配置相应槽模块位数量。整流模块为固定的功率单元（如15KW和30KW模块，两者槽位不兼容），如前期负载功率较小时，可以减少整流模块采购数量，业务量提高后，再根据负荷情况，增补相应整流模块。模块化设计和扩容简单可使用户前期投入大大降低。 一般整流屏模块输入均使用独立断路器，模块上下电更加精准方便；模块输出配置独立保护熔丝，减小因单模块故障导致系统故障的概率。模块输出插接端子应做防呆设计，避免模块插反导致系统故障。 整流屏的示意图如下图所示。 4.整流模块 整流模块是整流屏的主要组成部分，也是整个高压直流的主要组成部分。整流模块主要作用是将输入的交流源转换为直流电源输出。模块功率级主要由输入EMI滤波电路、AC/DC、DC/DC、输出EMI滤波电路等组成。除此之外，还有 6 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 辅助电源、输入/输出采样保护电路、控制与驱动电路、通讯电路等。其原理框图如下： HVDC常用的整流模块有15KW和30KW两种功率等级，如下图所示。模块输入采用三相无中性线设计，模块输入额定电压值为380V,允许输入电压变动范围为323V~418V，输出可调范围为200~288V。15KW模块额定输出电流为50A，最大输 出电流为62.5A，最大输出功率为15KW，模块在输出240V以上范围为恒功率输出，输出为240V以下时，以最大电流限流输出。30KW模块额度输出电流为104A,最大输出电流为125A，最大输出功率为30KW，模块在输出240V以上范围为恒功率输 出，输出为240V以下时，以最大电流限流输出。模块选型时需考虑系统在低输出时候模块最大输出功率。 整流模块采用前进后出，利用风扇散热。面板具有电源指示灯、故障指示灯和带载率指示灯可观察模块运行状态，模块故障时可将故障告警上报至监控主机。模块在主机监控器故障情况下也可自主均流，且保持稳定输出。 5.直流屏 7 数据中心高压直流锂电技术应用白皮ODCC-2022-02103 直流屏部分由电池分路熔断器、直流负载断路器或熔断器、直流防雷、采样单元、主监控单元、柜体等部件组成。电池分路和负载分路及容量可根据项目需求灵活调整，柜体尺寸根据输出分路配置进行匹配。部分系统因为整流柜空间不够，会将部分整流模块单元排布于直流屏。柜体正门设有7寸主监控单元触摸显示屏，可在显示界面查看系统母线、负载支路、电池、绝缘、整流模块、交流输入等信息和状态、可配置系统告警门限和输出参数。柜内还有采集单元、采样线路、指示灯、辅助源等部件，系统各部