数据中心电能路由器应用白皮书

数据中心电能路由器应用技术报告 [编号ODCC-2024-02007] 数据中心电能路由器应用技术报告 开放数据中心标准推进委员会2024.09发布 数据中心电能路由器应用技术报告 版权声明 ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 数据中心电能路由器应用技术报告 编写组 项目经理： 吴华勇维谛技术有限公司 工作组长： 李代程百度在线网络技术（北京）有限公司 贡献专家： 田军维谛技术有限公司 顾华维谛技术有限公司 张迪维谛技术有限公司 杨瑛洁中讯邮电咨询设计院有限公司阮迪中国信息通信研究院 张一星中国信息通信研究院 雷爱民维谛技术有限公司 韩会先维谛技术有限公司 朱莉维谛技术有限公司 王勇维谛技术有限公司 李莺百度在线网络技术（北京）有限公司 张杰北京世纪互联宽带数据中心有限公司冯臣秦淮数据集团 童硕西安理工大学 数据中心电能路由器应用技术报告 目录 版权声明2 编写组3 前言5 数据中心电能路由器应用技术报告1 一、范围1 二、引言1 三、缩略语和相关术语的名词解释3 四、电能路由器的发展历程和技术现状6 （一）交直流混合微电网的演化趋势6 （二）电能路由器的研究现状9 五、电能路由器的工作原理和控制策略12 （一）电能路由器的拓扑架构对比12 （二）电能路由器的可靠性分析18 （三）电能路由器的控制策略分类20 六、电能路由器在数据中心场景下的应用方案28 （一）数据中心场景下电能路由器融合新能源和储能设备的应用方案28 （二）数据中心与电力系统融合后多个电能路由器的应用展望34 七、总结36 数据中心电能路由器应用技术报告 前言 随着能源互联网的快速发展，分布式电源和电力负荷的接入变得日益普遍，电能路由器作为能源互联网中的核心设备，其作用日益凸显。电能路由器通过监测各分布式电源、电力负荷等设备的电气参数，判断其运行状态，进而对其进行控制，以实现综合能源的合理利用、优化供电质量和提升电力系统的整体运行效率。因此，对电能路由器的研究不仅有助于推动能源互联网的进一步发展，也有助于提升用电场所特别是数据中心的综合能源利用率。 ODCC始终关注数据中心技术以及创新供配电方案应用的发展，联合相关单位共同编写本白皮书，对数据中心电能路由器和交直流微电网、及其他相关的核心设备的应用现状、需求和当前主流系统应用等方面进行了详细的梳理，以期更进一步推动数据中心电能路由器技术的发展。 数据中心电能路由器应用技术报告 数据中心电能路由器应用技术报告 一、范围 本白皮书的主要讨论范围是单/多端口电能路由器、其依托的交直流混合微电网，以及其配套的光储充等关键设备在数据中心中的应用。 二、引言 近年来，日益枯竭的化石能源无法满足日益增长的电力需求，大量再生能源的接入对电能质量形成与日俱增的挑战，将分布式电源、储能装置、负荷进行结合，并通过可控接口与电网进行连接的成为亟待解决的现实问题。 与此同时，人工智能的迅猛发展和和算力需求的急剧增加，对于超大规模数据中心供配电系统，面临着效率和节地等指标进一步提升的迫切需求。 电能路由器（EER）是一种具有电能变换、控制和通信等综合功能的电力电子变压器，在某些应用场合也称固态变压器（SST），其充分结合了电力电子器件和拓扑，以及分布式高频变压器，最大限度的提高了供配电链路的整体效率和节省了空间，兼备电气隔离、不同电压制式转换，以及无功补偿等功能，既是一种电能变换装置，也是一种电力系统尤其是微电网的能源枢纽，有助于提升整个电力系统的综合能源利用效率，改善用电场所尤其是数据中心的电能质量，节省运营成本和前期投资。EER采用完全电力电子变换的形式和相应的分 数据中心电能路由器应用技术报告 层控制策略，可以完全替代基于以往的工频变压器和低压侧功率变换环节的传统供配电架构，大大缩短了中压交流市电到IT设备负载端的供电链路，提高了空间利用率，同时作为连接光伏、储能等重要设备的枢纽，满足数据中心源网荷储一体化融合的要求。 数据中心电能路由器应用技术报告 三、缩略语和相关术语的名词解释 下面按照字母顺序排列出本白皮书出现的相关英文术语的中文含义，重要概念会展开解释其定义。 BIPV：光伏建筑一体化（BuildingIntegratedPhotoVoltaic）CHB：级联H桥（CascadedHBridge） CHP：天然气燃料热电联产（Co-generationofHeatandPower）CMC：链式多电平（CascadedMultilevelConverter） DAB：双线有源桥（DualActiveBridge） DCL：数字通信链路（DigitalCommunicationLink） DER：分布式能源（Distributed/DecentralizedEnergyResource）DGI：分布式电网智能（DistributedGridIntelligence） DR：需求侧响应（DemandResponse） EER：电能路由器（ElectiricEnergyRouter）是一种可实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制的设备；作为配电网中分布式电源、无功补偿设备、储能设备、负荷等的智能接口，应该在保证电能质量的前提下，灵活地管理区域电网内部及整个配电网中的动态电能。 EMS：能源管理系统（EnergyManagementSystem)，是对园区级数据中心的电能、天然气、蒸汽、冷（热）量、和用水等能源数据进行自动监测、记录、分析，进而完成能源的优化调度和管理。总目标是建立一个全局性的能源管理系统，包括三大部分内容：能源数据采集、能源数据实时监控以及能源数据统计、分析和管理。 数据中心电能路由器应用技术报告 EV：电动汽车（ElectricVehicle）FC：燃料电池（FuelCell） IEC：国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission）IEM：智能能量管理（IntelligentEnergyManagement) IFM：智能故障管理（IntelligentFaultManagement） ISOP：输入端级联，输出端并联（InputSeriesOutputParallel）LS-PWM：载波层叠调制（Level-shiftedPWM） MMC：模块化多电平变换器（ModularMultilevelConverter），由多个结构相同的子模块（SM）级联构成，已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑。 MPPT：最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking）MVDC：中压直流（MediumVoltageDirectCurrent），我国中压 直流电压等级的划分依据是直流电压的有效值在1kV至20kV之间。 PCC：公共连接点（PointofCommonCoupling）PCS：双向能量转换系统（PowerConversionSystem） PET：电力电子变压器（PowerElectronicTransformer），是利用 电力电子变换技术来实现电压等级转换和电力传输的智能化设备。 PFC：功率因数校正（PowerFactorCorrection）PLL：锁相环（Phaselockedloop）； PS-PWM：载波移相调制（Phase-shiftedPWM） PWM：脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅 数据中心电能路由器应用技术报告 值）。 RSC：可再生侧变换器（RenewableSideConverter） SHE-PWM：特定谐波消除调制（SelectedHarmonicEliminationPWM） SM：子模块(Sub-Module)，半桥型SM目前工程应用最为普遍，但不具备直流故障穿越能力。全桥和双箝位SM都具备直流故障穿越能力，但投资和运行损耗较大，目前尚无普遍工程应用。 SST：固态变压器（SolidStateTransformer）SVM：空间矢量调制（SpaceVectorModulation） VFD：变频器（Variable-frequencyDrive），是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。 VSC：电压型变换器（VoltageSourceConverter) 数据中心电能路由器应用技术报告 四、电能路由器的发展历程和技术现状 为了减小分布式电源对电力系统的冲击，提高供电可靠性，充分利用可再生能源的效益和价值，国内外的专家学者提出了微电网的概念。微电网是由分布式电源、储能、负荷、能量转换设备及保护装置等组成的小型电力系统，从功率容量、供电半径和建设规模几方面都和园区级数据中心非常匹配。 为了给微电网及其配电网提供智能稳定的接口，使电力系统形成一个可靠互联的体系，电能路由器的概念应运而生。 （一）交直流混合微电网的演化趋势 微电网是一种可靠的能源系统，服务于特定的地理区域，比如园区级数据中心，其规模通常从100kW到数MW，就母线电压类型而言，微电网主要分为三大类，纯交流微电网、交直流混合微电网和纯直流微电网。 由于交流电压通过交流变压器容易转换为较高的电压等级以及可以进行远距离传输，在电气化历史中相当长的时间里，交流电一直是世界各国电网系统的主要输配电应用方式，因此还是以交流微网为主流形式。 交流微网的基本结构如图（a）所示，光伏、风机等分布式电源装置和相关储能设备均通过各自匹配的变流设备连接到微网系统内部的一条交流母线进行统一调度，该交流母线通过PCC处的选择开关连接到相应配电网电压等级下的变压器，并通过对此开关的控制能够根据用户需要实现微网系统分别工作于并网模式和孤岛模式。 数据中心电能路由器应用技术报告 （a） （b） （c） 图1不同种类微电网的结构原理图 数据中心电能路由器应用技术报告 在可再生能源的快速发展及用电负荷多样化的现实情况下，传统交流电网面临着越来越多的挑战。引入直流微电网可以带来高效传输、灵活配置和易于集成可再生能源等优势，成为了解决这一问题的有效途径。 交直流混合微网的基本结构如上图（b）所示，它集成了直流微网和交流微网两种结构的优势，提高整体的能源效率和可靠性，允许两种形式的电能共享同一个配电网络。这种混合系统的设计通常包括交流和直流母线，它们可以通过AC/DC变流器连接，实现能量的双向流动和转换。 分别给交流负荷和直流负荷供电。其核心优势在于其能够更有效地处理可再生能源，如光伏和风能，这些通常以直流形式产生，可以有效提高供电质量，尤其是在减少谐波和三相不平衡等电能质量问题方面表现突出。这种系统还能够提供更高的供电可靠性，因为它可以在交流和直流之间灵活切换，以应对电网状况的变化。 从整体结构来看，交直流混合微网中的直流微网部分可看作以一个特殊电源的方式通过相应的变流设备恰当地连接到交流微网的母线上，系统整体仍相当于一种功能丰富的特殊交流微网形式。能够实现为接入系统内的多种负荷提供不同要求的电能并减少由于功率的多级变换而带来的不必要损耗。此外该混合微网结构具有较强的适应性，可以快速高效地控制和管理接入微网系统内的多种容量和特性差别较大的分布式电源，也适合为集中存在多种不同类型的负荷的地域提供所需的稳定可靠电能并最大化利用当地分布式可再生能源，非常 数据中心电能路由器应用技术报告 适宜应用在电压等级较低的普通电能用户侧。但美中不足的是需要一个超大功率的双向AC/DC变换器，这也是未来向直流化演进过程中最大的瓶颈。