(北京中城华鼎建筑设计有限公司上海分公司 上海市 200442)
摘要：<正> 2020年6月，第一座全部应用该新型直流供电系统的大型数据中心投入运行。这为数据中心从10kV交流直接获得240V直流供电系统的开发及应用，量身定制了一种新的方案，并正式落地实施。笔者全程参与了该数据中心的设计审核、建设及测试验证，故本文针对该系统提供了理论推演、产品测试和系统验证的展示。
关键词: 数据中心；直流供电系统；移相变压器；整流；波形；测试验证
数据中心历来是高密集用电工程，在基础设置建设投入中，电力设备（供配电及交直流电源）及工程占比近50%。多年来，数据中心的供配电系统均使用通用的中低压配、变电方案，特别是0.4kV低压配电方案，包含进线、馈线柜、无功补偿柜等，这种配置方式与其他工业、民用工程的供电系统几乎没有差异。
但是大型数据中心的低压配电系统具有及其显著的特点，即80%的电力供向IT机柜，而IT负荷组又有着大量复制、堆砌的特点，这就导致0.4kV配电系统单回路配电容量大，且大部分配电回路完全一致，0.4kV低压配电系统投入成本高，占地面积大。所以0.4kV低压配电系统拥有很大的整合动机和空间，数据中心亟待一种量身定制的新型配电系统应用方案。
为了解决这一矛盾，一种新型的从10kV交流直转240V直流（也就是从城市电网用户级电源电压等级，直接转为IT设备受点电压等级）的组合设备，即一种应用解决方案应运而生。这一方案整合了10kV受电设备、移相变压器、模块化集中整流设备以及直流配电设备，相比较于传统方案，省略了几乎全部用于IT负荷的0.4kV配电系统。理论上同时达到了简化配电结构、节省配电系统初投资以及减少配电系统电能损耗的目的。且由于简化了配电结构，理论上减少了系统故障点，提高了数据中心整体可用性。
以下从原理推演、产品测试和系统验证三个方面展示该应用方案。
一、原理推演
任何新产品或新应用，都需要从运行原理推导出可行性。之前提到，直流240V是数据中心IT设备的主要接入电压等级。该方案首先采用干式移相变压器将交流10kV电源转为多组交流240V电源，原理如图1。
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图1 移相变压器接线原理图
变压器一次绕组为星形接法，二次绕组分为若干组，均采用Y+△的复合接法，并用调整各二次绕组中Y绕组和△绕组线圈的匝数比的方法，来调整各单绕组与一次绕组的相角差。例如：
当△绕组线圈的匝数为0时，该绕组呈现纯Y接线，相角差为0；
当Y绕组线圈的匝数为0时，该绕组呈现纯△接线，相角差为30；
所以相角差可在0°~ 30°范围内均匀分布，而当图中该“Y/Z”型绕组的接线端子反接时，相角差可在 -25°~ 30°范围内均匀分布。这样当以10°或5°为间隔分布各绕组时，各二次绕组移相角如表1、表2所示。
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表1 以10°为间隔分布各绕组
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表2 以5°为间隔分布各绕组
各二次绕组经过移相后，二次电流最终汇流到二次侧主母排，这样二次侧将会得到多组三相交流叠加波形。对比一次侧三相波形，二次侧波形呈现36脉波，各脉波幅值相等、脉波间相位差相等。交流叠加波形如图2所示。
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图2 二次侧交流叠加波形原理图
说明：1、图中各波形为一次侧三相电流分别对应的二次侧移相叠加后的波形，再次叠加后可得到近似直线波形；
2、图中实线为Y绕组线电流，虚线为△绕组线电流。
上图可见，移相变压器二次侧输出的叠加交流波形，比起传统三相变压器的输出波形，更加接近直流波形。且比起传统三相变压器接整流器的方案，该叠加波形经过整流器后，反馈回一次侧的波形谐波含量更少（满载谐波电流含量不大于5%），功率因数更高，电压调整成为该系统整流器的主要作用（在本应用中整流输出侧为DC200V~DC290V可调）。完整的系统移相变压、整流、配电结构见图3。
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图3 系统结构原理图
二、产品测试
推导出原理可行性后，该产品须进行测试，以验证实际结果是否符合理论推导。本方案成品测试结果如下。
输入条件：电源侧接入AC10kV稳定电源；负载侧接入DC270V，600kW测试负载；
第一步，测量取得移相变压器二次侧输出电流波形，测量点为各绕组其中一相输出端子（图4中标志点），各测量点输出波形如图4-1，图4-2。
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图4-1 相角差30°，-10°，10°的各绕组 图4-2 相角差0°，20°，-20°的各绕组
如图4可见，测量波形接近理论波形，单脉波在顶端位置的测试扰动偏差在2%以内，在可接受范围内。
第二步，测量取得移相变压器二次侧输出电流的叠加波形，也就是整流模块输入侧的完整波形，结果图5所示。
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图5 整流模块输入侧的完整波形
如图5可见，叠加波形已经接近直流波形，给之后的整流环节提供了很好的输入基础。
三、系统验证
2020年6月，第一座全部应用该新型直流供电系统的大型数据中心投入运行。这为数据中心从10kV交流直接获得240V直流供电系统的开发及应用，量身定制了一种新的方案，并正式落地实施。笔者全程参与了该数据中心的设计审核、建设及测试验证。
该数据中心采用双电源供电，单边供电容量20MVA，服务于IT业务总负载容量超过14MW，IT负载全部使用本直流供电系统供电（共18套）。
本工程所采用的10kV中压直降直流供电系统，每套容量为1250kW，移相变压器采用二次侧12绕组36脉波设备。每套系统整流柜分为两组，每组含30kW整流器24套，单组整流柜额定功率720kW。每套系统设计带载最大功率为1125kW。
针对本系统的测试验证主要分为3个方面，验证结果分别为：
1、整机功能实现和报警功能反馈的测试，主要包含：
安装完成检查、交接试验、各机构功能检查；
送电后状态及数据反馈、机构闭锁和联动功能的检查；
各机构告警功能（超温、风扇状态、过压、欠压、电池参数等）
因本文主要在于阐述该系统解决方案的性能实现，故该测试部分不再赘述。
2、系统主要性能参数的测试，前置条件为系统全部通电、带载，仪表全部校正，后备电池全部并入系统。主要测试结果如表3。
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表3 100%额定负载带载2小时测试主要参数
整流系统可在运行状态下热插拔任意1模块，不影响安全运行；
瞬态突加、突减满负载，保持正常运行测试（指标不赘述）。
3、满载运行2小时逐点温度测量（每0.5h测量一次）
由于电气设备的性能和安全运行与设备温度紧密相关，故带载运行温度测量结果是考量设备性能和使用寿命的重要数据。结果见表4。
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表4 100%额定负载带载2小时逐点测试温度
备注：本次测量仪器使用Fluke Ti401 PRO 手持式红外热像仪，热灵敏度 (NETD)= ≤ 0.075 °C；温度测量范围：-20 °C 至 +650 °C；环境温度：25°C
根据表中数据，各点温度最大温升在25°C~30°C之间，满足测试指标。
综上，该系统的验证测试结果满足主要指标，认可该产品的初次运行表现。
结语：本文所展现的这种从10kV交流直转240V直流组合设备的应用，是众多数据中心配电优化方案的一种。从理论推演、产品测试到验证试运行三个环节的操作过程中，初步为我们印证了它的可行性。但与其他新应用方案（或设备）一样，仍需要对应出台单体及组合产品的标准，需要完善各类形式试验标准。更重要的，要能够经受住数据中心长时间不间断运行的考验，并不断改进，因为任何技术的成熟都不是一蹴而就的。相信电气产业在未来一定能够不断地推陈出新，为数据中心建设提供更多更值得应用的方案，为祖国的新基建伟大征程助力。
参考文献：
[1] GB 50174-2017 《数据中心设计规范》
[2] GB 51215-2017 《通信高压直流电源设备工程设计规范》
[3] GB 50462-2015 《数据中心基础设施施工及验收规范》
[4] GB 1094.11-2007 《电力变压器 第11部分：干式变压器》
[5] GB 7251.12-2013 《低压成套开关设备和控制设备 第2部分：成套电力开关和控制设备》
[6] 《数据中心设计与运营实战》 ISBN 978-7-115-36806-5