巴拿马电源在数据中心的应用

巴拿马电源借用巴拿马运河极大缩短大西洋和太平洋之间海上航程的战略意义其在数据中心供配电系统设计中可极大地缩短从传统供电中心10kV到AC UPS或HVDC柜间的漫长链路实现更加高效快捷地供电。系统变化原理框图如下图所示巴拿马系统变化原理框图传统IDC供电架构中变压器无法取消的前提下巴拿马电源采用系统综合式设计以移相变压器取代传统工频变压器同时搭配多脉冲整流设计可根据需求分为6绕组36脉冲、12绕组72脉冲、16绕组96脉冲三种规格。该设计不仅能大幅降低变压器副边绕组的短路电流减小下游开关的短路电流容量进而缩减原有输入柜的开关容量还能通过提升脉冲数显著改善电网功率因数与电流总谐波畸变率THDi成功取消传统供电架构中的无功补偿柜实现低THDi与高功率因数的双重目标。基于这一优势整流电源模块内部的PFC功率因数校正及滤波回路可进一步精简优化模块效率从传统的96%提升至98.5%带动整个供电系统效率提升2%以上实现了从AC10kV输入到DC 240/336V输出全供电链路的优化集成。与传统数据中心供电方案相比该方案可节省40%的设备用量及工程施工量占地面积缩减50%通过供电架构的“做减法”彻底颠覆了传统供配电架构的设计逻辑。巴拿马电源系统次级可直接输出高压直流满足IDC机房核心设备的供电需求同时考虑到机房内部分空调末端仍需交流供电次级侧同步预留部分380V交流输出接口兼顾不同设备的供电需求提升系统适配性。为便于现场安装、调试及输出管控巴拿马电源系统采用方舱式一体化设计将高压柜与变压器直接封装于一体化机柜内部既有效保障了供配电过程的安全性又简化了后期维护流程提升了运维便利性。巴拿马实物变化原理框图一、巴拿马电源演变过程从传统供电方案到巴拿马电源方案架构演变过程如下图所示从传统供电方案到巴拿马电源方案架构演变过程早期数据中心供配电方案采用的是UPS供电方案为解决可靠性问题常采用N1、2N、DR、RR等供电架构但冗余环节多系统复杂、效率低整体系统效率约到92.7%。随着数据中心以通信行业为主爆发的市场发展2011年开始探讨HVDC的解决方案具有模块化效率高、可靠性高、成本更低等特点优势整体系统效率约94.7%。随着互联网公司数据中心的崛起系统简化、减少辅助支持设备空间等成为IDC行业的发展大势2016年开始研发巴拿马方案以实现更加简洁的系统架构。之后研发成功的巴拿马电源整体系统效率增至97%~97.5%。巴拿马电源内部架构组成如下图所示。巴拿马电源内部架构组成巴拿马电源内部架构组成二、巴拿马移相变压器于传统变压器的区别移相变压器通常应用于电网侧与电力电子器件之间核心作用是避免电网侧受到谐波干扰与污染因此其设计与常规普通电力变压器存在显著差异。移相变压器的次级绕组整流器端由多个相互电隔离的绕组构成各绕组之间存在60/NN为次级绕组个数的电角度差这类变压器也可称为6×N脉冲移相变压器。移相变压器在变频器中发挥着关键作用其移相接法可有效消除6N-1次及以下的谐波N为单元数6脉冲整流时N112脉冲整流时N224脉冲整流时N4。以24脉冲整流为例移相接法可有效消除23次及以下谐波而23次谐波的畸变率仅为1/23由此可使总谐波畸变率控制在5%左右从而有效降低负载对电网的谐波污染。由于移相变压器的次级绕组需承受较大的低次谐波其设计与常规普通变压器相比有明显不同。一方面次级绕组的发热需充分考虑谐波电流的影响因此绕组的发热特性与散热设计需重点关注另一方面次级绕组的绝缘性能需满足承受谐波的要求故而绕组的匝间绝缘与层间绝缘需进行强化处理以保障设备稳定运行。移相变压器在中压电机驱动、地铁供电等多个领域已具备长期成熟的应用案例充分证明其可靠性能够满足各类场景的使用需求。2.1 24脉冲整流的变压器设计多脉冲整流电路是通过移相的方法来解决的移相的目的是使整流变压器二次绕组的同名端线电压之间有个相位移。移相绕组与主绕组联结方式常用的是延边三角形接法。三角形延长联接方式的矢量和结构如下图所示。移相变压器原边接成三角形副边有2组绕组。以第1组绕组为例每相绕组均取一部分k2接成三角形另一部分绕组k1为三角形的延伸输出电压,分别为三相三角形绕组电压与其对应延伸绕组电压的矢量和超前输入电压,为。副边第2组绕组也是由三角形绕组及其延伸绕组构成但其接法略有不同输出电压,分别滞后输入电压,为。因此,与,分别相差。此变压器副边绕组匝数相等阻抗相等由其供电的2个三相二极管整流桥可以很好地平均分担负载电流。三角形延长联接方式矢量三角形延长联接方式结构因此只要保证三相输出为120度相差即可实现6脉冲整流保证60°相差即可实现12脉冲整流保证30度相差即可保证24脉冲整流。2.2 巴拿马电源的典型配置规格尺寸根据目前数据中心项目的需求巴拿马电源有几种不同容量的配置例如600kW、1.2MW、1.6MW、2.2MW、2.4MW等其规格尺寸如下表所示2.3 巴拿马电源典型架构设计方案数据中心应用巴拿马电源系统的架构方案主要有两种2N巴拿马供电方案、2N巴拿马市电方案2N巴拿马供电方案A路巴拿马B路巴拿马两路互相在IT侧互为冗余备份关系负载设计按照50%设计考虑一定余量一般实际运行在40%左右示意图如下所示巴拿马电源2N系统方案2. 2N巴拿马市电方案A路巴拿马市电、B路巴拿马市电将巴拿马电源移相变压器功能分成两部分输出一部分给整流模块另一部分给IT设备实现一路巴拿马一路市电的模式提高系统效率预计整体效率能提升0.5%。巴拿马电源2N巴拿马市电系统方案