首个兆瓦级全直流供电数据中心建成投运清华电机系2团队突破创新助供能效率提升超15%

2020年12月底，

广东东莞安华数据中心直流供电系统结束1个月试运行，

系统运行状况良好，

标志着首个兆瓦级全直流供电数据中心建成投运！

清华大学提出的数据中心全直流供电方案首次应用落地！

图：广东东莞安华数据中心

一、研究背景

近年来，数据中心能源消费快速增长，如2018年中国数据中心总用电量为1608.89亿千瓦时，超过上海市全社会用电量；2020年3月，数据中心被列入国家“新基建”七大领域之一，更是进入了加速发展的快车道。然而，数据中心传统交流供能系统的多级能量变换损耗高、供电变换灵活性可控性差的问题日益凸现，数据中心的供能方案亟需突破！

直流供电系统因具有控制快速灵活、系统效率高、供电容量大、线路损耗小、电能质量高、具备无功补偿能力等优点，更适合于分布式电源、储能装置和直流负荷的灵活接入，是数据中心供能系统发展的重要方向。

图：全直流供电方案与传统供电方案对比

二、清华贡献

清华大学能源互联网研究院直流研究中心、大容量电力电子与新型电力传输研究中心，电机系赵争鸣教授团队，曾嵘教授、余占清副教授、黄瑜珑副教授团队，联合广东电网有限责任公司，依托国家重点研发计划“智能电网技术与装备”重点专项“交直流混合的分布式可再生能源关键技术、核心装备和工程示范研究”，创新提出数据中心全直流供电方案，系统供能效率可提升15%以上；攻克数据中心全直流供电的理论基础、关键技术、核心装备等难题。首个兆瓦级全直流供电数据中心在东莞建成投运，为实现碳达峰、碳中和目标贡献了数据中心供能系统的技术路径。

（一）突破高效高功率密度直流变换技术

国际首创研制了共高频交流母线拓扑结构的多功能、多端口兆瓦级电力电子变压器，最高效率达到98.3%，实现了“基于能量平衡协调控制”策略，使高功率密度、多功能协调的电力电子变压器达到国际领先水平。

图：数据中心供电系统中的电力电子变压器

图：数据中心供电系统中的电力电子变压器

联合项目组首次提出了基于多端口电力电子变压器的交直流混合配用电系统结构，开创了中低压合环和电力电子变压器“集群”的配用电网运行新模式，攻克了源网荷储因多样性、时变性和分散性造成的匹配难题，实现了系统稳定可靠、能量互联互补共享及效率提升。

（二）突破大容量超快速直流开断技术

清华大学联合株洲中车时代成功研制新一代国产化开断型IGCT-Plus器件，最大开断电流万安级以上，参数国际领先；基于该器件突破±375V固态式超高速直流开断技术，可实现数十微秒级开断，开断容量超过7.5MW，导通压降低于1V，确保了数据中心IT负载的安全防护。

图：应用于±375V固态式直流断路器中的国产IGCT-Plus器件

项目组创新提出耦合负压型混合式直流断路器拓扑，突破低损耗通流、高可靠换流、超快速开断等关键技术，解决了中低压直流系统大容量、超快速开断的难题，联合泰开集团成功开发出10kV混合式、10kV机械式、±375V固态式三类直流断路器。在国际上首次实现混合式、机械式、固态式三种技术路线直流断路器在同一工程集成示范应用，这是继张北500kV直流断路器、珠海10kV三端口直流断路器投入运行之后，清华自主创新的直流开断技术的又一次突破。

图：数据中心供电系统中的直流断路器

图：数据中心供电系统中的直流断路器

三、结语

此次清华大学全直流数据中心方案在东莞应用落地，是全面深化产学研用合作的硕果，解决了传统数据中心交流供能效率低、灵活性差等问题。项目成果将推动大容量半导体器件及直流电网装备的全国产化，为我国绿色数据中心的发展提供关键技术支撑和成套解决方案，全面推动我国占领世界数据中心供能技术制高点。

直流研究中心简介

清华大学能源互联网研究院直流研究中心于2015年由清华大学电机系曾嵘教授牵头成立。中心依托电机系的优势科研力量，组建了兼具高水平学术研究能力、前瞻性技术创新能力、实用化产业发展能力的研究团队。以研发直流输配用电关键技术及装备为核心任务，围绕高压直流输电、中低压直流配用电技术领域，面向器件、设备和系统三个层面，开展理论研究、技术攻关和工程建设，致力于成为直流电网的核心理念传播者、理论技术引领者、标准与应用实践者，为新能源革命奠定坚实基础。

网址：http://dc.eiri.tsinghua.edu.cn

大容量电力电子与新型电力传输研究中心简介

清华大学能源互联网创新研究院大容量电力电子与新型电力传输研究中心的目标是融合电力电子基础理论和新型电力传输关键技术，面向能源互联网中的电力变换和传输技术前沿方向，打造国际一流的电力电子与新型电力传输研究团队。研究中心的定位是坚持电力电子基础理论研究和实际应用关键技术研究“两条腿”走路，坚持电力电子与新型电力传输研究国际化和交叉化的道路，坚持面向能源互联网创新研究方向和人才培养。未来几年，一方面以牵头的自然科学基金重大项目(2015-2019)为基础，实现大容量电力电子基础理论上的突破；另一方面，通过基础理论和关键技术的结合，实现配电网电能路由器系统和电动汽车双向无线充电系统关键技术，解决未来能源网络的前沿问题。

供稿|韩雪姣

编辑|王薪尧

审核|高峰

（来源：清华能源互联网研究院。原标题：科研动态|数据中心全直流供电方案首次应用落地）