相电压控制技术升级，破解新能源并网与数据中心供电难题

相电压控制技术升级，破解新能源并网与数据中心供电难题

相电压是电力系统中的基本概念之一，尤其在三相交流电中尤为重要。它指的是任意一相与中性点之间的电压，在星形（Y）连接的电路中尤为常见。在三相四线制系统中，相电压通常为电源额定电压的根号3分之2，三个相电压之间相差120度，随时间按正弦规律变化。

相电压的稳定是电网安全运行的基础。在传统的电力系统中，工程技术人员借助同步发电机（调相机、传统的火电、水电发电机等）自带的“惯性”来稳定电网的电压和频率等参数。近年来，我国新能源发展迅猛，可再生能源以及大型电力电子设备大规模接入电网，为电力系统带来了新的挑战。前者通常不具备传统同步发电机的惯性响应和电压支撑能力，后者一旦发生故障，可能会导致电压和频率的快速变化，并存在电压谐波等质量问题，从而影响到电网的稳定性，进而出现电网电压、频率不稳，甚至出现振荡等事故。

为了解决这一问题，构网型技术应运而生。构网型技术的核心理念是通过构建电压源，主动支撑电网的电压、频率和功率稳定，特别是在电网发生故障时，能够快速响应并提供必要的支撑。相较于跟网型技术，构网型技术具有更好的电网适应能力，具备并离网切换和系统故障到恢复的黑启动等功能。

在实际应用场景中，相电压的控制对于高密度计算设备的供电至关重要。以数据中心为例，随着数据中心和服务器机房的密度不断提高，对电力的需求也日益增加。更强大的计算系统正不断安装至曾容纳服务器的同一空间中，而与当今的计算机和网络需求相比，这些服务器只消耗了其中所需的一小部分电力。不久前，一个由 10 台服务器组成的单个 IT 机架会消耗总共 5 千瓦 (kW) 的功率。而今天，同一机架可以容纳数十台服务器，总共消耗 20 或 30 kW。为了应对这样的功率水平，您自然希望能提高效率，因为随着时间的推移，即使是些微的功耗改善也将节省大量的成本。

布线是另一个问题。考虑一个 15kW 的机架。使用 120 伏单相交流 (VAC) 电时，需要 125 安培才能为机架供电，这需要直径几乎为四分之一英寸 (AWG 4) 的电线，这种电线太粗了，根本无法方便地使用，更别提昂贵的价格了。由于三相电源更高效，因此可以使用更细的布线提供相同的功率（甚至更高）。如果要使用三相电源来为 15 kW 的机架供电，需要三根能够负载 42 安培 (AWG 10) 的电线，这些电线的尺寸大大缩小，直径甚至不到十分之一英寸。

三相电源带来的其中一个优势是，能够提供近乎两倍于单相系统的功率，而不需要两倍的电线量。它的功率不会是人们所期望的三倍，因为在实际中，人们通常取下一条火线，然后将其连接至另一条火线。要了解三相如何提供更多的电力，必须进行数学运算。单相电路功率的计算公式为：功率 = 电压 (V) x 电流 (I) x 功率因数 (PF)。如果我们假设电路上的负载为纯阻性负载，则功率因数是整数 1，则该公式可以省略为 P = V x I。如果我们考虑电路电压为 120 伏，电流为 20 安培，则功率为 2,400 瓦。三相电路功率的公式为：功率 = 电压 (V) x 电流 (I) x 功率因数 (PF) x 根号 3。如果我们假设电路上的负载为纯阻性负载，则功率因数是整数 1，则公式可以省略为 P = V x I x 根号 3。如果我们假设 3 相电路的电压为 120 伏，并且每相电流为 20 安培，则通过公式可计算出功率 = 120 伏 x 20 安培 x 1.732 = 4,157 瓦。这就是三相为什么可以提供近两倍于单相系统的功率。这是一个简化的例子，但它可以用来研究为了支持更高的电压（例如 208 或 480 伏）或电流（例如 30 安培或更高），电路能够提供多少额外的功率。

在为 IT 设备机架供电时，这种容量将派上用场。单相电源用于机架曾是常态，但随着 IT 机架密度的增加，单相电源变得不那么可行和实用。所有布线、导体和插座都变得更大、更昂贵，并且越来越难以使用。直接向服务器机架提供三相电源，使您能够使用更经济的布线线缆和其他组件，同时提供更多的电力。然而，这确实需要注意每个电路上的负载，确保它们能够保持平衡并且不超过电路容量。

总之，相电压不仅是理解电力系统的基础，还在设备运行和维护中发挥关键作用。掌握相电压及其与线电压的关系，有助于优化系统设计并确保安全高效运行。