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(1)

将来のデータセンタに向けた

直流給電方式の検討

2009

年

9

9 月

月

2

2 日

日

廣瀬

圭一

研究開発本部

パワーシステム部門

グリッド協議会

第

27

27 回ワークショップ

回ワークショップ

於：富士通ソリューションスクエア

(2)

1 世の中における直流電力応用例

世の中における直流電力応用例

1

10

100 1000

_1500V

750V

600V

48V

42V

24V

12V

125kV ~ 500kV

送電用途

電気鉄道/地下鉄

電気通信

自動車/輸送機

電子機器類

ＩＣ

チップ

直流電圧

応用例

~5V

~18V

350V

航空機

270V

宇宙応用

データセンタ

住宅・建物内配電

IEC Low-voltage

1500V以下

電気設備技術基準

750V以下

IEC Safety Extra-Low

Voltage 60V以下

労働安全衛生規則

50V以下（規制除外）

ETSI規格

400V以下

IEC ：国際電気標準会議

ETSI：欧州電気通信

標準化委員会

規格、関連法規

DC UTILITY POWER

（注）応用例の電圧値、電圧範囲は一例を示す。

(3)

2 （直流）

小規模発電所

Current War

エジソン（直流）とテスラ（交流）の戦い

ニコラ・テスラ

＜交流推進派＞

交流給電は、変圧器に

より昇圧・降圧が可能

であり、長距離送電実

現できると主張

トーマス・エジソン

＜直流推進派＞

自身が発明した電球

に電気を供給する方

式として直流方式を

かたくなに主張

都市部・市街地

（電力消費地）

大規模発電所

（交流）

送電設備

（交流）

変電設備

（交流）

配電設備

（交流）

3km程度

(4)

3 電気事業としての直流給電

電気事業としての直流給電

(19

世紀後半

)

• 1882年9月4日

EdisonがNY市にて事業展開

– 100ｋW出力の発電設備（1200台の白熱電球を点灯可能）を6式導入

– 110 VDC, 需要家は90軒（400灯）足らず

– 1年後

513軒（10,000灯）へ急成長

• その後10年間北米、欧州、南米、日本に

直流方式が展開導入される

• 電圧方式

– 120/240 VDCの3線式

– 欧州では、220/440 VDCの3線式もあり

• Teslaとの戦いに敗れ、交流方式が主流となる

Pearl Street station,

circa 1882

100kW

エンジン発電装置

（直流）

Source: Robert W. Lobenstein and Carl Sulzberger, „eyewitness to dc history the first and last days of dc service in New

York City,“IEEE power & energy magazine, May/June 2008.

(5)

4 電気事業としての直流給電

電気事業としての直流給電

(21

世紀

)

• 2001年時点

– 米国 the Consolidated Edison Company（ConEd）は4,000以上の

直流供給の需要家を有していた

• 2005年末

– ConEd は、直流供給サービスを提供しないことを公に発表

• 2007年9月

– 最後の5件の需要家に整流装置を導入し、直接の直流供給を停止

• 2007年11月14日

– Edisonとスタッフが直流電気事業を開始して125年2ヶ月9日と9時

間、サービスが提供され続け、寒い曇り空の午後、その長い歴史

の幕を下ろした

(下図参照)

Source: Robert W. Lobenstein and Carl Sulzberger, „eyewitness to dc history the first and last days of dc service in New

York City,“IEEE power & energy magazine, May/June 2008.

(6)

5 今なぜ、直流給電なのか？

今なぜ、直流給電なのか？

• 電源・電力システムの多様化

⇒分散型電源やマイクログリッド、スマートグリッドの拡大

⇒分散型電源は直流出力が多い（太陽電池、燃料電池

他）

• 近年の負荷利用形態の変化

⇒直流で動作（特にICT機器、デジタル家電

他）

• エネルギー蓄積方式

⇒直流(例：蓄電池）

• 制御が容易、構成がシンプル

• 信頼性・品質、効率が高い

「直流」は「発電・蓄電・消費」との親和性が高い

近年、欧米でも直流を見直す動きが活発化

環境に対する意識の急速な高まり

新技術獲得、新たな市場創出への期待

(7)

6 HVDC

HVDC

給電システムの開発動向

NEDO

品質別電力供給

実証研究開始

2005～2008年

Intel社とHVDC

サーバの実証試験

2007年12月

整流装置・コンセント等開発

サイト実証開始（都内３箇所）

2009年1月～

導入目標

2010

年

NTTグループの

導入方針発表

2008年6月

JANOGでのパネル

ディスカッション

2006年7月

INTELEC: IEEE傘下の国際電子通信エネルギー会議

ETSI: 欧州電気通信標準化機構

JANOG: 日本ネットワーク運用者グループ

2003年10月

INTELEC横浜

（直流研究会）

2005年10月

INTELECベルリン

（直流研究会）

2007年10月

INTELECローマ

（直流研究会）

2007年7月

サンタクララ

直流研究会

2006年6月

ワシントンDC

直流研究会

直流検討

WG発足

HVDCデモ開始

シリコンバレー

2009年6月

アナハイム

直流技術フォーラム

2006年

DC350V実証開始

2009年

IECへ国際標準化の提案

2003年8月

ETSI規格制定

DC300V方式

の推進を提言

(8)

7 NTT

NTT

ファシリティーズ社による国内の直流供給実証

Sapporo

NEDO仙台実証

（300 VDC）

Osaka

Fukuoka

NTT武蔵野研究所※

(400 VDC)

NTT-F実証サイト

(400 VDC)

NTTデータ三鷹ビル※

(380 VDC)

さいたま市

データセンタ

（48 VDC）

愛知工大実証※

（350 VDC）

NTTドコモ立川※

（48 VDC）

Tokyo

※実証の主体は、記載本図に記載されている企業・大学であるが

NTT-F社は電源システム供給や技術協力等を実施している。

(9)

8 HVDC

HVDC

給電システムの導入に向けた課題整理

1.技術的課題

–

過電流遮断等保護技術

–

接地技術、ノイズ・EMC対策技術

–

信頼性、給電品質の維持

–

高効率・低損失化（低損失デバイスの適用）

–

給電網構成の検討

–

安全なコンセントプラグ

2.規格、法体系の整備、各種エンジニアリング

–

給電電圧、方式など標準・規格化

–

人体、機器の保護等の安全性確保

–

設計・施工・保守方法の確立

3.コスト評価及び低コスト化に向けた施策

–

市場拡大の取り組み、PR・普及活動

–

ITベンダらとの提携

–

電源装置、負荷装置の価格低減

主にハード・装置開発

主にソフト・標準開発

及び手法・手順の確立

（国際活動）

情報共有、意思決定

アライアンス

(10)

9 高電圧直流給電

高電圧直流給電

システム

の構成

整流装置（充電用）※２

～

3φAC

200V

PDF

－

Ｙ

～

_－

－

_－

整流器ユニット

－

：

充電器ユニット

整流装置（直送用）

ＰＦＣ

ＤＣ-ＤＣ

（絶縁型）

商用電力

3φAC6 kV

変圧器

電圧補償装置（VC）※１

DC300Ｖ～400V

ICT装置

サーバ用ＰＳＵ等

蓄電池

※１、※２：導入条件に応じて構成を変更

PFC

：力率補償回路

DC-DC ：直流変換回路

PDF

：直流分電盤

PSU

：パワーサプライユニット

コ

ン

セ

ン

ト

(11)

10 開発状況

開発状況

整流装置

プロトタイプ

A

整流装置プロトタイプ

A

の諸元

15 台

ユニット台数

（N+1）

401.4 V

直流出力電圧

±1

%

出力電圧範囲

仕様

単位

項目

定格出力電流

交流入力電圧

定格容量

kW

100 33×N

200 A

V

整流装置

W：600×D：600×H：1800mm 2架

整流器ユニット（8kW）

W：430×D：468×H：130mm （3U）

整流装置プロトタイプ

A

外観

(12)

11 開発状況

開発状況

整流装置

プロトタイプ

B

整流装置

W：600×D：800×H：2000mm 1架

整流器ユニット（13kW）

W：480×D：492.5×H：130mm （3U）

9 台

ユニット台数

（N+1）

401.4 V

直流出力電圧

±1

%

出力電圧範囲

仕様

単位

項目

定格出力電流

交流入力電圧

定格容量

kW

100 33×N

200 A

V

整流装置プロトタイプ

B

の諸元

整流装置プロトタイプ

B

外観

(13)

12 高電圧直流給電

高電圧直流給電

システム

の構成要素

～

3φ

AC200V

BATT

UPS

電源装置

●

● ～

3φ

AC200V

DC400V

程度

BATT

整流器

電源装置

ICT機器

●

?

ICT機器

交流分電盤

交

流

給

電

高

電

圧

直

流

電源装置～ICT機器までの給電システムを提供しなければならないが、

市場には、高電圧直流給電には「コンセント」に該当する適切な製品が無い。

高電圧直流用コンセント・プラグの自主開発に着手

給

電

19インチラック

ICT機器

直流分電盤

AC200V

若しくは

AC100V

(14)

13 高電圧直流給電

高電圧直流給電

用コネクタ・プラグ

プロトタイプ

機械的

スイッチ

アーク遮断モジュール

駆動用端子

＋端子

－端子

接

地

端

子

OFF

機械的スイッチ

動作状態の突起

（抜け留め）

ON

挿入後・機械的スイッチの操作に

よるダブルアクションによる誤操作

の防止

非対称構造による逆接続防止

コンセントに窪みを設け、挿入時

の端子部（金属）の露出防止

挿入後・機械的スイッチの操作に

よるダブルアクションによる誤操作

の防止

非対称構造による逆接続防止

コンセントに窪みを設け、挿入時

の端子部（金属）の露出防止

(15)

14 コンセントバー

コンセントバー

プロトタイプ

■電気的特性

－定格電圧

400V

－定格電流

50A

（25A×2、1口あたり最大10A）

－定格出力

20kW

■特徴

－サイズ：W80×D83×H1,752mm

－ 20口 (10口×2系統）

－系統ごとに断路機能

設置事例

(16)

15 直流給電方式の標準化検討範囲と要件の一例

直流給電方式の標準化検討範囲と要件の一例

Storage

Bank

Protection

Device

Utility grid

（AC main）

Distributed

Energy Source

Loads

（IT system）

X

Power

Converter

Option

AC in

DC out

_Y

DC Voltage

Standard

DC Voltage level

DC Power Quality

System Protection

Nominal and band

Noise, Ripple, Transient,

Stability, Reliability, etc.

Over-current, Earth leakage,

Grounding, etc.

Source：廣瀬、山崎、松村：「情報通信システムに適用する直流供給電圧の検討」、信学技報、2009.1.23、東京

(17)

16 ICT

ICT

システム向け直流方式の実証動向と公称電圧

Sweden

UPN

社

350VDC

日本

NTT

グループ

380 、

400VDC

日本

各種実証研究

300 、

350VDC

France

FT

社

350VDC

New Zealand

Telecom NZ

他

220VDC

米国

Validus

社

550VDC

米国

Intel

社

400VDC

米国

UCSD

他

380VDC

(18)

交流電圧ベースにした直流公称電圧の検討

(19)

18 ICT

ICT機器内部における直流電圧

機器内部における直流電圧

FIL

PFC

D/D

24 V

12 V

5 V etc.

Root Mean Square

(RMS) Voltage

Peak Voltage

(Boosted by PFC)

Rectified Voltage

(Battery’s floating voltage)

IT equipment

FIL

:Filter

PFC

:Power Factor Correcting Circuit

D/D

:Dc-dc Converter

(20)

19 交流電圧ベースにした直流公称電圧の検討

交流電圧ベースにした直流公称電圧の検討

rms

(A) 実効値電圧

交流配電電圧の実効値Vrms同じ電圧

を直流電圧Vdc とする考え方である．

(B) 整流電圧

(C) ピーク電圧（PFC：力率改善回路電圧）

(21)

20 なぜ、標準化・規格化が必要なのか？

なぜ、標準化・規格化が必要なのか？

参考：IEC規格の基礎知識、日本規格協会、1996年

■社会的役割

・製造側、ユーザ側の相互理解を促進する

・製品＆サービスの両立性を促す

・発祥地の異なった製品間に公平な競争をもたらす土壌をつくる

■IEC規格のねらいと目的

・全ての地域と各国の標準化システムに適用できる

・世界中の工業界、商業界等において活用される

・公平でかつ自由な貿易通商を促進し、全ての国々の経済に益をもたらす

・製品の安全と品質、手順、サービスを向上する

・既存、新規を問わず、技術知識を普及する

・合理化と経費削減に貢献する

・環境貢献、公害防止、また資源の有効利用を支援する

■注意すべき点

標準化の在り方は、市場の要求と技術の進歩に合わせて変化しなければならない

・標準化が先行すると進歩を阻止

・標準化が遅れると供給者とユーザにとって意味が無くなる

(22)

21 直流給電方式推進のための

直流給電方式推進のための規格化・標準化活動

規格化・標準化活動

■標準化ターゲット

・電気用品、設備規定

→

IEC（JIS）規格

・通信系システム

→

ITU-T規格

・データセンタ業界

→

The Green Grid

～凡例～

IEC：国際電気標準化機構

JIS：日本工業標準

ITU：国際電気通信連合

TGG：グリーングリッド（米国）

拘束力のある標準・規格の制定は実施

しないが、ガイドライン・白書等の発

行により、業界標準として牽引できる。

ITシステム、データセンタの効率

運用を推進するための業界団体。

TGG

電気通信及び無線通信

国際的電気通信網・サービスの確

立、及びその運営のための調整を

目的とする。

標準化はその事業の一部。

ITU

電気・電子技術分野（JIS規格と整合）

IEC

電気・電子技術以外の産業分野（鉱工

業、建設、化学等）

国際貿易円滑化・促進のための国

際規格策定を目的とする。

各国の代表的標準化機関からなる

非政府間機構。

ISO

標準化対象分野

機関の性質

機関名

(23)

22 米国業界団体の動向

米国業界団体の動向

EPRI/LBNL DC Power Partners Meeting

2009年4月発足

米国内の企業による建物内直流配電

の標準化、導入促進のため活動

特に照明器具、小電力機器類の直流化が

当面のターゲット

EPRI（米国電力研究所）、及びLBNL(ローレンスバークレー研究所）が中心となり

主に、データセンタの直流化の標準化、導入推進を議論し、情報共有を行う場である。

米国を中心としたIT業界、電機メーカ、データセンタ・通信事業者、研究機関、設計

会社ら約70名で構成、定期的な電話会議・会合を開催し、情報共有に努めている。

2007年夏より活動開始

Source: http://www.emergealliance.org/en/index.asp

(24)

23 米国における直流給電技術会議

米国における直流給電技術会議

(2009

年6

年

6 月

月

)

■トピックスの一例

•最適化直流電圧の選定、標準化議論

•全体効率の最適化検討

•直流照明システム、及び直流家電

•直流空調、及び他の建物システム

•直流マイクログリッド

•住宅用直流給電システム

他

Source: http://www.the-infoshop.com/conference/green-building09/

会議模様（2009年6月1日）

(25)

24 直流技術に関する国内の動向

直流技術に関する国内の動向

■電気学会次世代電力システムにおける直流給配電調査専門委員会

平成１９年年度～２１年度３カ年の活動予定

大学、企業、研究機関など４０名の委員による技術動向調査活動

・年５回程度の会合

・施設見学会

・研究会（H20年11月開催済）、H21年12月頃開催予定

・H22年3月シンポジウム開催（予定）

■電気設備学会直流配電システム実現に向けた課題調査委員会

平成１９年度

・直流配電システム適用時の国内関連法令整合調査

・国内外の実証例の調査

平成２０年度

・施設設計を実施する場合の課題抽出

（案）平成２１年度

・国際規格に向けた課題整理・動向調査

・導入促進のための活動

・最適な直流配電方式の調査

(26)

25 ■直流化ミーティングとは？

・データセンタや通信ビルへの直流給電方式（HVDCやDC48V給電）

の早期導入や普及促進を目的に、給電インタフェー条件

(標準化)案の検討、及び関連する技術条件を議論するため

の専門家有志による活動。（2008年4月スタート）

■活動メンバ（あいうえお順）

INTEL、NEC、NTT、パナソニック電工

日立製作所、富士通

NTTファシリティーズ（事務局）

■活動内容

•現在、NTTグループへのHVDC給電システム導入（2010年）

に向けた給電仕様（推奨電圧値他）案を検討中

•月１～２回の会合、及び電子メールベースでの検討を実施。

（平成20年4月の第1回会合より、計15回の会合を実施）

•今後、TGG、ITU-T、ETSI、IEC等の国際規格制定のため、国内外の関連団体へ、

HVDC給電システムの標準化(案)提言や技術情報の提供を行う計画有。

直流化ミーティング

Direct Current Technical Meeting

TGG: The Green Grid

IEC: International Electrotechnical Commission

(27)

26 ■データセンタに適用するHVDC給電方式の開発が進行中

■HVDC給電方式の標準活動が本格的にスタート

■世界各国で直流給電を見直す動きが活発化

ーデジタル家電・電子負荷機器の増加など、電力利用形態に変化

ー世界各国で住宅・建物内直流配電の検討が進んでいる

ー情報通信、データセンタにおける高効率給電方式としても期待大

ー分散型電源との連系による地球環境保護への貢献

ー 2000年以後、欧州からの提案を手始めに、日米欧で開発が同時進行

ー実証規模、回路方式、目的等により、直流電圧がまちまち

（300～400V程度の直流供給電圧が有望であろう）

ー技術的課題の他に、国際標準の制定が急務

まとめ

ー最優先課題としての「標準化」が、日米欧の専門家で一致

ー複数の標準化母体、関連審議団体との議論、意識合せが必要

ー国際標準制定のため各国間の連携が必要

（日本の貢献度が期待されている）

(28)