數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能措施綜述

柳青

【摘 要】數(shù)據(jù)中心的額外能耗主要由UPS設(shè)備本身的損耗以及其冗余結(jié)構(gòu)所帶來，在現(xiàn)有規(guī)范GB-50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》對相應(yīng)安全等級的冗余結(jié)構(gòu)前提下，對供電設(shè)備、供電方式進(jìn)行合理選擇，并對不同設(shè)備、方式的節(jié)能效果進(jìn)行分析比較，為今后數(shù)據(jù)中心電氣專業(yè)在節(jié)能方面的設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心；UPS；節(jié)能

一、引言

隨著大數(shù)據(jù)以及云計算技術(shù)的迅速發(fā)展，社會各界對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要與日俱增，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也隨之迅速擴(kuò)大，單體數(shù)據(jù)中心的裝機容量達(dá)到MW級別甚至更高。數(shù)據(jù)中心的能耗問題也逐漸被社會所關(guān)注，在日益嚴(yán)峻的能源問題面前，數(shù)據(jù)中心能否更高效率的運行成為行業(yè)內(nèi)重點關(guān)注和研究的對象。

二、當(dāng)前數(shù)據(jù)中心能耗概況

根據(jù)中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布的《中國數(shù)據(jù)中心能效研究報告（2015年）》顯示，我國2009年數(shù)據(jù)中心總耗電量約為364億kWh，占全社會用電量的1.2%，2011年全國數(shù)據(jù)中心總耗電量700億kWh，占全社會用電量的1.5%。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[1][2]的研究，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心總能耗的11%左右，照明系統(tǒng)占4%左右，IT設(shè)備占45%左右而空調(diào)制冷系統(tǒng)占40%左右。供配電系統(tǒng)的能耗絕大多數(shù)為系統(tǒng)的損耗，降低供配電系統(tǒng)的能耗將極大的提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

多數(shù)安全等級較高的數(shù)據(jù)中心里，UPS設(shè)備長期工作在低負(fù)荷狀態(tài)，其效率一般在90%左右，可以看出供配電系統(tǒng)總損耗中UPS占了絕大部分。為了提高數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的能效，應(yīng)優(yōu)先從UPS系統(tǒng)入手。

三、供配電系統(tǒng)的節(jié)能措施

（一）飛輪UPS

不配置蓄電池組是飛輪UPS與傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的最大差異[3]，飛輪儲能技術(shù)儲能密度大、儲能效率高、對環(huán)境無危害[4]，比傳統(tǒng)的使用鉛酸蓄電池的UPS在節(jié)能環(huán)保上有很大優(yōu)勢。UPS設(shè)備的能耗主要來自電源轉(zhuǎn)換過程，從圖1可以看到，飛輪UPS在正常工作時，流過整流逆變環(huán)節(jié)的電流很低，只需維持飛輪轉(zhuǎn)速即可。而從圖2可知，傳統(tǒng)UPS正常工作時，流過整理逆變環(huán)節(jié)的是額定電流。在滿載狀態(tài)下，傳統(tǒng)UPS效率一般在94%左右，而飛輪UPS的效率在97%左右[5][6]。另外，飛輪UPS在容量相當(dāng)?shù)那闆r下，比傳統(tǒng)UPS節(jié)約一半的占地面積，并對建筑物的承重要求從傳統(tǒng)UPS的16KN/m2降低至2KN/m2 [3]。從建造數(shù)據(jù)中心的成本方面也帶來了極大的經(jīng)濟(jì)效益。

但是，飛輪UPS的電源后備持續(xù)時間只有15s到60s，這給柴油發(fā)電機組快速啟動提出了很高的要求，國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》JGJ16-2008規(guī)定，柴油發(fā)電機應(yīng)在30s內(nèi)啟動并供電?？梢妵鴺?biāo)對發(fā)電機的啟動要求并沒有在15s的“絕對安全時間”以內(nèi)，這也是目前眾多數(shù)據(jù)中心沒有使用飛輪UPS的原因之一。另外，飛輪UPS的價格也是其應(yīng)用不夠廣泛的重要原因，與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池儲能UPS相比，飛輪UPS的價格高出近2倍。現(xiàn)有國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心案例中，有些選擇了雙路冗余供電結(jié)構(gòu)的其中一路應(yīng)用飛輪UPS，而另一路使用傳統(tǒng)UPS，以兼顧電源后備時間、投資成本與節(jié)能之間的平衡。

（二）高壓直流供電

所謂高壓直流供電，是與通信行業(yè)48V直流系統(tǒng)相比而言的。與傳統(tǒng)UPS相比，高壓直流供電減少了一個逆變環(huán)節(jié)，對交流市電進(jìn)行整流后直接給服務(wù)器設(shè)備供電，圖3是其原理圖。由于整個系統(tǒng)的元件減少，能耗隨之降低，高壓直流供電設(shè)備的效率在96%左右[7]，同時系統(tǒng)的精簡也帶來可靠性的提高，設(shè)備體積、質(zhì)量也隨之降低，價格也比傳統(tǒng)UPS降低50%左右。高壓直流供電設(shè)備多為模塊化設(shè)計，在建設(shè)初期可分批配置，運行中也可根據(jù)負(fù)載情況使部分模塊處于休眠狀態(tài)，達(dá)到提高整機效率的目的。

高壓直流供電也有其缺點，從圖3中可見，電池直接接在輸出主回路上，當(dāng)電池進(jìn)行充電時，主回路上的電壓最高為282v，需要在建設(shè)初期充分考慮此時末端負(fù)載能否正常工作，也就是說高壓直流供電對末端負(fù)載的兼容性要求較高。另外，雖然理論上開關(guān)電源可以正常接收240V直流電源的供電，但是否會對設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命造成影響仍需一定時間的檢驗，也是大多數(shù)業(yè)主對高壓直流供電系統(tǒng)的擔(dān)憂。

（三）市電直接供電

由市電直接代替UPS供電供電是最直接有效的辦法，沒有了能量的兩次轉(zhuǎn)換也就沒有了能量的浪費。對于大多數(shù)數(shù)據(jù)中心來說，為了保證其可用性的高要求，一般會采用雙路供電結(jié)構(gòu)，其中一路使用UPS供電時，另外一路就可以用市電直接供電。這種供電方式除了傳統(tǒng)UPS外，還可以和飛輪UPS、240V高壓直流等供電方式靈活組合，可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)中心電源利用效率。

市電直供在電源效率上優(yōu)勢明顯，但其缺點也是顯而易見的。服務(wù)器的開關(guān)電源模塊在整流過程中產(chǎn)生大量諧波，采用市電直供將會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染，需要安裝濾波器設(shè)備進(jìn)行治理[8]。另外市電直供與UPS供電相結(jié)合的方式，其系統(tǒng)整體可用性是否能夠達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)仍需進(jìn)一步驗證，目前IDC數(shù)據(jù)中心的租用者對此種供電方式的接受程度仍有待提高。

（四）太陽能光伏供電

傳統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由光伏陣列、逆變器、濾波升壓電路組成[9]，通過對逆變器的控制達(dá)到并入電網(wǎng)的要求，如圖4所示。

根據(jù)240V高壓直流供電在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用經(jīng)驗，可以將太陽能光伏直接引入數(shù)據(jù)中心的供電體系中使用。基于服務(wù)器可以直接接受直流供電，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)也就無需使用逆變環(huán)節(jié)，又因為數(shù)據(jù)中心已經(jīng)是末端用戶，也就不存在并網(wǎng)的因素，省去了逆變器和濾波升壓電路，僅需保持光伏陣列的輸出電壓穩(wěn)定即可，成本和控制難度大大降低。因此數(shù)據(jù)中心在使用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時具有天然的優(yōu)勢。

由于太陽能光伏發(fā)電受環(huán)境因素影響較大[10]，其電能輸出往往難以滿足數(shù)據(jù)中心對供電穩(wěn)定性的要求，如果使用在雙路供電結(jié)構(gòu)中的其中一路上，當(dāng)另外一路電源失效時，光伏發(fā)電無法承受整個數(shù)據(jù)中心的供電負(fù)荷，因此需要與240V直流供電系統(tǒng)結(jié)合使用。其供電結(jié)構(gòu)如圖5所示。

從圖5中可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)與240V直流供電系統(tǒng)并聯(lián)使用，光伏陣列的輸出電壓應(yīng)設(shè)置為240V，與高壓直流設(shè)備同時為末端負(fù)載供電，可以降低數(shù)據(jù)中心電能費用。

此系統(tǒng)需要注意的兩點是：第一，240V直流供電設(shè)備總?cè)萘啃枰獫M足全部負(fù)載的用電需求，在電源2失效時使用；第二，在電池充電過程中，輸出主回路上的電壓為282V，需要在光伏陣列一側(cè)設(shè)置保護(hù)回路，防止電流逆流。

四、結(jié)語與展望

面臨日益嚴(yán)峻的能源危機，數(shù)據(jù)中心的能耗不斷被社會所關(guān)注。2016年國家正式發(fā)布了《數(shù)據(jù)中心資源利用第3部分：電能能效要求和測量方法》，說明國家高度重視數(shù)據(jù)中心的能耗問題。國外很多IT行業(yè)的大型企業(yè)如Google、Facebook等，已經(jīng)成功建造出PUE（Power Usage Effectiveness）小于1.1的數(shù)據(jù)中心，國內(nèi)目前仍在向PUE小于1.5而努力。我國應(yīng)該積極探索數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的方法，隨著各種供電技術(shù)的不斷成熟和業(yè)內(nèi)工程師對供電結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，相信未來幾年中國的數(shù)據(jù)中心將從能效、可靠性和低建設(shè)成本等方面有長足的發(fā)展。

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