河北慧日信息技術有限公司

國家標準《數據中心能效限定值及能效等級》已經在全國范圍內強制實施，對數據中心能耗總量和能耗強度考核指標越來越嚴格，新建數據中心PUE指標要求提升至1.3以內。數據中心節能降耗壓力迫在眉睫，供配電系統作為數據中心的動力心臟，如何實現供配電系統穩定、可靠、安全、經濟、節能、低碳，成為數據中心領域關注點。

據調研，數據中心供配電系統能耗僅次于IT系統與制冷系統，主要來自于變壓器、UPS等供配電系統的轉換，其次是照明。提高動力系統能效，是數據中心實現綠色節能的重要一環。數據中心供配電系統節能減排方法百花齊放，其中，可再生能源的利用、供配電系統模塊化、高壓直流（HVDC）等成為數據中心業內推崇的“利器”。

供配電系統是數據中心正常運行的基礎，需要把“能量”輸送到數據中心的每個角落，包括空調、網絡設備、服務器、控制設備、加濕系統、照明等，供配電設備的傳輸損耗也是能耗中的一部分。我們知道，電費是數據中心運營的主要成本，占到數據中心總運營成本一半以上，因此有效的電力節能是綠色數據中心的關鍵所在。如何最大限度應用綠色可再生能源是數據中心“減壓”的重要方式。

“雙碳”政策以來，各地鼓勵引導數據中心應用可再生能源及清潔能源，從供電側實現綠色低碳，其中“綠電”可以通過自建自用、直采綠電或者購買綠證的方式獲得。

2021年9月，我國啟動全國綠色電力交易試點，多家數據中心企業，如萬國數據、秦淮數據、騰訊，均參與并完成了較大體量的綠電市場交易采購；同時，數據中心企業也可以自投電站，主要分為分布式電站與集中式電站。例如，在數據中心屋頂安裝分布式光伏電站，滿足機房照明用電等需求，作為峰值電力補充的手段。除此之外，未來數據中心企業也可以投資大型風電、集中式光伏項目，把光伏或風電作為主要電力來源，自發自用，余電上網。

數據中心作為高耗電行業，不管應用什么電，能耗是不變的，數據中心企業應該在保證數據中心應用清潔能源的同時，考慮多種能源協同組合，提高供能系統的能效是關鍵。從目前的情況來看，數據中心節能新技術應用層出不窮，供配電系統模塊化趨勢明顯。

根據相關數據來看，供配電系統是占數據中心總能耗約10%，其中UPS供電系統約占總功耗的5%，UPS輸入供電系統約占總功耗的1%，UPS供電設備節能首當其沖。

UPS可以分為工頻塔式、高頻塔式、高頻模塊化等形式。從技術發展路徑來看，高頻技術在效率、成本、諧波、占地等各方面均優于工頻，高頻技術全面取代工頻技術成為趨勢。

主流廠商UPS主要指標分析

在高頻技術之下，模塊化和傳統塔式兩種形式不相上下。模塊化UPS在運維、安裝維護、后期擴容方面具有優勢，被許多數據中心服務商和行業用戶廣泛應用。業內也有不同的聲音，認為多個模塊并機存在風險，可靠性值得考慮。從傳統塔式與模塊化的可靠性對比來看，兩者旗鼓相當,模塊化甚至更優。從近年新上市的UPS來看，大部分都采用了模塊化架構，可見，模塊化UPS是交流UPS的發展方向。

塔式UPS與模塊化UPS的可靠性對比

除了供電系統節能，配電系統節能也不容易忽視。供電系統模塊化趨勢需要和配電系統融合，比如：微模塊UPS、變壓器UPS融合、智能配電母線等等，使供配電系統成為一個整體，實現數據中心配電系統按需運行，智能運維、靈活部署；有利于最大限度降低配電系統電纜傳輸損耗，降低運維成本，滿足不同級別數據中心機房需求。

模塊式UPS圖示

過去10年，供配電系統創新的焦點是電源形式，除UPS之外，還出現了供電框架的創新，由于HVDC簡化交流UPS變換環節，無需逆變器，串聯部件少，理論故障點減少，效率提高。

供電系統架構影響數據中心供電系統能效水平，當前大型數據中心供配電架構常見有三種：2N系統、一路市電直供+一路UPS/HVDC和DR(N=3)系統。以上三種供配電架構的供電效率分別為93.1%、97%和94.1%。供電框架逐漸由傳統的2N系統向能效更高的系統框架轉變。2N系統因其運維簡單，可靠性高，被行業廣泛采用，是數據中心供配電主流解決方案。一路市電直供+一路UPS/HVDC的供配電架構供電能效更高，近年逐漸被市場接受。

按照功能組成,供配電系統主要由10kV配電、柴油發電機組、變壓器、低壓配電、UPS電源及其配電、電池、列頭柜等部分組成，其基本原理如下圖所示。

數據中心供配電系統原理示意圖

世界范圍內，美國、日本、歐洲、中國對HVDC研究均有長時間的研究。目前，美國、日本、歐洲僅限于局部實驗，未能擴大到主流數據中心領域。在中國，市電+HVDC在系統供電效率、建設成本、占地面積、易維護性等方面較傳統2N交流UPS系統都有一定的優勢，且隨著市電質量的不斷提升，中國三大電信運營商在數據中心機房領域大力推廣，國內互聯網大廠，如騰訊、阿里云、百度、京東等也紛紛規?；瘧?。

HVDC相對于UPS 的優缺點

上面我們講了HVDC在數據中心應用優勢明顯，那它能取代UPS嗎？答案是“不能”。

首先，從供電結構上來看，直流傳輸的損耗較大，因此傳輸范圍有限，在遠距離的供電環境，直流不可能取代交流。其次，一路HVDC+一路市電直供不屬于容錯架構，在HVDC檢修時候，市電直供側沒有電池備電，市電閃斷導致服務宕機事件已經多次發生，所以一部分用戶已經放棄一路HVDC+一路市電的架構，重新回到2N的容錯系統。隨著主流UPS廠商在研發的不斷投入，UPS的效率在不斷提升，價格不斷下降， HVDC在效率、成本方面優勢在減弱，此外有些服務器并不兼容HVDC電源制式，也影響了HVDC的應用擴展。

UPS、HVDC等電源的創新只是部件層面的，對供電鏈路影響有限，未來一定是供電鏈路端到端的創新，隨著第三代半導體技術的成熟，碳化硅器件已經在中低壓配電網開始了應用，10kV級的電力電子電源成為可能，銅質變壓器被電力電子變壓器取代，供電鏈路更節能。

下一代供配電系統原理示意圖

供配電系統作為數據中心正常運行的電力保障，任何細微的故障都會影響數據中心的穩定運營。隨著技術的發展，數據中心供配電系統節能方式層出不窮，哪些節能方式將成為主流呢？需要時間檢驗。

來源：中國IDC圈