2022年11月1日,国家标准《数据中心能效限定值及能效等级》在全国范围内强制实施。国家对数据中心能耗总量和能耗强度考核指标越来越严格,新建数据中心PUE指标要求提升至1.3以内。数据中心节能降耗压力迫在眉睫,供配电系统作为数据中心的动力心脏,如何实现供配电系统稳定、可靠、安全、经济、节能、低碳成为数据中心领域关注点。

据调研,数据中心供配电系统能耗仅次于IT系统与制冷系统,主要来自于变压器、UPS等供配电系统的转换,其次是照明。提高动力系统能效,是数据中心实现绿色节能的重要一环。数据中心供配电系统节能减排方法百花齐放,其中,可再生能源的利用、供配电系统模块化、高压直流(HVDC)等成为数据中心业内推崇的“利器”。

供配电系统是数据中心的“心脏”

供配电系统是数据中心正常运行的基础,需要把“能量”输送到数据中心的每个角落,包括空调、网络设备、服务器、控制设备、加湿系统、照明等,供配电设备的传输损耗也是能耗中的一部分。我们知道,电费是数据中心运营的主要成本,占到数据中心总运营成本一半以上,因此有效的电力节能是绿色数据中心的关键所在。如何最大限度应用绿色可再生能源是数据中心“减压”的重要方式。

绿色电力助力数据中心节能减排

“双碳”政策以来,各地鼓励引导数据中心应用可再生能源及清洁能源,从供电侧实现绿色低碳,其中“绿电”可以通过自建自用、直采绿电或者购买绿证的方式获得。

2021年9月,我国启动全国绿色电力交易试点,多家数据中心企业,如万国数据、秦淮数据、腾讯,均参与并完成了较大体量的绿电市场交易采购;同时,数据中心企业也可以自投电站,主要分为分布式电站与集中式电站。例如,在数据中心屋顶安装分布式光伏电站,满足机房照明用电等需求,作为峰值电力补充的手段。目前已有企业试行,万国上海三号数据中心设计规划了太阳能墙,腾讯清远清新云计算数据中心在厂房屋顶安装光伏组件。除此之外,未来数据中心企业也可以投资大型风电、集中式光伏项目,把光伏或风电作为主要电力来源,自发自用,余电上网。

图表 1  主要服务商供能案例(部分)

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数据中心作为高耗电行业,不管应用什么电,能耗是不变的,数据中心企业应该在保证数据中心应用清洁能源的同时,考虑多种能源协同组合,提高供能系统的能效是关键。从目前的情况来看,数据中心节能新技术应用层出不穷,供配电系统模块化趋势明显。

模块化供配电系统成为趋势

据数据,供配电系统是占数据中心总能耗约10%,其中UPS供电系统约占总功耗的5%,UPS输入供电系统约占总功耗的1%,UPS供电设备节能首当其冲。

UPS可以分为工频塔式、高频塔式、高频模块化等形式。从技术发展路径来看,高频技术在效率、成本、谐波、占地等各方面均优于工频,高频技术全面取代工频技术成为趋势。

图表 2  主流厂商UPS主要指标分析

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在高频技术之下,模块化和传统塔式两种形式不相上下。模块化UPS在运维、安装维护、后期扩容方面具有优势,被许多数据中心服务商和行业用户广泛应用。业内也有不同的声音,认为多个模块并机存在风险,可靠性值得考虑。从传统塔式与模块化的可靠性对比来看,两者旗鼓相当,模块化甚至更优。从近年新上市的UPS来看,大部分都采用了模块化架构,可见,模块化UPS是交流UPS的发展方向。

图表 3  塔式UPS与模块化UPS的可靠性对比

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除了供电系统节能,配电系统节能也不容易忽视。供电系统模块化趋势需要和配电系统融合,比如:微模块UPS、变压器UPS融合、智能配电母线等等,使供配电系统成为一个整体,实现数据中心配电系统按需运行,智能运维、灵活部署;有利于最大限度降低配电系统电缆传输损耗,降低运维成本,满足不同级别数据中心机房需求。

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模块式UPS图示

过去10年,供配电系统创新的焦点是电源形式,除UPS之外,还出现了供电框架的创新,由于HVDC简化交流UPS变换环节,无需逆变器,串联部件少,理论故障点减少,效率提高。

高压直流(HVDC)被服务商及用户认可

供电系统架构影响数据中心供电系统能效水平,当前大型数据中心供配电架构常见有三种:2N系统、一路市电直供+一路UPS/HVDC和DR(N=3)系统。以上三种供配电架构的供电效率分别为93.1%、97%和94.1%。供电框架逐渐由传统的2N系统向能效更高的系统框架转变。2N系统因其运维简单,可靠性高,被行业广泛采用,是数据中心供配电主流解决方案。一路市电直供+一路UPS/HVDC的供配电架构供电能效更高,近年逐渐被市场接受。

按照功能组成,供配电系统主要由10kV配电、柴油发电机组、变压器、低压配电、UPS电源及其配电、电池、列头柜等部分组成,其基本原理如下图所示。

图表 4  数据中心供配电系统原理示意图

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世界范围内,美国、日本、欧洲、中国对HVDC研究均有长时间的研究。目前,美国、日本、欧洲仅限于局部实验,未能扩大到主流数据中心领域。在中国,市电+HVDC在系统供电效率、建设成本、占地面积、易维护性等方面较传统2N交流UPS系统都有一定的优势,且随着市电质量的不断提升,中国三大电信运营商在数据中心机房领域大力推广,国内互联网大厂,如腾讯、阿里云、百度、京东等也纷纷规模化应用。

图表 5  HVDC相对于UPS 的优缺点

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高压直流会取代传统UPS供电吗?

上面我们讲了HVDC在数据中心应用优势明显,那它能取代UPS吗?答案是“不能”。

首先,从供电结构上来看,直流传输的损耗较大,因此传输范围有限,在远距离的供电环境,直流不可能取代交流。其次,一路HVDC+一路市电直供不属于容错架构,在HVDC检修时候,市电直供侧没有电池备电,市电闪断导致服务宕机事件已经多次发生,所以一部分用户已经放弃一路HVDC+一路市电的架构,重新回到2N的容错系统。随着主流UPS厂商在研发的不断投入,UPS的效率在不断提升,价格不断下降, HVDC在效率、成本方面优势在减弱,此外有些服务器并不兼容HVDC电源制式,也影响了HVDC的应用扩展。

UPS、HVDC等电源的创新只是部件层面的,对供电链路影响有限,未来一定是供电链路端到端的创新,随着第三代半导体技术的成熟,碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用,10kV级的电力电子电源成为可能,铜质变压器被电力电子变压器取代,供电链路更节能。

图表 6  下一代供配电系统原理示意图

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供配电系统作为数据中心正常运行的电力保障,任何细微的故障都会影响数据中心的稳定运营。随着技术的发展,数据中心供配电系统节能方式层出不穷,哪些节能方式将成为主流呢?需要时间检验。

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