数据中心产业经历了数十年的成长,已成为数字经济建设的“数字底座”。尤其近年来,从新基建到“东数西算”战略的启动,带动了新一轮数据中心的发展浪潮。

同时,在国家“双碳”战略的大背景下,数据中心需要以节能降碳为目标,加速向新型绿色数据中心转型。

当新趋势与新需求相互叠加,倒逼数据中心产业告别粗放式的增长,迈向精细化的创新发展模式,每一处细节的精细把控,都有可能为数据中心创造更高的效率和更低的能耗。

2021年7月,工信部印发的《新型数据中心发展三年行动计划(2021—2023年)》中,明确提出到新建大型及以上数据中心PUE要降低到1.3以下,而由于PUE受限于数据中心全生命周期的多项指标,每降低0.01都是巨大的挑战。

一项UPS智能在线技术横空出世,不仅可以降低数据中心PUE 0.03-0.04,还可以做到在任何电网环境下运行,并适用于任何数据中心主流架构。这项技术如果拓展到全国的数据中心,势必将会掀起一轮节电革命。

鱼与熊掌能否兼得的难题

每个数据中心,都会设计最大用电负荷,不同的数据中心规模也会匹配相应的最大电负荷数值。

数据中心规模划分

近日,刚刚发布《UPS智能在线技术白皮书》显示:一座10MVA的数据中心,UPS负载率为40%时,每提升1%效率,可降低PUE约0.01,年省电可达50万度。采用“UPS智能在线模式”,数据中心即可提升3-4%系统效率,可降低PUE 0.03-0.04,这等于年节电可高达150-200万度。而这仅仅是一个处于规模下限的大型数据中心,可以想象如果全国中型及以上规模的数据中心,都能够采用这项技术,会为整个社会节省亿万度的电量。

智能在线模式到底从何而来,又是在何种背景下诞生的呢?

首先,从产业宏观需求来看,数据中心产业健康可持续发展,绿色化是必由之路。通过融合高密、高效节能的供电系统重构是大势所趋,而智能在线模式恰是一个典型的为供电系统提效的核心技术。

其次,从数据中心自身的绿色化设计来看,传统供电系统能耗占数据中心总能耗近10%,围绕UPS的效率提升做技术升级也是迫在眉睫。

传统UPS的工作模式,主要是在线双变换模式,即通过对市电的整流、逆变两次变换,为负载供应高质量的市电,这种模式的优势在于可靠性较大,但缺点则是效率较低,相应的就会带来较高的耗电量。

为了创造更高的效率,衍生出了ECO模式,通过UPS静态旁路为负载供电,相当于市电直供,以此来获得更高的效率。但ECO模式也有一个缺点就是会存在切换间断和谐波补偿的问题,会降低系统的稳定性。

鱼与熊掌,似乎不能兼得。

智能在线模式的四项价值和三点意义

如何融合两者的优势,也就是说在ECO模式的高效基础上,解决切换间断和谐波补偿,同时获得高效和稳定?

智能在线模式,逐渐浮出了水面。

智能在线模式的定义:是基于智能在线技术的UPS新型工作模式,通过硬件架构和控制逻辑的优化,解决在线双变换模式的系统效率低,ECO模式输出有间断、谐波大、输入浪涌电压干扰的问题。

智能在线模式示意

从定义上可以看出这项技术的几个关键价值。

第一,解决切换间断问题。智能在线模式可以做到全模式0ms切换。UPS自动检测旁路输入电网质量,当旁路输入正常时,优先由旁路直供,当旁路电网异常时,0ms切换至逆变器供电,满足IEC62040-3定义的CLASS1动态响应等级,当旁路恢复后可自动返回旁路供电。

第二,解决在线模式效率低的问题。智能在线模式可以做到全负载范围高效。旁路直接供电时,UPS损耗极低,系统最高效率>99.1%,20%以上负载率效率>98.5%。

第三,解决谐波大的问题。智能在线模式可以实现高压浪涌抑制。旁路直接供电时,旁路输入的浪涌电压很容易传到负载端口,针对浪涌高压,智能在线模式通过高低压箝位技术,电压降低时补偿,电压升高时吸收,经过验证输出电压可满足IEC61000-4-5对浪涌电压的要求。

第四,解决输入浪涌电压干扰的问题。智能在线模式可做到主动谐波补偿。IT设备内部电源带有功率因数矫正(PFC),对外呈现的功率因数较好(>0.9),可直接由旁路供电,但部分动力和工艺设备并没有功率因数矫正功能,如空调、风机、水泵等设备,传统ECO的旁路直供工作时会产生无功能量和高次谐波流入电网中,引起线路损耗增大、绝缘老化加速、设备寿命减少等问题。

从这四项价值,很容易读出智能在线模式的意义。

一是,充分体现了“智能”的内涵,无论是0ms切换还是主动谐波补偿,背后都是智能的判断和调度。

二是,可以作为电网质量的有力补充。数据中心如采用市电直供,则无法屏蔽电网质量的问题,即便有短暂的间断也会造成不可估量的损失。而可按照电网质量选择在线模式或是智能在线模式,可以满足任何电网质量环境下运行。

三是,技术本身具备普惠性,智能在线模式同在线模式相同,可适合于多种供电架构,无论在双路智能在线模式,还是单路智能在线模式,均能保障供电系统的高效。

一场数据中心的节电革命

我们说,优秀的技术一定要在场景中验证,要在实际的落地中体现价值。

目前,华为UPS5000-H旗舰机型搭载了智能在线模式并进行了全方位验证,该机型覆盖容量400k-1600kVA,适用于中大容量数据中心和行业关键供电。

UPS5000-H-1200 kVA

TÜV南德和泰尔实验室对智能在线模式进行严格测试,所有参数均达到期望值。测试结果显示:UPS5000-H可实现20%-100%负载效率>98.5%,最高效率达99.1%,而业界数据中心常见负载率为20%-80%,远远落后于UPS5000-H带来的效率。同时,当旁路输入异常时转至在线双变换运行,效率依然可以达到97%,由此可见,UPS5000-H是一款极致节能的UPS产品,解决了传统ECO的切换间断和谐波污染问题以及电网侧的电压跌落和浪涌电压问题。

从落地实践方面,智能在线技术已在华为云乌兰察布数据中心和Colo企业得到商业应用。在保障可靠性的前提下,采用智能在线模式可提升3-4%系统效率,对比业界常见95%-96%的UPS效率,可降低PUE 0.03-0.04,为设计高可靠性和高效率双优的数据中心或行业关键供电方案提供创新技术和实践方案。

华为云乌兰察布数据中心

最后,从实际的经济效率来看,智能在线模式相比于在线双变换模式,半载效率提高了2%,满载效率提高了3%,以半载为例,按照0.8元/kW*h电费进行 计算,对于10MVA的数据中心,10年节省电费可到778.4万元。

可以想象,如果全国的数据中心都替换为搭载智能在线技术的UPS产品,每年节省的电费,会是何等天文数字。我们之所以将绿色化作为可持续发展的重要标志,就是因为绿色化带来的节省与节能,能够对社会经济有促进的作用。

从这些角度,智能在线模式所代表的就是一场数据中心的节电革命。

下载《UPS智能在线技术白皮书》,请访问https://digitalpower.huawei.com/attachments/index/a8586a206a30486993040e08a7be98d9.pdf

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