数据中心供配电系统节能措施综述

　　【摘 要】数据中心的额外能耗主要由UPS设备本身的损耗以及其冗余结构所带来，在现有规范GB-50174-2017《数据中心设计规范》对相应安全等级的冗余结构前提下，对供电设备、供电方式进行合理选择，并对不同设备、方式的节能效果进行分析比较，为今后数据中心电气专业在节能方面的设计提供参考。
　　【关键词】数据中心；UPS；节能
　　一、引言
　　随着大数据以及云计算技术的迅速发展，社会各界对数据业务的需要与日俱增，数据中心的规模也随之迅速扩大，单体数据中心的装机容量达到MW级别甚至更高。数据中心的能耗问题也逐渐被社会所关注，在日益严峻的能源问题面前，数据中心能否更高效率的运行成为行业内重点关注和研究的对象。
　　二、当前数据中心能耗概况
　　根据中国电子技术标准化研究院发布的《中国数据中心能效研究报告（2015年）》显示，我国2009年数据中心总耗电量约为364亿kWh，占全社会用电量的1.2%，2011年全国数据中心总耗电量700亿kWh，占全社会用电量的1.5%。根据国内外相关文献[1][2]的研究，数据中心供配电系统占数据中心总能耗的11%左右，照明系统占4%左右，IT设备占45%左右而空调制冷系统占40%左右。供配电系统的能耗绝大多数为系统的损耗，降低供配电系统的能耗将极大的提高数据中心能源利用效率，达到节能减排的目的。
　　多数安全等级较高的数据中心里，UPS设备长期工作在低负荷状态，其效率一般在90%左右，可以看出供配电系统总损耗中UPS占了绝大部分。为了提高数据中心供配电系统的能效，应优先从UPS系统入手。
　　三、供配电系统的节能措施
　　（一）飞轮UPS
　　不配置蓄电池组是飞轮UPS与传统UPS系统的最大差异[3]，飞轮储能技术储能密度大、储能效率高、对环境无危害[4]，比传统的使用铅酸蓄电池的UPS在节能环保上有很大优势。UPS设备的能耗主要来自电源转换过程，从图1可以看到，飞轮UPS在正常工作时，流过整流逆变环节的电流很低，只需维持飞轮转速即可。而从图2可知，传统UPS正常工作时，流过整理逆变环节的是额定电流。在满载状态下，传统UPS效率一般在94%左右，而飞轮UPS的效率在97%左右[5][6]。另外，飞轮UPS在容量相当的情况下，比传统UPS节约一半的占地面积，并对建筑物的承重要求从传统UPS的16KN/m2降低至2KN/m2 [3]。从建造数据中心的成本方面也带来了极大的经济效益。
　　但是，飞轮UPS的电源后备持续时间只有15s到60s，这给柴油发电机组快速启动提出了很高的要求，国家标准《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008规定，柴油发电机应在30s内启动并供电。可见国标对发电机的启动要求并没有在15s的＂绝对安全时间＂以内，这也是目前众多数据中心没有使用飞轮UPS的原因之一。另外，飞轮UPS的价格也是其应用不够广泛的重要原因，与传统铅酸蓄电池储能UPS相比，飞轮UPS的价格高出近2倍。现有国内外数据中心案例中，有些选择了双路冗余供电结构的其中一路应用飞轮UPS，而另一路使用传统UPS，以兼顾电源后备时间、投资成本与节能之间的平衡。
　　（二）高压直流供电
　　所谓高压直流供电，是与通信行业48V直流系统相比而言的。与传统UPS相比，高压直流供电减少了一个逆变环节，对交流市電进行整流后直接给服务器设备供电，图3是其原理图。由于整个系统的元件减少，能耗随之降低，高压直流供电设备的效率在96%左右[7]，同时系统的精简也带来可靠性的提高，设备体积、质量也随之降低，价格也比传统UPS降低50%左右。高压直流供电设备多为模块化设计，在建设初期可分批配置，运行中也可根据负载情况使部分模块处于休眠状态，达到提高整机效率的目的。
　　高压直流供电也有其缺点，从图3中可见，电池直接接在输出主回路上，当电池进行充电时，主回路上的电压最高为282v，需要在建设初期充分考虑此时末端负载能否正常工作，也就是说高压直流供电对末端负载的兼容性要求较高。另外，虽然理论上开关电源可以正常接收240V直流电源的供电，但是否会对设备的稳定性和使用寿命造成影响仍需一定时间的检验，也是大多数业主对高压直流供电系统的担忧。
　　（三）市电直接供电
　　由市电直接代替UPS供电供电是最直接有效的办法，没有了能量的两次转换也就没有了能量的浪费。对于大多数数据中心来说，为了保证其可用性的高要求，一般会采用双路供电结构，其中一路使用UPS供电时，另外一路就可以用市电直接供电。这种供电方式除了传统UPS外，还可以和飞轮UPS、240V高压直流等供电方式灵活组合，可进一步提高数据中心电源利用效率。
　　市电直供在电源效率上优势明显，但其缺点也是显而易见的。服务器的开关电源模块在整流过程中产生大量谐波，采用市电直供将会对电网造成严重的谐波污染，需要安装滤波器设备进行治理[8]。另外市电直供与UPS供电相结合的方式，其系统整体可用性是否能够达到国际标准仍需进一步验证，目前IDC数据中心的租用者对此种供电方式的接受程度仍有待提高。
　　（四）太阳能光伏供电
　　传统的太阳能光伏发电并网系统结构由光伏阵列、逆变器、滤波升压电路组成[9]，通过对逆变器的控制达到并入电网的要求，如图4所示。
　　根据240V高压直流供电在数据中心的应用经验，可以将太阳能光伏直接引入数据中心的供电体系中使用。基于服务器可以直接接受直流供电，太阳能光伏发电系统也就无需使用逆变环节，又因为数据中心已经是末端用户，也就不存在并网的因素，省去了逆变器和滤波升压电路，仅需保持光伏阵列的输出电压稳定即可，成本和控制难度大大降低。因此数据中心在使用太阳能光伏发电系统时具有天然的优势。
　　由于太阳能光伏发电受环境因素影响较大[10]，其电能输出往往难以满足数据中心对供电稳定性的要求，如果使用在双路供电结构中的其中一路上，当另外一路电源失效时，光伏发电无法承受整个数据中心的供电负荷，因此需要与240V直流供电系统结合使用。其供电结构如图5所示。
　　从图5中可知，光伏发电系统与240V直流供电系统并联使用，光伏阵列的输出电压应设置为240V，与高压直流设备同时为末端负载供电，可以降低数据中心电能费用。
　　此系统需要注意的两点是：第一，240V直流供电设备总容量需要满足全部负载的用电需求，在电源2失效时使用；第二，在电池充电过程中，输出主回路上的电压为282V，需要在光伏阵列一侧设置保护回路，防止电流逆流。
　　四、结语与展望
　　面临日益严峻的能源危机，数据中心的能耗不断被社会所关注。2016年国家正式发布了《数据中心资源利用第3部分：电能能效要求和测量方法》，说明国家高度重视数据中心的能耗问题。国外很多IT行业的大型企业如Google、Facebook等，已经成功建造出PUE（Power Usage Effectiveness）小于1.1的数据中心，国内目前仍在向PUE小于1.5而努力。我国应该积极探索数据中心节能减排的方法，随着各种供电技术的不断成熟和业内工程师对供电结构的不断优化，相信未来几年中国的数据中心将从能效、可靠性和低建设成本等方面有长足的发展。
　　【参考文献】
　　[1]佚名. 数据中心能耗及其指标[J]. 中国教育网络， 2014（7）：24-24.
　　[2] Dayarathna M， Wen Y， Fan R. Data Center Energy Consumption Modeling： A Survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2017， 18（1）：732-794.
　　[3] 鄒节凯， 邢锋. 磁悬浮飞轮UPS的应用分析及发展研究[J]. 电信快报， 2014（9）：32-34.
　　[4] 陈亚爱， 甘时霖， 周京华，等. 飞轮储能技术[J]. 电源技术， 2016， 40（8）：1718-1721.
　　[5] 李志强. 飞轮UPS的技术原理及应用[J]. Ups应用， 2011（2）：37-40.
　　[6] 李成章. 高效节能的飞轮UPS[J]. 电气应用， 2011（11）：30-36.
　　[7] 朱莉， 李新华， 刘郑海，等. 数据中心交直流混合供电系统效率浅析[J]. 邮电设计技术， 2015（7）：87-92.
　　[8] 黄威. 大型数据中心谐波治理方案的研究[D]. 上海交通大学， 2011.
　　[9] 刘东冉， 陈树勇， 马敏，等. 光伏发电系统模型综述[J]. 电网技术， 2011， 35（8）：47-52.
　　[10]吴小进， 魏学业， 于蓉蓉，等. 复杂光照环境下光伏阵列输出特性研究[J]. 中国电机工程学报， 2011， 31（s1）：162-167.