如何给数据中心“心脏”减压？
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。
“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）
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。
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
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
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。
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。
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
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
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
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。
| 文章来源：中国IDC圈
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