國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級》已經(jīng)在全國范圍內(nèi)強制實施，對數(shù)據(jù)中心能耗總量和能耗強度考核指標(biāo)越來越嚴(yán)格，新建數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)要求提升至1.3以內(nèi)。數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗壓力迫在眉睫，供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的動力心臟，如何實現(xiàn)供配電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全、經(jīng)濟、節(jié)能、低碳，成為數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域關(guān)注點。

據(jù)調(diào)研，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)能耗僅次于IT系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)，主要來自于變壓器、UPS等供配電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，其次是照明。提高動力系統(tǒng)能效，是數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)綠色節(jié)能的重要一環(huán)。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能減排方法百花齊放，其中，可再生能源的利用、供配電系統(tǒng)模塊化、高壓直流（HVDC）等成為數(shù)據(jù)中心業(yè)內(nèi)推崇的“利器”。

供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心正常運行的基礎(chǔ)，需要把“能量”輸送到數(shù)據(jù)中心的每個角落，包括空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、控制設(shè)備、加濕系統(tǒng)、照明等，供配電設(shè)備的傳輸損耗也是能耗中的一部分。我們知道，電費是數(shù)據(jù)中心運營的主要成本，占到數(shù)據(jù)中心總運營成本一半以上，因此有效的電力節(jié)能是綠色數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵所在。如何最大限度應(yīng)用綠色可再生能源是數(shù)據(jù)中心“減壓”的重要方式。

“雙碳”政策以來，各地鼓勵引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用可再生能源及清潔能源，從供電側(cè)實現(xiàn)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(shù)據(jù)中心企業(yè)，如萬國數(shù)據(jù)、秦淮數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)中心企業(yè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心企業(yè)也可以投資大型風(fēng)電、集中式光伏項目，把光伏或風(fēng)電作為主要電力來源，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。

數(shù)據(jù)中心作為高耗電行業(yè)，不管應(yīng)用什么電，能耗是不變的，數(shù)據(jù)中心企業(yè)應(yīng)該在保證數(shù)據(jù)中心應(yīng)用清潔能源的同時，考慮多種能源協(xié)同組合，提高供能系統(tǒng)的能效是關(guān)鍵。從目前的情況來看，數(shù)據(jù)中心節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用層出不窮，供配電系統(tǒng)模塊化趨勢明顯。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)來看，供配電系統(tǒng)是占數(shù)據(jù)中心總能耗約10%，其中UPS供電系統(tǒng)約占總功耗的5%，UPS輸入供電系統(tǒng)約占總功耗的1%，UPS供電設(shè)備節(jié)能首當(dāng)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(shù)發(fā)展路徑來看，高頻技術(shù)在效率、成本、諧波、占地等各方面均優(yōu)于工頻，高頻技術(shù)全面取代工頻技術(shù)成為趨勢。

主流廠商UPS主要指標(biāo)分析

在高頻技術(shù)之下，模塊化和傳統(tǒng)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(yōu)勢，被許多數(shù)據(jù)中心服務(wù)商和行業(yè)用戶廣泛應(yīng)用。業(yè)內(nèi)也有不同的聲音，認(rèn)為多個模塊并機存在風(fēng)險，可靠性值得考慮。從傳統(tǒng)塔式與模塊化的可靠性對比來看，兩者旗鼓相當(dāng),模塊化甚至更優(yōu)。從近年新上市的UPS來看，大部分都采用了模塊化架構(gòu)，可見，模塊化UPS是交流UPS的發(fā)展方向。

塔式UPS與模塊化UPS的可靠性對比

除了供電系統(tǒng)節(jié)能，配電系統(tǒng)節(jié)能也不容易忽視。供電系統(tǒng)模塊化趨勢需要和配電系統(tǒng)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(tǒng)成為一個整體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)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(tǒng)電纜傳輸損耗，降低運維成本，滿足不同級別數(shù)據(jù)中心機房需求。

模塊式UPS圖示

過去10年，供配電系統(tǒng)創(chuàng)新的焦點是電源形式，除UPS之外，還出現(xiàn)了供電框架的創(chuàng)新，由于HVDC簡化交流UPS變換環(huán)節(jié)，無需逆變器，串聯(lián)部件少，理論故障點減少，效率提高。

供電系統(tǒng)架構(gòu)影響數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)能效水平，當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心供配電架構(gòu)常見有三種：2N系統(tǒng)、一路市電直供+一路UPS/HVDC和DR(N=3)系統(tǒng)。以上三種供配電架構(gòu)的供電效率分別為93.1%、97%和94.1%。供電框架逐漸由傳統(tǒng)的2N系統(tǒng)向能效更高的系統(tǒng)框架轉(zhuǎn)變。2N系統(tǒng)因其運維簡單，可靠性高，被行業(yè)廣泛采用，是數(shù)據(jù)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(gòu)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(tǒng)主要由10kV配電、柴油發(fā)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(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)原理示意圖

世界范圍內(nèi)，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(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。在中國，市電+HVDC在系統(tǒng)供電效率、建設(shè)成本、占地面積、易維護性等方面較傳統(tǒng)2N交流UPS系統(tǒng)都有一定的優(yōu)勢，且隨著市電質(zhì)量的不斷提升，中國三大電信運營商在數(shù)據(jù)中心機房領(lǐng)域大力推廣，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)大廠，如騰訊、阿里云、百度、京東等也紛紛規(guī)模化應(yīng)用。

HVDC相對于UPS 的優(yōu)缺點

上面我們講了HVDC在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用優(yōu)勢明顯，那它能取代UPS嗎？答案是“不能”。

首先，從供電結(jié)構(gòu)上來看，直流傳輸?shù)膿p耗較大，因此傳輸范圍有限，在遠(yuǎn)距離的供電環(huán)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(gòu)，在HVDC檢修時候，市電直供側(cè)沒有電池備電，市電閃斷導(dǎo)致服務(wù)宕機事件已經(jīng)多次發(fā)生，所以一部分用戶已經(jīng)放棄一路HVDC+一路市電的架構(gòu)，重新回到2N的容錯系統(tǒng)。隨著主流UPS廠商在研發(fā)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(yōu)勢在減弱，此外有些服務(wù)器并不兼容HVDC電源制式，也影響了HVDC的應(yīng)用擴展。

UPS、HVDC等電源的創(chuàng)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(chuàng)新，隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，碳化硅器件已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)開始了應(yīng)用，10kV級的電力電子電源成為可能，銅質(zhì)變壓器被電力電子變壓器取代，供電鏈路更節(jié)能。

下一代供配電系統(tǒng)原理示意圖

供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心正常運行的電力保障，任何細(xì)微的故障都會影響數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運營。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能方式層出不窮，哪些節(jié)能方式將成為主流呢？需要時間檢驗。

來源：中國IDC圈