数据中心供电系统节能减碳途径探讨

    当前国内数据中心能耗已达全国总能耗的2%左右，随着数据中心数量的飞速增长和功率密度的快速提高，其能耗还将持续增长。数据中心能耗已经引起社会各界的广泛关注，工信部等部委已出台多个文件引导数据中心向绿色低碳发展。《数据中心能效限定值及能效等级》等一系列标准陆续发布，数据中心高效低碳运行已势在必行。作为数据中心能耗的重要组成部分，电源系统节能减碳是一个必须高度重视的环节。

    对数据中心来说，减少碳排放的主要抓手是减少化石能源的使用。同时，减少设备、器材的使用量，减少废旧物质的产生，从而降低物质生产或处置环节的资源使用量，减少碳排放。

    数据中心电源系统中设备种类繁多，但从电路理论看，主要是电源、中间部件和数据中心负载。电源为电路提供工作能源。中间部件实现电能输送、变换和控制功能，其中输送部件包括母线和电缆等导线，变换部件包括变压器、UPS、整流器和变换器等变压变流变频设备，控制部件主要是开关和熔断器。数据中心负载主要是电子信息设备、空调设备和建筑电气设备。作为负载的电子信息设备、空调、建筑电气设备能耗不在本文论证范围，控制部件损耗通常较小，电源、变换损耗、输送损耗、环境控温能耗是电源系统节能减碳应重点关注的4个方面。

    电能是二次能源，是由水、风、光等自然能源和煤、天然气、核等化石能源转换而来。全生命周期来看，自然能源产生的碳排强度远远小于化石能源。数据中心可通过自建或外购自然能源，减少碳排放。

    储能方式主要有物理和化学两种方式。物理储能包括抽水蓄能和压缩空气储能等。抽水蓄能技术非常成熟，单位造价也较低，但需建设上下两级水库，对场地和运营经验要求很高，通常只能由专业电力公司运营；压缩空气储能尚处于试验阶段，未大规模商用。化学储能采用铅酸电池或锂电池作为储能设备，技术较成熟，单位造价持续快速降低，已具备大规模商用条件，在部分数据中心已有应用。数据中心大规模储能的作用主要有以下几个方面。

（1）利用峰谷价差降低用电成本。2021年电价改革后，很多地区在峰、平、谷电价之外增加了尖峰电价，峰谷价差进一步拉大。储能电池在低谷时段充电，在尖峰时段放电。从运营商角度，可有效降低用电成本；从社会角度，可平滑电网负荷、有效利用发电（尤其新能源发电）和电网资源、降低碳排放。

（2）保障风光电源接入。风光电源波动性较大，必须要配置容量10% 以上的储能设备才能保障正常运行。

    大规模储能应高度关注的是电池的安全性，尤其是锂离子电池系统，应采取有效措施防止其发生燃烧和爆炸，重点防止热失控和事故蔓延。

    氢能是近年的热点话题。使用风光电站富余电能制取氢气，氢气通过氢燃料电池产生电能，排放物是水，可大大减少碳排放。氢能发电目前尚处于研究试验阶段，主要的瓶颈如下。

（1）制取成本高，尚无高效制氢技术进入商用。

（2）储运困难、成本高、能耗大。

    氢能目前尚不具备规模化进入数据中心商用的条件，可保持关注，预留实施条件，具备条件时导入商用。

（图片AI生成）

  3.1 降低UPS损耗

    目前数据中心电子信息设备主要采用交流电源，UPS是数据中心主要的变换设备，UPS的变换损耗往往是电源系统的主要能耗。降低UPS变换主要从两个方面入手。

(1) 把好设备选型关，优选高频机。UPS主机根据整流器工作频率分为工频机和高频机，工频机可靠性和过载能力高于高频机，但变换损耗高于高频机，以国内某主流供应商主流机型为例，40%负载率时，工频机变换效率为92.4%，高频机为96%，采用高频机可提高变换效率3.6%，降低PUE 0.04。如无特殊需要，应选择高频机。

(2) 控制好负载率。运营阶段，对UPS主机转换效率影响最大的是负载率。国内某供应商主流高频机机型效率-负载率曲线如图1所示，负载率低于40%时，效率明显下降。数据中心UPS主机绝大多数采用冗余并机结构，通常为1+1或N+1，并且最大负载率通常不超过80%，单机长期负载率一般不会超过40%（1+1系统）或53%（2+1系统），长期最大负载率仅触及效率最高区间下限，实际运行负载率多低于此值。因此，在负荷变化较大或较长时间难以达到设计负载率时，应采用模块化UPS，这也是工信部多次推荐的节能技术。

图1 某供应商高频机机型效率-负载率曲线图

   高压直流技术已引入多年，电源侧标准和产品已非常成熟。高压直流供电主要优点如下。

（1）转换效率高。目前主流高压直流开关电源理论转换效率和高频UPS主机基本相当，但高压直流开关电源为模块化结构，且单模块功率较小，易通过控制开机模块数量，从而将转换效率控制在较高的区间。UPS主机实现此功能则比较困难（模块机），甚至不能实现（塔式机）。

    在设备选型时应选择高效变压器。随着新版国标《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052-2020）标准的实施，各能效等级变压器的损耗限值大幅降低，非晶合金变压器负载损耗值也降到了和钢带变压器相当的数值，整体能效水平全面达到甚至超过欧盟标准。近年来，立体卷铁芯变压器正在逐步进入商用，其空载损耗较传统叠铁芯变压器低10%～20%，质量更轻、抗短路能力和过载能力更强，可积极关注此类变压器。

    保持经济负载率也很重要。变压器经济负载率公式如下。

    其中，βjp为有功经济负荷系数；Po为变压器的空载损耗；Pk为变压器的负载损耗。

    以2500kVA 1级能效、F级绝缘干式变压器为例，钢带变压器经济负载率为37%，非晶合金变压器经济负载率为23%。

    随着数据中心功率密度的飞速增长，空调中断的风险不亚于电源中断的风险，在高密度机房，空调中断后仅需几分钟，机房温度就会越过上限。目前中高端数据中心均配有蓄冷装置，蓄冷时间一般在15min左右，冷冻泵和末端均有UPS电源保障。在很多数据中心，尤其是通信运营商数据中心，关注的重点是供电不中断，导致UPS电池后备时间要远远大于蓄冷时间，出现了严重的不一致。

    从能量输送方面看，电池在交流电源正常时充电,交流电源中断时放电，能量转换存在转换损耗，本质上电池是耗能器件。从资源利用来看，电池使用寿命从5～8年不等，实际容量低于标称容量80%就应更换，电池的制造和废旧电池处置均需消耗社会资源，产生碳排放。因此，电池容量应尽量降低，并与空调蓄冷时间一致。

    每一次变换均会产生变换损耗，减少不必要的变换就可减少这部分损耗，目前减少变换的主要技术如下。

（1）信息设备市电直供。信息设备绝大多数是两路电源输入，其中一路接保障电源（UPS/高压直流），另一路接市电。运行模式分为两种。一种是均分负荷，供电效率是变换效率和直供效率（100%）的平均值。从图1可见，UPS负载率下降50%，效率也将明显下降，此模式下减少的损耗不一定是50%。另一种模式是平时市电承担100%负荷，保障电源备用，可减少接近100%变换损耗，信息设备电源需有专门设计。应注意的是，无论工作在哪种模式，信息设备与市电直接连通，信息设备的谐波和功率因数将直接对前端市电、发电机电源造成直接影响，必要时应增加有源谐波滤波器和SVG补偿。

（2）UPS主机经济运行。此模式下市电经UPS主机静态开关直接对设备供电，效果类似于市电直供，但不需对供电回路进行改造，UPS主机工作在受控状态，随时可转换为变换模式。目前还有越来越多的厂家推出了超级经济运行模式，利用逆变器作为有源滤波器，可防止谐波流向前端设备。

    输送损耗与长度成正比，降低导线长度就可降低输送损耗。降低导线长度的有效方式是合理布局机房和走线通道，采用分层模块化供电，将电源设备布置在负荷中心，以最短长度安排走线通道。近年来新建的数据中心布局基本是合理的，但现有存量数据中心，特别是建设在通信枢纽楼的数据中心有相当数量采用电源集中布局方式。早期的变配电设备集中在楼外单设动力中心，稍后的采用高中低区相对集中设置，走线电井集中在机楼两端，导致导线长度大幅上升，邻层供电导线长度即达近百米，楼外动力中心上楼导线长度更是超过200m，输送导线上产生的线损达2%～5%。在机房承重和搬运通道等条件具备时，应调整机房用途，将电源设备布置到负荷中心临近位置。同时，应积极考虑在每层机房中间开设一定数量走线孔洞，减少导线长度。

    输送损耗与电流平方成正比，降低导线长度就可指数级降低输送损耗，主要途径如下。

（1) 提高工作电压。如采用高压柴油发电机、10kV冷机、660V水泵，使用高压直流替代传统48V直流，条件许可时采用336V高压直流供电。

    交流系统中存在的无功电流和谐波电流两类无用电流，将推升电路总电流，导致输送损耗增加。谐波电流的集肤效应还会降低导线的载流能力和使用寿命，增加输送损耗。相关的补偿和滤波技术已非常成熟，本文不再赘述。

    数据中心供电系统大量采用双回路供电，但很多系统采用冷备用运行模式，一路承担全部负荷，另一路空载。如改为均分负荷的热备用，单路电流将下降50%，总输送损耗将下降50%。同时导体的温度也将下降，考虑到导体电阻的正温度系数特性，输送损耗还将下降，整体下降幅度将超过50%。

5 降低电源机房控温耗能

    数据中心电源中变压器、UPS和开关电源等变换设备会产生大量的热量，周围环境也会向电源机房传入热量，转移这些热量需要使用空调耗能制冷。对于变换和配电设备而言，可在设备允许的范围，适当调整机房温度。对于电池而言，目前数据中心基本采用铅酸电池，适宜工作温度是25℃，且寿命对温度非常敏感，具备条件时，可选择磷酸铁锂电池和高温铅酸电池等耐高温的电池，同时机房维护结构应做好保温措施，减少空调耗能。

    数据中心电源系统中，冬季柴油发电机需要使用水套加热器升温，单台大型柴油发电机水套加热器功率在10kW左右；电池室使用空调或暖气保持室内工作温度。这些措施均需耗能，但长期未引起关注，除了使用高效升温设备外，引入主机房空调室外机热风升温是一个值得认真研究的课题。

6 结束语

[1]杜毅威.新能耗标准下变压器的选择[J].建筑电气，2021(6).