数据中心供电系统节能技术与途径

杨晓平

（计算机用户协会数据中心分会专家技术委员会，北京 100162）

1 数据中心供配电系统架构

数据中心的供配电系统由外部的市电、后备电源、中压配电、变压器、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）以及低压配电组成。对于一个高等级的数据中心，供电系统标准的设计采用2N容错架构，具有两路市电+自备发电机、两路独立的中低压配电、两路独立的UPS。在两路独立的配电系统中，还增加了中压和低压的母联装置，提高了配电系统的可靠性和容错能力，在电力中断、配电故障或检修时仍然能够保障IT设备的正常运行。典型的数据中心配电系统架构如图1所示。

图1 数据中心的供配电架构

根据图1，供配电系统主要的损耗来自变压器、UPS以及各链路上开关和线路，这些也成为数据中心供配电节能的关注点。

2 三相UPS节能技术

UPS是数据中心供配电系统的核心设备之一，在实际的使用中，用户对UPS供配电系统在高可用性、高效率、全生命周期总体拥有成本（Total Cost of Ownership，TCO）、安装场地的适应性、维护过程中的便捷性以及扩容的灵活性等方面提出了更高的要求。基于用户这几个方面的要求，三相UPS主要进行了3个方面的节能技术创新。

2.1 新一代旁路优先运行模式

三相UPS主流的在线双变换运行模式是采用整流器和逆变器2次100%变换，功率器件承受了所有的负荷，元器件易疲劳老化，同时早期的工频和两电平高频的UPS效率为90%～95%。

从20世纪90年代开始，UPS制造商在小容量UPS的基础上推出了第一代旁路优先运行模式，即经济运行（Economic，ECO）模式。在ECO模式下，旁路平时由市电供电、逆变器后备待机，市电故障和异常时才由逆变器供电，效率提高到了98%。由于市电电网故障千变万化，ECO模式采用的逆变器离线热备运行方式不能可靠保证每次及时从旁路模式切换到逆变器模式。当切换时间超过IT设备能够承受的范围时，就有可能会造成IT设备宕机或重启，降低UPS可用性。此外，对市电没有过滤功能，供电质量会随电网的质量而波动。为了解决此类问题，UPS厂商在2010年研究开发了新一代的旁路优先运行模式，按推出时间依次为交流直供模式、E变换模式、超级旁路模式以及智能旁路模式等。尽管各模式的命名不同，但模式的核心技术思想基本相同。

新一代旁路优先运行模式与早期ECO模式的区别是逆变器与旁路市电并联工作，即采用了逆变器在线热备的运行方式。逆变器精确控制实现了由旁路的市电提供有功功率（基波电流）、逆变器提供无功功率（相移电流和谐波电流），两者组成负载所需要的电流[1]。市电的输入功率因数可达到大于0.99，输入的电流谐波可小于3%。当市电出现问题时，会自动关断旁路市电供电，从而达到高可用性要求。新一代旁路优先运行模式的另一优点是逆变器仅进行了部分无功功率的补偿，长期处于微载运行状态，极大地缓解了元器件的疲劳老化，提高了系统可用性，效率高达99%，完全满足高可用性、高效率以及高性能指标的要求。

2.2 多电平整流逆变技术的双变换模式

传统的三相工频UPS采用相控整流器和两电平逆变器技术，而常见的高频UPS采用两电平整流器和两电平逆变器技术。为了表述方便，后续将整流器和逆变器统称为变换器。以典型高频UPS的800 V直流母线电压为例，两电平架构中功率器件绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的开通电压与关断电压都是800 V，就必须挑选耐压值为 1 200 V 或 1 500 V 的 IGBT 功率器件，这样不仅其功率器件的承压高、变换器的开关损耗高，而且UPS的输出电压波形差、效率低下。而三电平变换器的UPS通过功率器件的串联使IGBT的开通与关断电压降为两电平的一半，功率器件的承压也降为原来的一半，变换器的开关损耗大幅降低，同时UPS的输出波形更接近于正弦波。整流、逆变全部采用四电平变换器，使得功率器件的承压降低到直流母线电压的1/3，逆变器的可用性得到进一步提高。

从理论上来讲，相对于两电平变换器，三电平变换器（I型）是通过功率器件的串联方式来分担800 V的直流母线电压，将每一只功率器件的承压降到400 V，这样就可以选择600 V或者800 V耐压的功率器件。而四电平逆变器能够使功率器件的承压进一步降低到直流母线电压的1/3，可以采用500 V或者600 V耐压的功率器件。但实际上，由于元件本身的差异，2个串联开关管承受的的电压不可能完全相同，因此三电平和四电平变换器中选择1 200 V耐压的功率器件数量与两电平相同。

目前，市场上主流的高频UPS分别采用以下3种方案。一是两电平整流器+两电平逆变器，效率约为94%；二是三电平整流器+三电平逆变器，效率约为96%；三是两电平整流器+四电平逆变器，效率约为96.5%。多电平逆变器的缺点在于成倍增加了功率器件的数量，这不仅提高了制造成本，而且控制系统变得复杂，故障率也会相应提高。从目前UPS的最优效率看，通过在整流器、逆变器都采用三电平技术的UPS中使用部分碳化硅型功率器件，已经可以使UPS的整机效率达到97.5%[2]。随着碳化硅器件的进一步发展和成本降低，全三电平UPS将会大力发展，其效率也会有所提升。

2.3 锂电储能运行模式

大部分的数据中心均采用两路市电+柴发供电方式，UPS的蓄电池长期处于冷备状态。根据相关统计，中国10 kV电网的年平均断电次数为1.22次。在配置全自动启动发电机的情况下，从柴发启动到与市电的切换可以在2 min内完成，每年蓄电池的利用率非常低。目前，数据中心主流的蓄电池为铅酸电池，其生命周期在5年左右。对于UPS系统来说，在10～15年的运行周期中需要更换2～3次的蓄电池，蓄电池维护成本超过UPS主机的成本。随着锂电池的出现，为数据中心供电的节能带来新的机遇。

2.3.1 锂电池应用新模式

锂电池在UPS系统中有2种应用模式，分别是后备电池的被动工作模式和储能的主动工作模式。从铅酸电池换成锂电池可以带来电池使用寿命、循环次数的极大提升，同时减少重量和占用场地的面积。利用锂电池5 000～15 000次的循环寿命，主动在电网、UPS、负载之间进行能量的转换，实现扛峰功能和峰谷电价套利功能，使得三相UPS电源进入到一个崭新的分布式储能应用场景。锂电池的主动储能工作模式将使得锂电池的价值得到极大程度的发挥，同时锂电池自带电池管理系统（Battery Management System，BMS），无需日常维护。

2.3.2 锂电池向UPS下游负载供电的峰谷电价套利功能

目前有很多城市推行峰谷电价计费模式，可以根据时段主动控制锂电池工作，即电价便宜时充电、电价峰值时放电，利用电价差进行套利。对于具有10 MW UPS下游负载和2 h锂电储能的数据中心来说，每年可节约数千万元的电费，在较短的年份内快速收回储能电池成本。

2.3.3 锂电池将推动数据中心储能建设

目前，锂电池的优越特性正成为数据中心储能应用的新动向。国内外的超大型互联网数据中心正在积极利用数据中心内配置的大量UPS+储能锂电资源，尝试在数据中心配置中去除柴油发电机，并将数据中心打造成数字能源工厂，不仅节约了大量的资本性支出（Capital Expenditure，CAPEX），还节省了未来油机维护、每年换油等运维成本（Operating Expense，OPEX）。同时通过UPS整流器的反向供电功能，还可以向数据中心内的非UPS负载进行“低充高放”的储能供电。

3 新一代一体化电源系统

近年来，阿里巴巴基础设施研发部门在大量数据机房的供电实践中将传统的中压变压器与高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）电源进行融合创新，和其供应商一起合作开发了新的数据中心一体化电源系统，即巴拿马电源[3]。巴拿马电源将10 kV的交流配电单元、隔离变压器、模块化整流器以及输出配电单元等集成在一起，采用移相变压器取代传统的变压器，并对直流10 kV到240 V的整个供电链路进行了优化组合，提高了效率。蓄电池单独安装，系统扩容可以根据需求进行灵活配置。巴拿马电源和传统供电方案的对比如图2所示。

图2 传统供电方案与巴拿马供电方案的对比

3.1 巴拿马电源原理与架构

巴拿马电源利用多脉冲移相变压器，实现低总谐波电流失真（Total Harmonic Current Distortion，THDi）、高功率因数（Power Factor，PF），去掉了传统 240 V/336 V HVDC 功率模块内部的功率因数校正环节和HVDC电源标准要求的隔离功能。相较于HVDC的三级变换，巴拿马电源模块只需两级变换就可实现，拓扑有所优化，模块效率最大可以达到98.5%。相比于HVDC模块的最大效率96%，其效率优势显著。此外，巴拿马电源中30 kW的功率模块和传统240 V直流系统中15 kW的模块体积一样大。巴拿马电源组成原理如图3所示。

图3 巴拿马电源组成原理

从整体结构看，巴拿马电源由10 kV中压柜、移相变压器柜、整流输出柜、交流分配柜组成。巴拿马电源组成单元如图4所示，巴拿马电源内部结构如图5所示。

图4 巴拿马电源方案组成单元

图5 巴拿马电源内部结构

3.2 巴拿马电源方案的优势

3.2.1 占地面积小

巴拿马电源的架构比传统的供电架构更加简洁，配电或功率变换环节少，中压或低压融为一体，占地面积大大减少，可节省30%的场地。

3.2.2 交付速度快

传统的数据中心的配电包括了中压设备、变压器、功率补偿设备、谐波治理设备、低压配电设备以及UPS等，任何一个设备需求、设计、采购、实施的变化都会导致关联设备系统的变化，从而引起大量电缆（或母线）的链接、技术参数、通信协议的调整等问题。而新型的一体化电源系统集成了从中压输入到直流输出等多个环节，自成一个完整链路，可以预制化、预先测试化、随需扩容，工程现场只需将其进行简单拼装，大幅减少中间配电柜的数量，缩短建设工期，加快交付速度。

3.2.3 提高效率

采用移相变压器，省掉功率因数调节环节，移相变压器的效率为99%，整流调压部分的峰值效率为98%，整体峰值效率可达到97.5%。传统HVDC模块方案与巴拿马电源方案的效率对比如图6所示。在轻载条件下，巴拿马方案的效率优势更明显。

图6 传统HVDC模块方案与巴拿马电源方案的效率对比

3.2.4 降低成本

巴拿马电源去除了部分中间配电环节，设备的使用量变少，结构上更加紧凑，减少了工程施工量，同时有效节省了投资成本。通用HVDC电源与巴拿马电源结构比对如图7所示。

此外，将巴拿马电源系统与目前主流的交流UPS、240 V/336 V HVDC进行对比，结果如表1所示。

表1 巴拿马电源与UPS、HVDC电源的对比

3.3 巴拿马电源需要关注的问题

3.3.1 使用寿命

传统变压器设备、开关、配电线路经过多年的发展，安全性、可靠性非常高，运行维护得当的情况下一般能使用15～20年。整流设备包含大量的电力电子器件，结构相对复杂，其可靠性相对于传统高低配设备低一些，一般使用年限是8～12年。巴拿马电源含有大量的整流设备，结构比较复杂，其可靠性比单独的整流设备低。按照《巴拿马供电技术白皮书》提供的技术指标，巴拿马系统设备寿命为20年，其中整流模块寿命为10年，与目前主流的传统设备差异不大。

3.3.2 变压器的可靠性

传统的10 kV变压器中，原边和副边都仅有3个线圈绕组。而巴拿马电源的10 kV移相变压器原边还是3个绕组，副边却有30个绕组，这对绕组工艺的要求非常高，稍有不慎都可能使绕制的变压器完全报废。此外，变压器高达33个原副边绕组的电磁耦合也使其运行安全风险远高于传统10 kV中压变压器。

3.3.3 变压器的谐波发热问题

巴拿马电源去掉了传统 240 V/336 V HVDC 功率模块内部的功率因数校正环节，代以传统的不可控直接整流，这意味着不可控三相整流器产生的大量谐波将进入变压器的30个副边绕组，并导致副边绕组的发热量大幅提升，增大变压器故障和绝缘加速老化的风险。

3.3.4 对负载平衡的能力

巴拿马电源的高压直流模块无输入功率因数校正（Power Factor Correction，PFC），由移相变压器各绕组耦合来调整。服务器的负载量平衡分布在各高压直流模块之间，只有使移相变压器各绕组的输出带载量均衡，才能实现市电网的输入谐波指标达标。巴拿马电源对负载平衡度要求高，负载轻时需要做好移相变压器的各项输出负载平衡。

3.3.5 适应性

目前HVDC模式的电源主要是在较大量级的数据中心和互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）使用，传统的企业级数据中心（Enterprise Data Center，EDC）还是采用传统2N的双变换UPS模式。巴拿马电源只能用于采用高压柴发的数据中心（规模大于MW级），对小规模的数据中心并不适用。

4 变压器在数据中心节能应用与发展

4.1 变压器的损耗

目前数据中心使用的变压器以SCB环氧树脂干式变压器为主，变压器的损耗来自于铜损和铁损，在供电系统损耗中所占的比重较大，降低变压器的损耗对提高数据中心的能效具有重要意义。

4.1.1 铜 损

变压器的原、副绕组中都有一定的电阻，当电流流过绕组时就会产生热效应消耗电能，这就是铜损。变压器的铜损取决于负载电流的大小和绕组的阻值，也称为可变损耗。在某一确定负载下，变压器的铜损等于变压器负载系数的平方与其定额铜损的乘积。

4.1.2 铁 损

变压器的铁损包括2个方面，分别是磁滞损耗和涡流损耗。当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线会产生方向和大小的变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦并放出热能，从而损耗了一部分电能，这就是磁滞损耗。当变压器工作时，铁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，此电流自成闭合回路形成环流且呈旋涡状，故称为涡流。涡流的存在使铁芯发热、消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。铁损为不变的损耗，与负载电流的大小和性质无关。以一个2 500 kVA的SCB11变压器为例，空载损耗为 3 000 W，带载损耗为 14 000 W，实际总损耗是 17 000 kW，每年消耗约148 920 kW·h 的能量，需要特别关注变压器的节能问题。

4.2 非晶合金变压器

非晶合金变压器是采用非晶合金替代硅钢片的新型节能变压器。非晶合金是通过超急冷凝固的工艺，在合金凝固时原子来不及有序排列结晶形成长程无序结构固态合金。这种非晶合金与传统的硅钢片相比具有高饱和磁感应强度、高磁导率、高激磁电流以及低铁损等优点。将其用作变压器铁芯的材料，能够做到低损耗、高能效。非晶合金变压器的空载损耗比采用硅钢作为铁芯的变压器低70%～80%，是目前节能效果最理想的配电变压器。2 000 kVA传统变压器与2 000 kVA非晶合金变压器的对比如表2所示。

表2 传统变压器与非晶合金变压器对比

4.3 国家新标准对变压器能效的要求

目前，《三相配电变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052—2013）和《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB 24790—2009）已执行多年。随着节能环保新政策的出台，也推动了变压器能效限定和等级标准的修订。通过将以上2个标准进行整合，中国国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会在2020年5月29日正式发布了新标准《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052—2020），2021年6月1日正式实施[4]。为了方便表述，以下将《电力变压器能效限定值及能效等级》简称为新标。

新标对10 kV硅钢干式变压器各个等级的能效进行了新的规定，如表3所示。

表3 新标的10 kV硅钢干式变压器等级能效指标

新标对10 kV非晶合金干变各个等级的能效进行了新的规定，如表4所示。

表4 新标对10 kV非合金干式变压器等级能效指标

以2 500 kVA的硅钢变压器为例，新标与原标准（GB 20052—2013）的能效指标如表5所示。其中，负载损耗均是150 ℃时的计算结果。

表5 新标对2 500 kVA硅钢变压器能效指标

以2 500 kVA的非晶合金变压器为例，新标与原标准（GB 20052—2013）的能效指标如表6所示。其中，负载损耗均是150 ℃时的计算结果。

表6 2 500 kVA非晶合金变压器能效指标

4.4 非晶合金铁芯变压器的发展

我国从20世纪90年代初开始生产和使用非晶合金变压器，2011年在甘肃省白银市正式并网运行的世界首座超导变电站就安装了当时世界上最大的非晶合金变压器。近年来，非晶合金变压器已经在IDC得到大力推广，具有良好的节能效益[5]。随着世界各国以全球协约的方式减排温室气体，在我国提出“碳达峰”和“碳中和”目标的大背景下，非晶合金变压器将有着更广阔的应用前景。

5 结 论

综上所述，数据中心规模的快速增长和数据中心的高能耗问题已经引起相关部门的高度关注，在“双碳”战略目标的推动下，节能、绿色将贯穿数据中心全生命周期，除了使用高效的节能产品之外，还可以向使用可再生的清洁能源和高效的储能方式发展。