数据中心全直流供电系统的构建及其综合评价

韩雪姣，屈 鲁，王长永，崔康生，余占清，，崔 健

（1. 清华大学 能源互联网创新研究院，北京 100085；2. 台达电子集团，上海 201209；3. 清华四川能源互联网研究院，成都 610299）

0 引言

数据中心的高能耗问题一直是制约其发展的首要问题［1］。自2020 年3 月，数据中心被列入国家“新基建”七大领域之一以来，建设进入了加速发展的快车道。数据中心作为占全社会用电量超过2%的用能大户，其能效问题、节能问题、碳排问题更加凸显，亟待解决［2］，研究并解决这些问题对“双碳”目标的实现具有重要意义。

供电系统是数据中心可靠稳定运行的动力和保障，直接影响数据中心的效率、可靠性、经济性、环保性等。经调研，现有的数据中心供电系统结构简单、能量流动单一，总结文献［3-5］对现有数据中心供电结构的特点分析，归纳主要存在如下问题：主电源取自市电，并通过交流UPS（不间断电源）系统供电，这种方式采用AC/DC整流、DC/AC逆变的双变换，能量损耗大，系统效率较低；交流UPS系统供电方式中间能量转换环节多，系统整体可靠性不高；储能设备一般以UPS 形式集中于电源和配电柜之间，仅在供电异常时作为应急电源使用，作用单一，利用率低；能源供给主要来自火力发电，碳排放高。

针对以上问题，已有学者提出相应的改进措施，归纳起来主要有几类：采用一定比例可再生能源供电、天然气分布式能源系统［6-7］、直流供电［8-10］、储能型数据中心、更高效率的设备、综合能源管理和负荷管控［11-13］以及先进冷却技术。

鉴于直流供配电的优势［14］及其与数据中心直流负荷的匹配性，文献［8-10］对数据中心的直流供电方式进行了探讨，文献［8］围绕张北交直流混合配电网及柔性变电站示范工程，介绍了包括光伏发电站、直流输电、柔性变电站和交直流并存的高耗能负荷中心的系统结构，可为本文供电架构的设计提供参考；文献［9］从电力系统的角度提出了4种不同电压等级、不同组合方式的直流配电系统，可为本文在直流系统供电架构设计方面提供参考，但文章未对这几种系统的优劣做出综合评价分析；文献［10］提出了电力电子变压器接入的交直流混合系统示范方案，可为本文的供电架构设计提供参考，但文章侧重点在于配电网工程，而不是数据中心。

鉴于当前文献对数据中心供电系统的研究较为分散，鲜有一套系统的综合提升方案。因此，本文从“源-网-荷-储”相协调的角度出发，综合考虑整体需求，提出了一种全直流供电系统，可接入可再生能源和大规模储能，构建“储能型”数据中心。综合系统效率、可用性、经济性、环保性4个维度构建评价指标体系，并采用AHP（层次分析法）和模糊综合评价法，开发了DCES（数据中心能源系统）综合评价分析工具，DCES 为数据中心交直流供电方案的多场景应用分析提供了软件工具。利用DCES 将全直流供电系统与传统的交流供电系统进行对比分析，结果表明，本文所提方案提升了数据中心整体能效和可靠性，降低了碳排放。

1 数据中心供电系统特征分析

将数据中心的供电系统从“源-网-荷-储”角度划分，分析其特性如下。

1.1 源侧

传统数据中心的主电源取自市电，备用电源由柴油发电机（以下简称“柴发”）提供。这种方式可靠、稳定、技术成熟，但存在一次能源利用效率较低、碳排放高等问题。本文将考虑一定比例的可再生能源接入。

1.2 网侧

随着互联网数据中心业务的持续快速发展，主要通过UPS 进行供电的传统交流供电系统的缺陷不断暴露，其工作效率较低、稳定性不高、并机复杂、负载率较低、可维护性较差。由于数据中心大部分为直流负荷，采用直流供电可以减少中间电能转换环节、提高电能变换效率、提升可靠性，因此数据中心的直流供电系统成为一种新的尝试。

本文考虑到直流配电网在接纳分布式电源、储能、柔性负荷等方面的优势，提出建立10 kV直流母线的配电架构方案，即先将10 kV交流转换成10 kV直流，建立10 kV直流母线，然后分别转换为750 V、240 V 直流，750 V 用于接入分布式电源和储能，240 V为直流负载供电，实现全直流供电架构。这将有助于数据中心及周边新能源、储能的广泛接入，支持负荷侧的智能化调控。

1.3 荷侧

数据中心的主要负荷包括电负荷、冷负荷、热负荷，本文主要关注电负荷。对于传统数据中心，电负荷主要包括IT设备、制冷系统、供配电系统、照明系统及其他设施，大多为直流负荷。因此，直流供电方式与数据中心的直流负荷特性相匹配。此外，通过负荷管理、智能调控，可以进一步优化负荷特性，提升数据中心整体性能。

1.4 储侧

传统的数据中心交流供电系统，UPS 作为储能设备集中于电源和配电柜之间，多采用铅酸电池，仅在供电异常时作为应急电源使用，电池投资高，资源闲置浪费。电池长期处于浮充状态，健康状态不明。当采用全直流供电系统的数据中心时，直流母线可以接入更大容量的储能装置，不仅可以改善可再生能源发电的不稳定性，同时为储能装置参与电网互动（如需求响应）提供了条件，可以盘活电池资源、创造收益。

通过以上分析可知，从“荷侧”考虑数据中心的负荷特点，结合“源侧”和“储侧”对可再生能源、大容量储能装置接纳的需求，全直流供电是一种非常适合数据中心的新型供电架构。本文从“源-网-荷-储”协调发展的角度，提出一种采用全直流供电、接入可再生能源和大规模储能的全直流供电系统。

2 全直流供电系统架构

全直流供电系统典型架构如图1所示。本文以直流负荷平均功率PDC在1～10 MW范围内的大中型数据中心为例进行典型方案设计。

图1 全直流供电系统典型架构Fig.1 The typical architecture of full DC power supply system

2.1 供电架构的选择

供电架构主要取决于数据中心可用性等级。对于大中型数据中心来说，对可用性等级的要求极高，本文选择2（N+1）手拉手型架构，如图2所示。数据中心由两路电源供电，每路电源配置一台柴发作为后备电源。

图2 供电架构与关键设备配置Fig.2 Power Supply architecture and the configuration of key equipment

2.2 电压等级的选择

电压等级选择应充分考虑换流设备制造水平、负荷容量、输送容量、输送距离等相关因素之间的匹配程度。本文选择中压直流电压等级为±10 kV，低压直流配电网电压等级为750 V和240 V。

2.3 电源与负荷接入方案

对数据中心电源与负荷需求进行分析，提出的换流站、可再生能源、负荷等容量及接入点的典型配置方案如图2所示。

1）换流站和柴发按照1.5 倍的冗余容量来配置。

2）可再生能源既可利用园区自身的屋顶光伏，也可从附近的光伏电站、风电场等接入，本文接入直流负荷容量10%的屋顶光伏。

3）储能装置按照两倍于传统数据中心的容量来配置，不仅能实现传统数据中心UPS的功能（在市电中断时维持全部交直流负荷运行0.25 h），同时保障有等同于传统数据中心的储能容量被用于每日充放电、参与电网互动。

设数据中心的PUE（能源利用效率指标）为1.5，则交流负荷平均功率PAC=0.5PDC，本文提出的方案中换流站、可再生能源、负荷等容量及接入点的典型配置如表1所示。

表1 电源与负荷接入方案Table 1 The access scheme for power supply and loads

2.4 关键设备

全直流架构中的关键设备主要包括：换流阀（布置于换流站中）、中低压直流母线间DC/DC变换器、直流断路器等。有别于交流系统中的关键设备，配置如图2所示。根据经验测算及工程实际情况，关键设备参数如表2所示。

表2 关键设备参数Table 2 Parameters of key equipment

2.5 优化储能配置

在数据中心全直流供电系统中，省去了传统供电系统中的交流UPS，在750 V 直流母线上直挂大规模储能装置。储能装置不仅具备后备电源的功能，平抑可再生能源的不稳定性，而且还可通过每天循环充放电来盘活电池资源，削峰填谷、创造价值，实现“储能型数据中心”的功能。其典型配置方案如下：

1）接入位置的选择：储能装置采取集中式接入750 V直流母线的方式。

2）电池形式的选择：“储能型数据中心”需要储能电池的循环次数高、能量密度高（占地小）、能适应不同的充放电倍率特性、安全性大幅提升。本文选择磷酸铁锂电池。

3）储能容量的配置：考虑在放电0.25 h 之后仍然满足为负荷（本文中包括交、直流负荷）至少持续供电0.25 h的要求，则储能容量按照表1进行配置。

4）储能控制策略：市电正常时为储能模式、市电中断时为应急模式。

（1）当市电正常时，按照峰谷电价时段进行充放电，放电深度KDOD控制在一定值（30%KDOD、50%KDOD、70%KDOD），每天充放电1次。

（2）当市电中断时，储能装置发挥UPS 功能，直接投入后备电源。

2.6 保护配置和控制模式

本文根据直流配电的故障特点配置不同的保护原理，划分为保护区，根据各保护区被保护设备的特点分别制定保护方案。保护系统包含测量装置、继电器、出口断路器、隔离开关等。通过方向判断、保护策略以及动作延时定位故障区域及区域内故障元件，确保准确切除故障区域内故障元件，尽量缩小停电范围，使系统的非故障部分继续运行。关键设备的控制模式如表3所示。

表3 关键设备的控制模式Table 3 Control mode of key equipment

当市电正常时，直流中压母线为负荷提供100%的功率，由于该功率远大于光伏输出功率，因此负载需求的功率大部分由电网通过AC/DC换流器提供，光伏发出的功率全部提供给负荷。储能装置根据储能控制策略改变与电网之间的潮流方向。当市电中断时，由光伏和储能装置联合为负荷供电。

3 对比评价

本章将对全直流供电系统进行定量的评价分析，并与传统的交流供电系统进行对比。

3.1 评价指标体系构建

在参考当前国内外多种评价指标体系的基础上，综合考虑数据中心供电系统本身的特点及“双碳”目标对供电系统的需求，选择从系统效率、可用性、经济性、环保性4个维度构建综合评价指标体系，具体评价指标选取为：功率效率、可用度、净现值、碳减排比。评价指标体系如图3所示。

图3 综合评价指标体系Fig.3 Comprehensive evaluation index system

图3 中蓝色实线框内容作为评价指标（功率效率、可用度、净现值、碳减排比）；灰色虚线框内容是与评价指标密切相关的重要数据或者有实际意义的过程数据。

3.1.1 系统效率

系统功能效率η反映了供电系统在能量传输和转换过程中的损耗。

式中：Eout为供电系统总输出功率；Ein为供电系统总输入功率。

3.1.2 可用性

数据中心可用性是指系统在使用过程中，可以正常使用的时间与总时间之比。可用性综合反映了可靠性和可维护性［15-16］，用一个比率指标可用度A来量化，由A可得到数据中心的年平均停供时间。

式中：TMTBF为平均无故障时间，也称为平均故障间隔时间，是指失效间隔工作时间的数学期望；TMTTR为平均可修复时间，是随机变量恢复时间的期望值。

3.1.3 经济性

数据中心的经济性主要受到原始投资、年度运营成本、年度收益3个因素的影响［17-18］。

1）原始投资

原始投资主要考虑：UPS系统（针对传统交流系统）、直流供电设备（针对全直流系统）、备用柴发、各级配电设备、储能设备、光伏发电设备（若有）、电缆等辅材，以及工程管理成本（不考虑建筑土建、空调系统、IT设备等的投资）。

2）年度运营成本

本文进行综合评价时，不考虑固定资产折旧成本，只考虑耗电成本、人工及维护成本。耗电成本主要是配电网及电源系统损耗的电费，人工及维护成本按原始投资的8%计算。

3）年度收益

年度收益主要由储能装置参与电网互动带来的收益，包括峰谷电价差套利和需求响应收益。

基于以上3个因素，本文采用净现值法来进行成本效益的经济性评估［18］，利用净现金效益量的总现值与净现金投资量计算出净现值，然后根据净现值的大小来评价方案的经济性。净现值指标考虑了资金流量的时间价值，较合理地反映了方案真正的经济价值。

3.1.4 环保性

本文环保性指标的优劣主要用碳减排占比来衡量，采取排放因子法计算数据中心供电系统的碳排放量。碳减排主要来自两方面：节能量（本文只考虑供能系统节电量，不考虑IT设备、制冷设备的节电量）、清洁能源的利用（如光伏）。

平均效率为η0的供电系统年度碳排放量为：

以C0为参考，效率为η1、碳排放量为C1的供电系统年度碳减排量为：

式中：μ为区域电网基准线碳排放因子，本文取值0.839 kg/kWh；PDC、PAC、PPV分别为数据中心直流设备平均功率、交流设备平均功率、光伏发电功率，单位为kW；t1、t2、t3分别为数据中心直流设备、交流设备、光伏年利用小时数；k为负载率。

3.2 综合评价模型

本文选择AHP和模糊综合评价法对数据中心供电系统进行综合评价［19］。流程如图4所示。

图4 综合评价流程Fig.4 Comprehensive evaluation flow process

1）确定数据中心供电系统为评价对象。

2）确定评价因素。

U=｛功率效率，可用度，净现值，碳减排占比｝

3）确定评价等级

P=（差，较差，一般，较好，好）量化评分之后以5分制等同于P=｛1，2，3，4，5｝。

4）确定评价指标权重

采用AHP进行权重计算。将每个元素行对应的评价指标与列对应的评价指标相比较，重要程度由“稍重要”到“强烈重要”分别用1～9 标注，不重要则取倒数，构成判断矩阵。最终得到判断矩阵特征向量的转置即为各项评价指标的权重矩阵W。

5）单因素模糊评价

广泛调研行业内对系统效率、可用性、经济性、环保性指标的经验范围取值，划分出每个评价等级的取值范围。计算得到各项评价指标的实际值，根据各评价等级对应的指标取值范围模拟专家评价，若指标实际值落在某个区间范围内，则对应的评价等级隶属度为1，其他评价等级隶属度为0。最后由各项评价指标的评价集构成综合评价矩阵R。

6）综合评价模型

根据权重矩阵W和综合评价矩阵R，选择加权合成算子可得综合评价模型。

式中：b1、b2、b3、b4、b5分别表示评价结果隶属于评价等级｛差，较差，一般，较好，好｝的隶属度。将B归一化并对应到5分制的评价等级中去，进行加权乘积求和，可得到数值为1～5的综合评价值，该值越高，说明系统综合评价越好。

3.3 对比分析

利用前文提出的评价指标体系和综合评价方法，开发了DCES，其界面如图5所示。算例中的基本输入参数如表4 所列，其他输入参数，详见DCES 参数缺省值（在线网址为http：//dev01.eiri.tsenc.cn：9098）。

图5 DCES界面Fig.5 The DCES interface

利用DCES 分别对本文构建的全直流供电系统和传统交流供电系统各项指标进行计算，最终可得出两者在系统效率、可用性、经济性、环保性4个维度上的优劣及综合评价值，各项指标实际值如表5所示。

表5 各项指标实际值Table 5 Actual values of indicators

根据AHP，本文所赋予的判断矩阵如表6所示。

表6 判断矩阵Table 6 judgment matrix

则4 个维度的权重矩阵为W=［0.30，0.44，0.20，0.06］。

将表5的经验取值区间进行隶属划分，得出4个维度下的综合评价结果如表7所示。

表7 综合评价结果Table 7 Comprehensive evaluation results

对结果进行对比分析，可以得出如下结论：

1）本文所提出的全直流供电系统在系统效率、环保性两个维度上明显优于传统交流供电系统。直流供电的系统架构提升了系统效率，减少了中间变换环节，降低了相应的损耗。环保性的提升一方面是由于系统效率的提升而减少了耗电量及碳排放，另一方面是由于可再生能源接入也减少了碳排放。

2）两者在可用性方面都很好，但全直流供电系统的可用度较传统交流供电系统有所提升。一方面是由于城市电网本身的可用性高，另一方面是因为“全直流双路供电+柴发+分布式光伏+储能”的系统架构提升了可用性。

3）两者在经济性方面都一般，通过定量分析，全直流供电系统的经济性比传统交流供电系统要差。这主要是因为直流关键设备的成本远高于传统交流配电设备。直流关键设备目前处于开发试验、示范应用阶段，平均成本较高，但随着规模化的发展，成本下降空间还很大；全直流供电系统由于效率提升、损耗下降能够节约大量电费成本；全直流供电系统储能装置带来的收益不可忽略，尤其是在一些峰谷电价差大、需求响应补贴力度大的区域，收益更加可观。所以，未来数据中心全直流供电系统的经济性会越来越好。

4）综合系统效率、可用性、经济性、环保性4个维度来看，数据中心全直流供电系统的综合评价要优于传统的交流供电系统。

4 结语

本文通过分析数据中心供电系统“源-网-荷-储”各环节的特点和需求，提出了一种采用全直流供电的、接入可再生能源和大规模储能的全直流供电系统。综合系统效率、可用性、经济性、环保性4 个维度构建评价指标体系；利用AHP 和模糊综合评价法开发了DCES，将全直流供电系统与传统交流供电系统性能进行了对比评价分析。

综合4个维度来看，本文提出的全直流供电系统的综合评价要优于传统交流供电系统，是一种可以考虑的新型方案。