數據中心全直流供配電系統研究

吳華勇，郭 昊，鄢建強

（維諦技術有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

數據中心作為實現國家“碳達峰，碳中和”戰略的重要主體，面臨著用于數據存儲和處理的設備功耗和為了降低設備發熱而使用的空調的能耗均大幅增長、數據中心興建的規模和數量都不斷增加的現實問題，以及提升效率、縮減空間、加快進度、可靠運維和靈活擴展這幾方面的新挑戰，必須尋求突破和創新才能有效解決和應對。

1 數據中心供配電系統現狀

目前UPS（交流不間斷電源）仍然是數據中心中IT設備供電的主流方式，在輸入側掉電時，電池的電能經過DC/DC變換器，轉換到UPS內部直流母線上，再經過逆變環節變換成交流電，給后方的IT設備供電[1]。

參照當前業界的平均水平（不同廠家的效率值分布參差不齊），從中壓變壓器輸入側到IT設備主板上的變換器輸出側之間的整個功率鏈路的效率低于85%，具體每個環節的平均效率值如圖1和表1所示。

表1 傳統UPS全鏈路效率

圖1 傳統UPS全鏈路供電架構

高壓直流（High Voltage Diret Current，HVDC）供電技術方案在我國經過十幾年的蓬勃發展，也取得了規?；瘧?。額定電壓為DC 240 V或DC 336 V的輸出母線給下游IT設備的適配器直接供電，直流母線上接入電池為IT設備做備電，而在電池的充放電管理過程中，功率變換環節更少，效率和可靠性都更高。

但在正常工作時，HVDC與UPS的雙變換狀態，效率升高的幅度并不明顯，幾乎可以忽略不計，其供電鏈路具體每個環節的平均效率值如圖2和表2所示。

圖2 HVDC全鏈路供電架構

表2 HVDC全鏈路供電效率

但目前HVDC還主要以單套輸出功率在500 kW以內的分立式系統為主，功率變換環節與上、下游的配電部分沒有進一步融合[2]。而且分立式HVDC系統和UPS系統相比，并沒有體現出明顯的效率優勢，需要著眼于整個鏈路，從更宏觀的架構入手，設計出更能提高能效的解決方案。

2 預制式全直流供配電模組

正因如此，集成了AC 10 kV中壓配電、隔離變壓、模塊化直流電源和輸出配電單元等環節的預制式直流供配電模組應運而生，從核心部件的實現方式來說，主要有兩種類型：其一是采用普通電力變壓器和輸入側含功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）的整流模塊組成；其二是采用移相變壓器和輸入側為不控整流的整流模塊組成。在同等功率輸出的條件下，二者峰值效率值近似相等。

解決了數據中心建設過程中對于可靠運行、節能降耗、快速投用等現實難題，并且最大限度地提升電能使用效率（Electric Energy Efficiency，PUE）這一重要指標[3]。其供電鏈路具體每個環節的平均效率值如圖3和表3所示，較傳統供電方式提高了約2%。

圖3 預制式供配電模組全鏈路供電架構

表3 預制式供配電模組全鏈路效率

3 全直流供配電系統未來發展趨勢

數據中心的IT設備計算能力更強、能耗更大，功率密度更高，電費成本支出更多。以不斷攀升的單機柜功率容量為例，在不遠的將來很快就會達到20 kW及以上，這對供配電系統有更巨大的能量需求和更嚴苛的效率要求。

上述已經取得批量應用的全直流供電方案恐怕在將來難以勝任新的技術發展和業務需求，勢必需要進一步探索未來的全直流供電方案的演進方向，如圖4所示。

2.1 2016年全國武術散打冠軍賽中量級別散打運動員拳法運用分析 武術散打基本拳法技術包含沖拳、貫拳、抄拳、鞭拳[7]4種。對2016年全國武術散打冠軍賽中量級別男子散打前8名選手的60場、92局比賽的拳法技術應用特點分析見表2。

圖4 全直流供電方案4個未來發展趨勢

3.1 電力電子變壓器

在某些場合也稱固態變壓器，或電能路由器，是一種能夠實現能量多向流動，并且能夠對功率流加以主動控制的設備；作為配電網中分布式電源、無功補償設備、儲能設備、負荷等的智能接口，可以在保證電能質量的前提下，靈活地管理區域電網內部及整個配電網中的動態電能[4]。

如果在數據中心應用，可以從給IT設備供電的核心訴求來簡化處理，省卻一些與最終供電設備相關度不大的直流電壓，例如用于儲能的DC 10 kV或者電動汽車充電等的DC±375 V等輸出制式。

以AC 10 kV中壓輸入為例，具體的實現方式是，其中每一相對應于中點N都采用級聯型，根據各相整流模塊的數量均分所在相電壓，作為整流模塊的輸入電壓，各模塊輸出電壓并聯在一起形成可以給IT設備直接供電的HVDC母線。其中任何一個整流模塊一旦出現失效，都可以通過旁路使其脫離整個系統，既不會將故障擴大，也不會影響整個系統輸出電壓的穩定性。

3.2 燃料電池

柴油發電機作為暫時不可或缺的一個備電設備，價格非常昂貴，但其在99%以上的絕大部分壽命時間里都是不工作的，而且會排放出大量含碳氣體。相比之下氫燃料電池能量轉換效率更高，而且經過化學反應只生成水。這些優點使得其在未來可以作為柴油發電機的一種替代品。

由于氫燃料電池的成本在未來有大幅下降的趨勢，而且近年來在國內外互聯網公司所建數據中心都取得了成功應用因此其很大可能將改變傳統數據中心供電僅來自電網或柴油發電的固定模式。

3.3 48 V主板供電架構

日益增加的負載功率需求，使得12 V供配電系統產生更大的電流，這將導致變換器內部的開關器件和電磁元件損耗，以及傳輸線路中壓降導致的損耗都大幅增加，更高電壓輸出制式的電源系統可以很好地體現高效率、低成本、小尺寸和輕量級的價值。從DC 12 V改變為DC 48 V之后，對于相同載流量的電纜，其供電能力提升了4倍，相應綜合能耗可以減少30%，這樣可以節約相當可觀的電費支出。如圖5和表4所示。

圖5 預制式供配電模組全鏈路供電架構（48 V主板供電）

表4 預制式供配電模組全鏈路效率（48 V主板供電）

另外，輸出48 V電源的體積更??；同時，48 V電源可以減少外界電磁場環境對IT設備的電磁干擾，使得在同樣的單板上，CPU可以連接更多的高速數字接口；另外由于干擾小，傳輸的效果也會更好。

隨著芯片和主板等廠家共同構建其生態產業鏈，48 V直供方案勢必會成為主流。同時隨著鋰電產業的蓬勃發展，其功率密度高，循環次數多，使用壽命長的優點越來越得以發揮，而且避免了傳統鉛酸電池多組不平衡備電的問題，可進柜的48 V封裝一體的鋰電池在未來會扮演越來越重要的角色，必然會取得更加廣泛的應用[5]。

3.4 清潔能源

完全取自于自然資源，有效降低火力發電造成的碳排放，其中能應用到數據中心供配電系統中最主要的有兩類。

3.4.1 太陽能發電

光能與數據中心內IT設備所處理的業務一樣，都是在白天達到峰值，具有很好的負載匹配性，而且光伏電池發出的直流電通過最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的DC/DC變換器，可以直接提供給系統的直流母線?？梢愿鶕數毓庹涨闆r按照合理的比例靈活搭配，配置儲能的直流供電系統則能夠結合“峰谷電價”有效降低運營成本。

3.4.2 風能發電

針對不同負載需求，輸出功率的選型范圍從幾百瓦到幾十千瓦，涵蓋了當今各種功率密度IT設備機柜的功耗。輕風啟動，微風發電。而且不受與風力無關的晝夜交替、天氣陰晴或溫度冷暖等自然條件限制，對于市電和太陽能發電來說都是很好的補充。

無論是接入網的就近取電或是直流遠供的場景，還是匯聚／核心網的DC化改造場景，都可以把風力發電機和太陽能控制器輸出的清潔電能給在遠端的CT設備優先供電，并且電池也放置在遠端的設備側，存儲日間或持續風級較高時的富余能量，在夜間或無風時，起到備電的作用，如圖6所示。

圖6 數據中心的清潔能源供電方案

4 全直流供配電系統對于改善PUE的貢獻

目前，PUE仍然是現階段衡量和評價一個數據中心能源效率的最重要指標，其常規定義是：PUE=（PIT+P制冷+P供配電+P其他） /PIT。

以采用HVDC供電系統的數據中心為例，其電能使用分為IT設備的能耗，空調的能耗，以及中壓變壓器、HVDC變換器、照明及線路等損耗這3部分，但從全部鏈路架構角度來講，其實將IT設備內的DC/DC變換器解耦更加合理，將整個功率鏈路再向后擴展更能真實反映供電鏈路的情況。在努力減小變壓器/輸送電能線路上的損耗以外，同樣必須要重點關注IT設備內部電源的功耗這個能效提升的重要瓶頸。

除了供配電系統方面，在制冷和照明等數據中心的重要組成部分同樣可以做全直流供電方案的探索和實踐。

采用直流供電的精密空調，沒有逆變環節且使用永磁電機，省卻交流電機的轉子電流消耗，效率更高。高壓無刷直流電機驅動的制冷壓縮機，可以有效提升系統能效。同時由于無刷直流電機具有良好調速特性，使得系統變頻性能得以提升，可以有效拓寬空調系統的熱負載適應范圍。

數據中心內照明用的LED一般供電電壓為3.0～3.3V，采用直流供電，避免了不控整流的環節，降低末端電源轉化裝置的故障率和運行維護的成本；而且從源頭對直流電流進行處理，避免了交流電因自身頻率引起的頻閃，營造更為舒適健康的光照環境。

綜上所述，全直流供電方案不僅使電網到設備之間的主功率鏈路上的能耗降低、節省空間，同時也使照明調光、電機調速更加簡易可行，從而降低數據中心整體的能耗和優化PUE指標。

5 結 論

通過上述對全直流供電方案闡釋及對其發展趨勢的描述，可以得出全直流供電方案在數據中心的應用會取得如下收益。

（1）可持續經濟性：直流供配電系統，相比于交流供配電系統，在傳輸過程中和電壓轉換驅動過程中能量損失小，降低電費等運營成本的支出；

（2）主設備可靠性：直流供電變換設備，相比于交流供電變換設備，在電能質量方面對電網更加友好和可控，電磁干擾等污染也更低；

（3）新能源兼容性：在可再生能源發電能力相比數據中心實際負荷需求比例較高時，直流供電相比于交流供電更加降低碳排放。

然而也需要清醒的認識到，不同地區，各個省份或地市在建設數據中心的過程中，所遇到的現實問題都不盡相同，需要循序漸進、差異化地發展和應用直流供電技術，只有因地制宜的開展細致和深入的分析和研判，才能最大限度地發揮直流供電解決方案的優勢。