試論數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的節(jié)能策略

文/湯連軍

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)中心的不斷增加，電源系統(tǒng)的節(jié)能問題也逐漸引起人們的關(guān)注。這既是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，也和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)。但目前電源節(jié)能方面還存在著諸多問題，這就要求相關(guān)技術(shù)人員結(jié)合實(shí)際需要，從理論分析入手，并在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以此提升電源系統(tǒng)的節(jié)能效果，以實(shí)現(xiàn)其良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1.數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

電源系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，涉及的范圍比較廣泛，比如開關(guān)電源、相控電源、交直流不間斷電源以及變配電設(shè)施等。電源主機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)包括提高效率、增強(qiáng)可靠性、減小占地面積等，這在機(jī)房空間緊缺、提升空間和能源有效利用率迫切的情況下尤為重要。以半導(dǎo)體器件為核心的多種技術(shù)發(fā)展，為數(shù)據(jù)中心電源技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。早期的可控硅受開關(guān)頻率的限制，多機(jī)并聯(lián)的均流是限制其發(fā)展的障礙。隨著晶閘管技術(shù)到IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管）的換代，功率管的開關(guān)頻率得到提高，功率單元間的均流控制變得更為容易，為機(jī)房電源實(shí)現(xiàn)多模塊并聯(lián)提供了可能。

目前，新的SiC半導(dǎo)體功率器件的制造工藝日益成熟，新的功率管的應(yīng)用使得電源的斬波頻率得到了大幅提升，由此帶來功率單元的濾波電感、電容的小型化，這就為電源的模塊化設(shè)計(jì)提供了的新的空間。在功率因數(shù)校正技術(shù)的作用下，通過電源輸入功率因數(shù)的提升，降低了電網(wǎng)中的損耗，可以進(jìn)一步提高設(shè)備的效率。由于電源系統(tǒng)本身智能化的加強(qiáng)，還可以通過運(yùn)行模式的改變，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備的負(fù)載率，進(jìn)一步提高設(shè)備的效率指標(biāo)，也提高了技術(shù)人員維修檢測(cè)的工作效率。[1]

2.數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的節(jié)能

2.1 電源前置安裝到設(shè)備機(jī)房

48V直流電源是運(yùn)營(yíng)商接入設(shè)備的常用電源。設(shè)備安裝之前，首先要根據(jù)機(jī)房面積或機(jī)柜數(shù)量選定電源容量，并合理規(guī)劃?rùn)C(jī)房空間布局，盡量將電源靠近負(fù)荷中心地帶。在條件允許的情況下，可以把直流電源直接安裝在通信設(shè)備機(jī)房當(dāng)中。因?yàn)殡娫措妷旱燃?jí)越低，同等功率需要的電纜截面越大，采取這種方案帶來的節(jié)能效果也就越明顯。通過減少通信用電設(shè)備和配電屏之間的電纜長(zhǎng)度，不僅可以降低線路損耗，同時(shí)可以減少投資成本。雖然就此會(huì)增加電源主機(jī)到電池間的電纜長(zhǎng)度，但由于電池長(zhǎng)時(shí)間處于浮充狀態(tài)，電流太小，實(shí)際因電池電纜增加的線路損耗很低，對(duì)電池電纜的發(fā)熱損耗完全可以忽略。[2]通常情況下，只要把兩種方案中用電設(shè)備和電源主機(jī)兩者間的電纜發(fā)熱耗損進(jìn)行對(duì)比即可。通過采取以上措施，就可以把通信設(shè)備和直流屏之間的導(dǎo)線發(fā)熱損耗有效降低，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。

具體的發(fā)熱損耗公式如下：

Q=I2Rt

其中，Q具體代表的是發(fā)熱的耗損；I則是代表電流；R則代表的是電纜電阻；t 是電流經(jīng)過電纜時(shí)間。一年的時(shí)間就是 t=3.15*107s 。

由于線纜的電阻和長(zhǎng)度成正比，根據(jù)上述兩種不同的設(shè)計(jì)方案綜合判斷，將電源安裝在通信機(jī)房?jī)?nèi)不但起到了減少電能耗損的效果，而且對(duì)電纜的投資大大降低，最終取得節(jié)能降本的良好效果。

2.2 利用高壓直流供電取代傳統(tǒng)的UPS

在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心當(dāng)中，百分之九十以上的服務(wù)器是選用UPS進(jìn)行直接供電的。因?yàn)榻^大部分服務(wù)器電源模塊及機(jī)房設(shè)備是按交流電源輸入設(shè)計(jì)的，因此，UPS的輸出交流制式與普通市電電源兼容，通過交流-直流-交流的雙變換，最終輸出潔凈、穩(wěn)定的交流電源。通過圖1與圖2進(jìn)行比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)，高壓直流UPS 設(shè)備減少了直流-交流的逆變環(huán)節(jié)，并且隨之也減少了一個(gè)服務(wù)器內(nèi)部交流-直流整流的變換環(huán)節(jié)。這不僅簡(jiǎn)化了UPS系統(tǒng)的復(fù)雜性，還減少了兩次電源變換過程，供電系統(tǒng)的發(fā)熱損耗明顯降低，對(duì)節(jié)約能源起到了很好的作用。[3]

圖1 UPS 供電原理圖

圖2 高壓直流供電原理圖

3.系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)中的節(jié)能

3.1 實(shí)現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

在設(shè)備運(yùn)行當(dāng)中，變壓器由于存在空載損耗（簡(jiǎn)稱鐵損）和負(fù)載損耗（簡(jiǎn)稱銅損），所以電能的轉(zhuǎn)換率總是低于100%。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，變壓器的損耗通常情況下還會(huì)因外部環(huán)境的變化而隨之發(fā)生變化，具有一定的復(fù)雜性。如果電網(wǎng)的電壓、頻率等參數(shù)保持不變，變壓器的空載損耗和負(fù)荷容量的大小并沒有直接的關(guān)聯(lián)，負(fù)載耗損和負(fù)載率直接呈現(xiàn)出非線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

變壓器有功損耗公式如下：

在這兩個(gè)公式當(dāng)中，P0所代表的是變壓器的空載損耗，KT為負(fù)載波動(dòng)消耗系數(shù)，PK代表的是變壓器的額定負(fù)載損耗，Sc代表變壓器的計(jì)算負(fù)荷，Sr為變壓器的額定容量，β代表了變壓器負(fù)載率。根據(jù)變壓器的不同負(fù)荷率下的損耗可以得到其理論最佳負(fù)荷率。當(dāng)多臺(tái)變壓器為負(fù)載供電時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際負(fù)荷投入或退出1臺(tái)變壓器，使得變壓器盡量運(yùn)行在最佳負(fù)荷率附近，以降低系統(tǒng)的能耗。表1是SCB10系列變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的臨界負(fù)荷。如果實(shí)際的負(fù)荷值比表中“減少1 臺(tái)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)的最大負(fù)荷”值小的情況下，就可以通過合理分擔(dān)負(fù)載，將其中一臺(tái)變壓器直接關(guān)閉，如此不但能夠?qū)⒄w的損耗降到最小，并且還能夠充分利用變壓器輪流退出的時(shí)機(jī)進(jìn)行檢修維護(hù)，提升設(shè)備的可靠性，也有利于延長(zhǎng)其使用壽命。

表1 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的臨界負(fù)荷表

3.2 對(duì)負(fù)載進(jìn)行均衡分配

從上面的例子還可以看出，電源設(shè)備的效率隨負(fù)載率變化而變化，因此，日常運(yùn)維中還需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)負(fù)載進(jìn)行合理分配，這樣可以將電能的損耗降到最小。對(duì)于多臺(tái)變壓器，假如總荷載不變，實(shí)際投入運(yùn)行的臺(tái)數(shù)也已經(jīng)是最低冗余數(shù)量，那么通過均衡變壓器負(fù)載，就可以把總銅損降低到最小程度。[4]對(duì)于智能化程度較高的UPS并聯(lián)系統(tǒng)或通信電源模塊，由于各并聯(lián)功率單元間可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載自動(dòng)均分，根據(jù)負(fù)載的不同特性，通過啟用系統(tǒng)的節(jié)能模式，根據(jù)負(fù)載率動(dòng)態(tài)調(diào)整投入的功率單元數(shù)量，可以有效提升電源的整體效率。

3.3 對(duì)低壓供電系統(tǒng)的諧波治理

通信設(shè)備多為非線性負(fù)載，這些設(shè)備會(huì)向供電回路注入多種諧波。嚴(yán)重的時(shí)候，不但會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響，而且還會(huì)使供電回路上的其他設(shè)備受到波及，嚴(yán)重發(fā)熱，造成電能的浪費(fèi)。所以，技術(shù)人員要重視供電系統(tǒng)的諧波問題，并采取有效的消諧措施，同樣可以促進(jìn)電源系統(tǒng)的節(jié)能?？梢圆扇〉拇胧┌ú捎檬}沖整流加11次濾波器、增加LC濾波電路、加裝有源濾波器以及進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)取?/p>

4.節(jié)能措施及效果案例

4.1 十二脈沖整流加11次諧波濾波器

某機(jī)房S6系列2組4*200kVA并機(jī)UPS系統(tǒng)，采用十二脈沖整流加11次諧波濾波器來消除諧波。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，每臺(tái)UPS負(fù)載率30%的情況下，三相輸出電流平均88A。同樣負(fù)載條件下，不加11次濾波器時(shí)，三相輸入電流平均值為122A；11次濾波器投入運(yùn)行時(shí)，輸入電流平均減小到98A，每相電流相差24A。

根據(jù)三相交流電功率計(jì)算：實(shí)際功率P=1.732UIcosφ，其中：cosφ為功率因數(shù)，一般取0.9，P為交流電的實(shí)際功率， U為交流電的實(shí)際電壓，I為交流電的實(shí)際電流。計(jì)算結(jié)果顯示，該型號(hào)UPS電源通過11次濾波器的投入，每臺(tái)UPS能耗降低14.2kW，年可節(jié)約電能12.4萬kW·h（度）?？梢钥闯?，為十二脈沖整流器配置11次濾波器，節(jié)電效果非常明顯。

4.2 電源節(jié)能模式的應(yīng)用

某機(jī)房運(yùn)營(yíng)商接入設(shè)備，將開關(guān)電源設(shè)置在節(jié)能模式下，當(dāng)負(fù)荷較低時(shí)，保留一個(gè)冗余電源模塊，其余模塊進(jìn)入輪候休眠狀態(tài)，通過對(duì)比整流模塊休眠前后的輸入電流，對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行測(cè)試。設(shè)備在閑暇時(shí)候的直流負(fù)荷為82A，忙時(shí)候直流負(fù)荷為108A，總共配備了兩臺(tái)相同容量的400A模塊直流電源及配套蓄電池組,每臺(tái)直流電源有8個(gè)50A直流模塊插槽。當(dāng)電源直流負(fù)荷小于100A時(shí)可以僅啟動(dòng)兩個(gè)整流模塊，當(dāng)考慮冗余時(shí)可以最多啟動(dòng)3個(gè)整流模塊，其他的模塊便會(huì)停止工作，進(jìn)入輪候休眠狀態(tài)，這樣做輸入電流平均減少了大約0.45A，每天的耗電量大約能夠減少2.1kWh。雖然單個(gè)站點(diǎn)節(jié)能效果有限，但由于通信設(shè)備接入點(diǎn)數(shù)量龐大，接入電源都采用節(jié)能模式運(yùn)行，全網(wǎng)的站點(diǎn)加起來節(jié)能效果就非常顯著了。

結(jié)語(yǔ)

總之，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的節(jié)能降耗，可以從多方面著手，因地制宜。關(guān)鍵需要從電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)這兩方面落實(shí)。在設(shè)計(jì)階段融入節(jié)能的理念，加上運(yùn)行中的科學(xué)管理，才能夠達(dá)到最終的節(jié)能目的。需要注意的是，在實(shí)際操作當(dāng)中，會(huì)受到各種因素的影響和制約，這就要求節(jié)能方案的設(shè)計(jì)必須綜合考慮，包括系統(tǒng)的安全性、實(shí)施的便利性、投資的回報(bào)率等，對(duì)節(jié)能效果和由此產(chǎn)生的附加影響進(jìn)行精確預(yù)測(cè)和綜合評(píng)估，這樣才能在確保電源系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，達(dá)到預(yù)期的節(jié)能目標(biāo)。