綠色數據中心電源節能技術綜述

高興旺，李玉昇，張 瑜，郭云崢，趙 涵

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

近期，“碳達峰、碳中和”成為年度網紅熱點話題。2020年9月22日，習近平總書記在75屆聯合國大會上莊嚴宣告，將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。簡稱為“30·60目標”。

從相對減排到絕對減排，進而實現零排放。作為新基建、數字化時代的信息支柱，數據中心可謂是名副其實的“能耗大戶”，而隨著其數量的逐年攀升，如何加快數據中心行業的綠色發展、降低碳排放，成為了推動我國實現碳中和目標的重要話題[1]。

為積極響應國家政策號召，基于工信部《國家綠色數據中心先進適用技術產品目錄（2020）》，跟蹤研究綠色節能先進技術，探究各種電源綠色技術原理、技術特點（節能減排效果）、引入建議；推廣綠色先進適用技術在移動乃至整個通信互聯網行業的使用，推動移動數據中心節能與綠色發展水平持續提升，很有必要。

本文首先分析數據中心的能耗分布，重點研究能源、資源利用效率提升技術產品中的高效電源節能技術，系統全面梳理分析電源節能技術，并給出電源節能技術的應用推廣建議。

1 數據中心能耗分析

電 能 利 用 效 率（Power Usage Effectiveness，PUE）是表征數據中心電能利用效率的參數，已經作為國際上通用的數據中心能源效率的衡量指標。其數值為數據中心內所有用電設備消耗的總電能與所有電子信息設備消耗的總電能之比。PUE值越接近于1，表示一個數據中心的綠色化程度越高。

數據中心內所有用電設備消耗的總電能主要有IT設備能耗、制冷系統能耗、供配電系統能耗、照明及其他能耗組成。PUE的計算公式為：

以一個運行PUE約為2的傳統數據中心能耗為例。經測算，IT設備能耗占比最高，約為總能耗的50%；制冷系統能耗為第二大能耗設備，約占35%；供配電系統的能耗占到第三，約占10%，照明及其他能耗設備的能耗占比則較小，約5%（其他能耗如安消防設備、數據中心能耗管理系統、傳感器以及數據中心內的電梯等等），如圖1所示[2]。

圖1 傳統數據中心能耗

顯然從能耗構成來看，制冷系統的能耗占了一半，對降低PUE值的作用也最明顯，因此數據中心的節能措施及相關節能技術研究也多圍繞制冷系統展開。但對供配電系統的節能相關技術研究較少且不全面，因此有必要對供配電系統的節能技術進行系統而全面的梳理。

如圖2所示，數據中心的電源系統主要有變配電系統、自備發電機組系統、換流系統、蓄能系統、新能源電源系統、防雷與接地系統、動力環境集中監控系統與能源管理系統等組成。

圖2 供配電系統

本文將聚焦供配電系統能耗部分，基于供配電系統架構和供電設備，系統全面地梳理分析節能技術，從而降低配電系統能耗，減少數據中心的碳排放。

2 電源節能技術

2.1 供電架構

2.1.1 市電/不間斷電源混合供電技術（簡稱：市電直供）

（1）技術原理

該技術為一路由市電直接供電，另一路采用不間斷電源（UPS或HVDC）供電，如圖3所示，在市電正常的情況下，由市電為ICT設備供電，不間斷電源（UPS或HVDC）處于備用狀態；市電異常時，不間斷電源（UPS或HVDC）承擔全部負荷。

圖3 市電直供示意圖

（2）技術特點

a.簡化供電系統架構，最大限度地降低能耗、減少設備投入；

b.由于無電源變換環節，因此市電直供回路效率達98%，與傳統的交流不間斷電源系統（UPS 2N系統）比較，節能5%～10%。

（3）技術引入建議

該技術可在新建數據中心、在用數據中心改造場景推廣應用，可根據業務需求、供電網絡、保障等級要求靈活提供不同的市電直供方案以滿足主設備供電需求。

2.1.2 柜級分布式供電技術（簡稱：數字能源機柜）

（1）技術原理

該技術是中國移動設計院基于可軟件定義的電池能量管控技術自主研發的分布式數字化直流供電設備，為ICT設備分布式供電并提供設備安裝空間。如圖4所示，將12 V或48 V直流不間斷電源（含電池）分布布置在每個ICT設備機柜內，無需單獨設置電力電池室。

圖4 數字能源機柜

（2）技術特點

a.柔性：全模塊化設計，按需使用、隨需擴容，滿足隨時變化的業務需求，降低初期建設投資；

b.高效：一柜一系統，采用高效整流模塊并減少轉換環節，提高全程系統效率約3%～6%；

c.安全：降低供電系統顆粒度，并內置鋰電池消防模塊，事前預防、事中消除并行，減少安全隱患;

d.智能：采用智能鋰電，內置雙向DC/DC電路，實現新舊混用，監測并評估鋰電池各項參數（SOC、SOH等），實現智能化管理；

e.簡單：采用一體化設計、工廠預集成，減少現場安裝環節；

f.緊湊：高密集成，提供空間利用率，機房裝機率提升30%～40%，ICT設備安裝空間提升約20%；

g.高效：分布式布置，無需電力電池室，機房裝機率提升30%-40%。

（3）技術引入建議

該技術可在新建數據中心推廣應用，尤其適用于需求快速變化、分期建設或定制化的業務場景。

2.1.3 一體化預裝式不間斷供電系統

（1）技術原理

如圖5所示，將交流10 kV配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、輸出配電等環節集成于一體的供電系統。該技術可簡化現場施工安裝環節，節省建設周期，實現節省投資、節能、節地的目的。

圖5 一體化預裝式不間斷供電系統

（2）技術特點

a.效率高，較傳統供電系統整體供電效率提升2%～3%；

b.節地，以2.2 MW IT設備負荷，較傳統供電系統占地面積節省約2/3；

c.建設周期短，較UPS供電系統節省3/4，較HVDC系統節省1/2。

（3）技術引入建議

該技術可在新建數據中心、在用數據中心改造場景推廣應用，尤其適用于需求明確、高密高集中化的業務場景、建設工期要求時間緊的場景。

2.1.4 自備發電機組供電系統復用技術

（1）技術原理

由不同變電站供電的數據中心，采用一套備用發電機組供電系統作為兩個專用變電站的備用電源，達到發電機組的減配，實現節材、節地、節省投資的目的。自備發電機組供電系統復用技術原理如圖6所示。

圖6 自備發電機組供電系統復用技術原理框圖

（2）技術特點

自備發電機組供電系統復用技術能夠提高發電機組的利用率，實現了發電機組資源的動態調配和共享，在提高效益的同時能夠降低土建及設備的建設成本，符合節能、環保、綠色的主題。

（3）技術引入建議

對于具有多套高壓供電系統的數據中心，若其外市電為一類市電，其中兩套高壓供電系統的市電電源分別引自不同的110 kV（66 kV）變電站，其備用發電機組選用10 kV備用發電機組，且可采用一套發電機組供電系統為兩個高壓供電系統做備用電源。

2.1.5 燃氣冷熱電三聯供技術

（1）技術原理

燃氣冷熱電三聯供（Combined Cooling, Heating and Power CCHP），是天然氣高效利用的重要方式，指利用天然氣為主要燃料驅動燃氣發電設備（燃氣內燃機、燃氣輪機等）運行，產生的電力用于用戶的電力需求，該系統排出的廢熱經余熱回收利用設備（如余熱鍋爐、吸收式制冷機組等）向用戶供熱、供冷，實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率達到70%以上，如圖7所示。

圖7 燃氣冷熱電三聯供技術原理

（2）技術特點

理想的燃氣冷熱電三聯供系統的綜合利用率不低于80%，高于柴油發電機組40%的能源利用率。

能源綜合利用率高，尤其比火電發電高，提高用能的利用效率；市電電源做為備用電源，運行成本低，綠色環保，節省電費的同時節省能源和碳排。

應用冷熱電三聯供系統可節電約20%，消減碳排放約50%。

（3）技術引入建議

建議根據當地政策，以及具備三聯供系統需滿足的條件，在新建數據中心場景推廣應用。預計未來隨著分布式能源的不斷推廣，應用規模將進一步擴大。

2.1.6 負載側儲能技術

（1）技術原理

負載側儲能技術原理如圖8所示。不間斷電源配置循環型電池，在備電容量的基礎上再增加一定比例的儲能容量，通過不間斷電源對電池進行智能管理，市電+蓄電池聯合供電，實現削峰填谷供電應用。結合當地的供電政策，利用峰谷電價差，可以提高經濟效益。

圖8 負載側儲能技術原理

（2）技術特點

a.利用當地的峰谷電價差，提高經濟效益；

b.充分激活儲能電池的使用價值，降低運營保障壓力，提升保障效率。

（3）技術引入建議

建議結合當地供電政策，峰谷電價差大于0.7元的地區選擇應用。

2.1.7 光伏發電技術

（1）技術原理

光伏發電技術是太陽能光伏池板，通過光生伏打效應，將太陽能的輻射能量直接轉換為電能的發電系統，主要由太陽能光伏陣列、電能變換器（逆變器、直直變換器）組成，如圖9所示。

圖9 數據中心光伏并網發電供電方案示意

光伏發電系統按照與電力系統的關系，分為獨立光伏發電系統、并網光伏發電系統和混合型光伏發電系統3種形式。由于數據中心對供電的可用度要求較高，在所處地區太陽能資源豐富的大型數據中心園區，可引入并網光伏發電系統。其工作模式為：對于數據中心的非重要或者不敏感負載，由并網光伏發電系統直接為其供電；當并網光伏發電系統產生的電能大于其所需電能時，將剩余的電能饋送給市電，同時可以利用數據中心的UPS系統作為光伏發電系統的儲能裝置；當并網光伏發電系統產生的電能不能滿足其用電需求時，由市電給予供給[3]。

（2）技術特點

a.采用太陽能MPPT技術，光伏變換器的最大效率可以達到98%；

b.可以充分利用數據中心屋頂和空余場地；

c.節省數據中心的電費支出，減少碳排量。

（3）技術引入建議

建議在所處地區太陽能資源豐富的大型數據中心園區引入光伏并網發電系統。由于數據中心對供電的可用度要求較高，為確保數據中心供電可用度，建議對數據中心園區的負荷按照負載對電能敏感程度區別、分級供電，對供電可用度要求高的IT設備仍為市電供電，對照明負荷等園區不敏感的負載則由光伏并網發電系統供電。

2.2 供電設備

2.2.1 10 kV高壓發電機組

（1）技術原理

高壓發電機組指輸出額定電壓為10 kV的發電機組，因數據中心的市電引入電壓一般為10 kV，電壓等級一致，可直接接入供電系統，如圖10所示。

圖10 10kV高壓發電機組（2 000 kW示例）

（2）技術特點

a.發電機組可集中設置，多臺并機，并機系統容量大，可承受較大負荷變化的沖擊；可根據負荷大小按需自動投入適當的機組，以匹配實際運行負荷，節省燃油、機油，減少浪費；

b.采用10 kV高壓發電機組，功率相同的前提下，能夠減小所用電纜截面，從而降低線損，降低施工難度，節省電纜投資，尤其適合長距離、遠離負荷中心的場景；

c.多臺機組便于并機形成資源池，機組配置和配送電電纜及設備投資最大降低約50%。

（3）技術引入建議

該技術可在新建數據中心場景積極推廣應用。以中國移動為例，目前已將高壓發電機組納入集團一級產品集采庫，有力推動了該產品的應用。

2.2.2 磷酸鐵鋰電池組

（1）技術原理

一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳作為負極材料的鋰離子電池，單體額定電壓為3.2 V，可以作為UPS、HVDC后備電池（標稱電壓300 V以上）使用，具有重量輕、占地小、循環壽命長、放電倍率高等優點（見圖11）。

圖11 磷酸鐵鋰電池組

（2）技術特點

a.重量輕：同容量磷酸鐵鋰電池約為鉛酸的1/3，降低對安裝位置承重要求；

b.占地?。毫姿徼F鋰電池一般為鉛酸電池的30%～50%；

c.循環壽命高：磷酸鐵鋰電池循環壽命單體不低于2 000次，成組不低于1 000次（80%DOD）；

d.高倍率放電容量損失?。簭?.1C電流到1C電流放電，均能放出95%以上的額定容量。

（3）技術引入建議

該技術可在通信局樓等小型數據中心積極推廣應用。以中國移動為例，目前已將磷酸鐵鋰電池組納入集團一級產品集采庫，有力推動了該產品的應用。

2.2.3 機架母線配電（簡稱：小母線）

（1）技術原理

如圖12所示，小母線是由始端箱、插接箱接箱及母線槽組成的配電產品，安裝于ICT設備機柜上方，替代列頭柜和電纜給ICT設備機柜供電。

圖12 小母線

（2）技術特點

a.節省列頭柜占地，提高數據中心機房的空間利用率；

b.便于調整分路及容量，柔性配電，避免容量浪費；

c.安裝便捷，母線槽整體吊掛，較敷設電纜顯著節省人工；

d.插接箱即插即用，靈活滿足用戶需求變化。

（3）技術引入建議

該技術可用于各類新建數據中心末端服務器配電，建議積極推廣。

2.2.4 模塊化UPS

（1）技術原理

高頻模塊化UPS（見圖13）由輸入配電部分、輸出配電部分、功率模塊、監控模塊組成。各個功能單元采用模塊化設計，具有數字化、智能化特點。模塊可插拔，支持在線更換，且功率模塊支持冗余和休眠，系統效率可達到95%以上[4]。

圖13 模塊化UPS

（2）技術特點

運行效率提升約10%，減少電纜發熱，降低系統的運行成本。

（3）技術引入建議

該技術可在新建數據中心、在用數據中心改造等場景積極推廣應用。以中國移動為例，目前已將模塊化UPS納入集團一級產品集采庫，有力推動了該產品的應用。

2.2.5 240 V/336 V直流電源

（1）技術原理

高壓直流供電技術解決了傳統UPS供電系統效率低、可擴展性差、可靠性低、成本高等弊病，具有電路簡單、變換少、可靠性高、效率高、體積小、成本低等優點。240 V/336 V直流電源如圖14所示。

圖14 240 V/336 V直流電源

（2）技術特點

a.電路結構簡單、高效：與傳統不間斷UPS系統相比，少了一級DC/AC逆變轉換環節，同時服務器PSU也相應減少了AC/DC整流環節，兩級轉換的減少，提升了電能利用效率，簡化了電路結構，效率大于96%；

b.可靠性高：系統可用度高，電池直接連接在輸出母線上，提高了電池供電時的可靠性；

c.擴容便捷：功率模塊采用模塊化結構設計，支持熱插拔、在線更換，擴容簡單方便，可有效降低后期運維成本[5]。

（3）技術引入建議

該技術可在新建數據中心、在用數據中心改造等場景積極推廣應用。

2.2.6 節能型變壓器

（1）技術原理

如圖15所示，節能型變壓器采用新的疊片形式，大大減少了磁阻，空載電流減少了60%～80%，提高了功率因數，降低了電網線損，改善了電網的供電品質。

圖15 節能型變壓器

（2）技術特點

年損耗平均低約10%。

（3）技術引入建議

該技術可在新建數據中心等場景積極推廣應用。以中國移動為例，目前已將節能型變壓器納入集團一級產品集采庫，有力推動了該產品的應用。

2.2.7 有源濾波器

（1）技術原理

有源濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的電力電子裝置，如圖16所示。其原理為：能實時監視線路中負載電流，通過模數轉換，快速計算分離出電流諧波，并以PWM信號為驅動脈沖，驅動補償電流發生電路生成與諧波電流幅值相等、方向相反的補償電流注入電網，實現對諧波電流的補充或抵消。該方案適合低壓配電諧波治理。

圖16 有源濾波器

（2）技術特點

a.選擇合理的濾波補償設備，可以提高供電質量，保證設備安全運行，且可節省電能；

b.消除通信機樓、數據中心內通信電源、空調等變頻設備帶來的諧波并同步解決市電直供壓IT負載容性功率因數問題，提升備用發電機組可靠性，避免電網罰款。

（3）技術引入建議

該技術可在新建數據中心、在用數據中心改造等場景積極推廣應用。以中國移動為例，目前已將有源濾波器納入集團一級產品集采庫，有力推動了該產品的應用。

3 結 論

基于以上梳理的相關技術，在中國移動各省公司進行了應用情況調研。其中市電/不間斷混合供電技術、10 kV高壓發電機組、磷酸鐵鋰電池組、模塊化UPS、 240 V/336 V直流電源等技術在各省公司應用較多，柜級分布式供電技術、一體化預裝式不間斷供電系統、自備發電機組供電系統復用技術等技術應用相對較少。

綜上，本文從數據中心的供電架構和供電設備兩個維度，對電源節能技術進行了系統全面的梳理，并給出了應用建議，針對技術成熟的節能技術可積極推廣應用；針對相關限制條件較多的技術，可根據當地情況，因地制宜的選擇應用。