數據中心供電系統的節能(下)

2020-11-24 騰訊網

高壓直流節能技術

高壓直流的概念

數據中心的高壓直流電壓為DC240V，DC336V，相對於低壓DC48V，DC12V，DC5V伺服器電源而言其稱為高壓直流，與電網的電力高壓直流±1100kV, ±800kV, ±500kV為兩個領域的認知概念。

高壓直流系統(HVDC)主要由交流配電單元、整流模塊、蓄電池、直流配電單元、電池管理單元、絕緣監測單元及監控模塊組成。正常工作時,整流模塊將交流配電單元輸出的380V交流轉換成240V高壓直流,後經直流配電單元給通訊設備供電,同時也給蓄電池充電。

高壓直流應用

高壓直流技術在國內通信企業與網際網路企業有著成熟的應用，中國移動的DC336V，中國聯通的DC240V形成自身的機房標準,百度、阿里、騰訊在自建機房上均推崇高壓直流節能技術。數據中心高壓直流的供電效率，相比於傳統UPS供電模式，節能測算達2%-8%。

表5. 某廠家UPS與HVDC系統效測算率表

高壓直流的高效節能主要採用了以下方法:

(1)市電+ HVDC混合使用；

(2)HVDC模塊休眠，以保證最大經濟負載率；

(3) 通過技術手段定製IT設備電源模塊，使得設備優先使用市電，HVDC迴路保持有壓無流狀態，以提高系統效率。採用高壓直流+市電直供時，對市電要求提高，市電直接供電的電源質量應滿足電子信息設備正常運行的要求，即伺服器能承受市電波動帶來的影響。另外為減少對柴油發電機組的影響，伺服器電源的功率因數需＞0.95，諧波電流需≤5%，避免容性負載衝擊造成柴發機組帶載困難。

根據對目前伺服器電源種類和適用性的評估，如果伺服器的PSU由傳統的電源結構(撲圖2和圖4所示)改為直流定製設計(拓撲圖3和圖5所示)，與傳統伺服器的PSU相比，能省去一級PFC整流電路，除了能節省15%的內部空間和1.5%的散熱量外，還能提高節能效率。

UPS電源拓撲圖2

伺服器交流電源拓撲圖3

高壓直流電源拓撲圖4

伺服器直流電源拓撲圖5

數據中心配電線路節能

數據中心的負荷功率從千瓦發展至兆瓦級負荷，配電線路也從百米增長至萬米以上，電力線路的損耗越來越大。對於超級耗能大戶數據中心來說，需要考慮如何降低線纜損耗，使線路運行更加節能。

電纜截面選擇

由於配電線路有電阻，有電流通過時就會產生功率損耗，其公式為：

ΔP=3I R·10ˉ （5）

式中：ΔP--三相輸電線路的功率損耗(kW)　I-線電流(A) R-線路相電阻(Ω)

其中「R」線路電阻在通過電流不變時，線路長度越長則電阻值越大。在具體工程中，線路上電流一般是不變的，那麼要減少線損，只能儘量減少線路電阻。而線路的電阻R=ρL/S,即與導線電阻率ρ、導線長度Ｌ成正比，與導線截面Ｓ成反比。要減少電阻值應從以下幾個方面考慮：

(1) 儘量選用電阻率ρ較小的導線，如銅芯導線較佳，鋁線次之。

(2) 增大導線截面積，對於較長的線路，在滿足載流量，熱穩定，保護配合及電壓降要求的前提下，在選定線截面時加大一級線截面。

(3)在實際應用中，導體截面的選擇對於節能來講尤為重要。能源費用的增加和高能量損耗有關，很多設計人員和用戶，在溫升不超過準標規定的情況下，都選擇電纜的最小截面，他們忽略了電纜本身的能耗生產的經濟損失，雖然減少了電線電纜的初期投資，但卻把很多的電能浪費在了傳輸過程中，不過，如果為了節約電能，減少電路電能損耗，而選擇加大線路截面這個方法，勢必造成工程初始投資提高。初始費用最小，那麼導體截面選擇最小；後期損耗最小，那麼導體截面肯定會較大，這種情況就導致了初始費用最小與後期損耗費用最小之間的矛盾。現在需要從經濟和節能方面考慮電纜尺寸，應儘量減速小初始費用，也應儘量減小初始費用和電纜經濟壽命期損耗費用的總和。一般來講，較大截面的導體比基於最小初始費用所選擇的導體截面導致較小的功率損耗。

變壓器深入負荷中心

數據中心的低壓電纜和低壓母線數量很多，一般工程線路總的不下萬米，大工程更是不計其數，造成電能損耗是相當可觀的,所以減少線路能耗必須足夠重視。儘可能減少導線長度，在設計中線路應儘量走直線少走彎路，另外在低壓配電中儘可能不走或少走回頭路。中壓10kV變壓器應儘可能地靠近負荷中心，以減少低壓電纜的供電半徑，低壓供電半徑不要大於250米。

線路運行優化

數據中心核心設備為雙路供電。為保證供電可靠性，當一路電源發生故障後，另外一路電源不應斷電。數據中心的負荷在末端多為單點電源輸入，在其前端供電線路上應選擇兩路電流儘可能平均供電。通過以下計算，我們可以看到當兩路電流相等的情況下，線路的用電損耗是最低的。

確定負荷總的電流為I,假設其中一路電流為I1，功率損耗為ΔP1另一路電流為（I- I1），功率損耗為ΔP2，由公式（5）

可以得到ΔP1=3I1 R·10ˉ ΔP2=3（I- I1） R·10ˉ

ΔP=ΔP1 +ΔP2=3I1 R·10ˉ +3（I- I1） R·10ˉ

經計算，

當I1= 時，ΔP取得最小值。此時ΔP=·3I R·10ˉ

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