郭利群

(中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

2008年以來，國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)進(jìn)入快車道，數(shù)據(jù)中心作為耗能大戶也日益受到關(guān)注。工業(yè)和信息化部、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家能源局2019年發(fā)布了關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見《工信部聯(lián)節(jié)〔2019〕24號》，要求到2022年，數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能使用效率值達(dá)到1.4以下?！侗本┦行略霎a(chǎn)業(yè)的禁止和限制目錄(2018年版)》要求，PUE值在1.4以下；上海要求存量改造數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.4，新建數(shù)據(jù)中心PUE限制在1.3以下；深圳實(shí)施減量替代，“以高(能效)代低、以大(規(guī)模)代小、以新(技術(shù))代舊”，PUE1.4以上的數(shù)據(jù)中心不享有支持，PUE低于1.25的數(shù)據(jù)中心可享受新增能源消費(fèi)量40%以上的支持。

從政策層面看，數(shù)據(jù)中心節(jié)能設(shè)計和運(yùn)行已刻不容緩，而從運(yùn)維角度看，電費(fèi)支出也占到了數(shù)據(jù)中心整體運(yùn)維費(fèi)用的一半，節(jié)能需求對于企業(yè)來說非常必要。

在數(shù)據(jù)中心節(jié)能研究上，各種新技術(shù)紛紛涌現(xiàn)，其中高壓直流(HVDC)技術(shù)最為受人關(guān)注，相比傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)方案，其節(jié)能效果據(jù)測算可以提高8%，因此，本文試著從產(chǎn)品原理及系統(tǒng)組成加以分析，探討其節(jié)能效果。

1 HVDC的拓?fù)溲堇[

傳統(tǒng)的UPS(拓?fù)鋱D參見圖1)是由整流器進(jìn)行AC/DC整流、電池組掛在中間、逆變器進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)換三個環(huán)節(jié)來完成整個供電過程。相對而言，HVDC常見的拓?fù)鋱D(參見圖2)變得簡單，據(jù)生產(chǎn)商宣傳，HVDC減少一個DC/AC轉(zhuǎn)換后，可靠性提高的同時，也使得電能利用效率大大提高。

圖1 UPS拓?fù)鋱D

圖2 HVDC常見拓?fù)鋱D

那么，實(shí)際是不是提高了電能利用效率呢？筆者認(rèn)為，可以從兩種設(shè)備的基礎(chǔ)電路加以分析。

無論高頻UPS還是HVDC，其前級都是IGBT整流器(此處忽略工頻UPS采用的SCR整流)，常見的整流電路為Boost電路(圖3)，整流方式是升壓整流，經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)換后，直流母線電壓為800V。我國現(xiàn)行兩大通信用HVDC電壓標(biāo)準(zhǔn)分別是336V和240V，顯而易見，800V是不能直接提供給負(fù)載使用的，必然需要經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換為更低的直流電壓。

圖3 Boost整流電路示意圖

從電力電子學(xué)角度看，DC/DC轉(zhuǎn)換是將一個直流電壓轉(zhuǎn)換成另一個直流電壓的過程，也稱為直流斬波，其工作原理是先將直流電逆變(升壓或降壓)成交流電，然后再整流變換成另一種直流電壓。由此可以看出，HVDC實(shí)際上經(jīng)歷了三次變換，比傳統(tǒng)UPS多了一個變換級，其實(shí)際拓?fù)鋱D參見圖4。

圖4 HVDC實(shí)際拓?fù)鋱D

2 HVDC的轉(zhuǎn)換效率

市面上類似“市電+HVDC綜合供電效率為97%，比最高效率為94%傳統(tǒng)的UPS高出不少”等宣傳語很多，但筆者在仔細(xì)查閱相關(guān)項目資料后發(fā)現(xiàn)，宣傳語中很多內(nèi)容都是在偷換概念，或是用“市電+HVDC”來對比“2N設(shè)計的UPS”，或是用“HVDC”對比工頻“UPS”。從某云計算中心電氣架構(gòu)圖(圖5)以及各系統(tǒng)架構(gòu)的效率對比(參見表1)就可以看出HVDC的實(shí)際效率。

圖5 某云計算中心電氣架構(gòu)圖

電氣架構(gòu)的效率對比表 表1

從表1可以看出，該云計算中心把UPS的效率設(shè)定在90%，同時認(rèn)為HVDC的效率僅92%，這也呼應(yīng)了上文中分析的HVDC需要三次變換。常見HVDC的效率曲線如圖6所示，最高值比92%略高一點(diǎn)；如果是2N配置，在常規(guī)的30%～40%區(qū)間，效率基本在91%左右。

圖6 HVDC的效率曲線

然而，對于UPS來講，其效率是不是真的只有90%呢？筆者在2014年曾參與了一個多家廠商UPS產(chǎn)品的綜合測試工作，取樣包括5家高頻UPS和2家工頻UPS，測試地點(diǎn)為某實(shí)驗室，產(chǎn)品效率測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看到，即便是大家公認(rèn)效率低下的工頻UPS，在滿載測試時也高于92%；在45%的半載測試中，高頻UPS效率也能達(dá)到95%，遠(yuǎn)非業(yè)內(nèi)“工頻UPS的效率只能按80%計算”的論調(diào)。雖然以上數(shù)據(jù)取自5年前，但是隨著UPS廠商技術(shù)研發(fā)水平的進(jìn)步，近日某廠商的新品UPS滿載效率的第三方測試數(shù)據(jù)，即在雙變換模式下達(dá)到96.625%，E模式達(dá)到98.987%，也充分證明了“HVDC效率高于UPS”的論調(diào)不可信。

此外，對于金融數(shù)據(jù)中心而言，因其“兩地三中心”的組網(wǎng)形式及自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對于基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性要求很高，2N的系統(tǒng)架構(gòu)是金融數(shù)據(jù)中心必要條件。從表1和表2可以看出，在相同的組網(wǎng)條件下，不管是兩路UPS(HVDC)還是一路市電+一路UPS(HVDC)，電氣系統(tǒng)的整體效率幾乎沒有差異。

某項目UPS效率泰爾實(shí)驗室實(shí)測值 表2

HVDC的特點(diǎn)分析 表3

3 HVDC的特點(diǎn)分析

雖然HVDC并非節(jié)能效果驚人，但是HVDC仍有其特點(diǎn)。筆者在下文通過對HVDC的特點(diǎn)加以分析，希望在工程實(shí)踐對設(shè)計人員有所幫助。

4 結(jié)束語

綜上所述，市場中對HDVC節(jié)能、效率高的宣傳具有片面性，筆者經(jīng)過與多位IDC從業(yè)人士交流，總結(jié)發(fā)現(xiàn)若干應(yīng)用了HVDC的數(shù)據(jù)中心之所以節(jié)能效果顯著，主要采用了以下方法：(1)市電+HVDC混合使用；(2)HVDC模塊休眠，以保證最大經(jīng)濟(jì)負(fù)載率；(3)通過技術(shù)手段定制IT設(shè)備電源模塊，使得設(shè)備優(yōu)先使用市電，HVDC回路保持有壓無流狀態(tài)，以提高系統(tǒng)效率。

這些方法雖然在用戶方有能力實(shí)現(xiàn)IT層面冗余的條件下不會凸顯問題，但對于其他用戶而言就存在實(shí)施障礙，如一路市電主供+一路休眠、電源瞬態(tài)閃斷和諧波治理等都是問題；市電直供沒有電源質(zhì)量可言，業(yè)內(nèi)人士也提到，電網(wǎng)的穩(wěn)定性要綜合考慮各種因素，局部地區(qū)電網(wǎng)不穩(wěn)定、閃斷頻率較高的情況下，不建議采用市電加高壓直流的方案。

采用高壓直流+市電直供時，對市電要求提高，市電直接供電的電源質(zhì)量應(yīng)滿足電子信息設(shè)備正常運(yùn)行的要求，即服務(wù)器能承受市電波動帶來的影響。另外為減少對柴油發(fā)電機(jī)組的影響，服務(wù)器電源的功率因數(shù)需>0.95，諧波電流需≤5%，避免容性負(fù)載沖擊造成柴發(fā)機(jī)組帶載困難。