楊曉平

（計(jì)算機(jī)用戶協(xié)會數(shù)據(jù)中心分會專家技術(shù)委員會，北京 100162）

1 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)由外部的市電、后備電源、中壓配電、變壓器、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）以及低壓配電組成。對于一個高等級的數(shù)據(jù)中心，供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)采用2N容錯架構(gòu)，具有兩路市電+自備發(fā)電機(jī)、兩路獨(dú)立的中低壓配電、兩路獨(dú)立的UPS。在兩路獨(dú)立的配電系統(tǒng)中，還增加了中壓和低壓的母聯(lián)裝置，提高了配電系統(tǒng)的可靠性和容錯能力，在電力中斷、配電故障或檢修時仍然能夠保障IT設(shè)備的正常運(yùn)行。典型的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心的供配電架構(gòu)

根據(jù)圖1，供配電系統(tǒng)主要的損耗來自變壓器、UPS以及各鏈路上開關(guān)和線路，這些也成為數(shù)據(jù)中心供配電節(jié)能的關(guān)注點(diǎn)。

2 三相UPS節(jié)能技術(shù)

UPS是數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，在實(shí)際的使用中，用戶對UPS供配電系統(tǒng)在高可用性、高效率、全生命周期總體擁有成本（Total Cost of Ownership，TCO）、安裝場地的適應(yīng)性、維護(hù)過程中的便捷性以及擴(kuò)容的靈活性等方面提出了更高的要求。基于用戶這幾個方面的要求，三相UPS主要進(jìn)行了3個方面的節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新。

2.1 新一代旁路優(yōu)先運(yùn)行模式

三相UPS主流的在線雙變換運(yùn)行模式是采用整流器和逆變器2次100%變換，功率器件承受了所有的負(fù)荷，元器件易疲勞老化，同時早期的工頻和兩電平高頻的UPS效率為90%～95%。

從20世紀(jì)90年代開始，UPS制造商在小容量UPS的基礎(chǔ)上推出了第一代旁路優(yōu)先運(yùn)行模式，即經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（Economic，ECO）模式。在ECO模式下，旁路平時由市電供電、逆變器后備待機(jī)，市電故障和異常時才由逆變器供電，效率提高到了98%。由于市電電網(wǎng)故障千變?nèi)f化，ECO模式采用的逆變器離線熱備運(yùn)行方式不能可靠保證每次及時從旁路模式切換到逆變器模式。當(dāng)切換時間超過IT設(shè)備能夠承受的范圍時，就有可能會造成IT設(shè)備宕機(jī)或重啟，降低UPS可用性。此外，對市電沒有過濾功能，供電質(zhì)量會隨電網(wǎng)的質(zhì)量而波動。為了解決此類問題，UPS廠商在2010年研究開發(fā)了新一代的旁路優(yōu)先運(yùn)行模式，按推出時間依次為交流直供模式、E變換模式、超級旁路模式以及智能旁路模式等。盡管各模式的命名不同，但模式的核心技術(shù)思想基本相同。

新一代旁路優(yōu)先運(yùn)行模式與早期ECO模式的區(qū)別是逆變器與旁路市電并聯(lián)工作，即采用了逆變器在線熱備的運(yùn)行方式。逆變器精確控制實(shí)現(xiàn)了由旁路的市電提供有功功率（基波電流）、逆變器提供無功功率（相移電流和諧波電流），兩者組成負(fù)載所需要的電流[1]。市電的輸入功率因數(shù)可達(dá)到大于0.99，輸入的電流諧波可小于3%。當(dāng)市電出現(xiàn)問題時，會自動關(guān)斷旁路市電供電，從而達(dá)到高可用性要求。新一代旁路優(yōu)先運(yùn)行模式的另一優(yōu)點(diǎn)是逆變器僅進(jìn)行了部分無功功率的補(bǔ)償，長期處于微載運(yùn)行狀態(tài)，極大地緩解了元器件的疲勞老化，提高了系統(tǒng)可用性，效率高達(dá)99%，完全滿足高可用性、高效率以及高性能指標(biāo)的要求。

2.2 多電平整流逆變技術(shù)的雙變換模式

傳統(tǒng)的三相工頻UPS采用相控整流器和兩電平逆變器技術(shù)，而常見的高頻UPS采用兩電平整流器和兩電平逆變器技術(shù)。為了表述方便，后續(xù)將整流器和逆變器統(tǒng)稱為變換器。以典型高頻UPS的800 V直流母線電壓為例，兩電平架構(gòu)中功率器件絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的開通電壓與關(guān)斷電壓都是800 V，就必須挑選耐壓值為 1 200 V 或 1 500 V 的 IGBT 功率器件，這樣不僅其功率器件的承壓高、變換器的開關(guān)損耗高，而且UPS的輸出電壓波形差、效率低下。而三電平變換器的UPS通過功率器件的串聯(lián)使IGBT的開通與關(guān)斷電壓降為兩電平的一半，功率器件的承壓也降為原來的一半，變換器的開關(guān)損耗大幅降低，同時UPS的輸出波形更接近于正弦波。整流、逆變?nèi)坎捎盟碾娖阶儞Q器，使得功率器件的承壓降低到直流母線電壓的1/3，逆變器的可用性得到進(jìn)一步提高。

從理論上來講，相對于兩電平變換器，三電平變換器（I型）是通過功率器件的串聯(lián)方式來分擔(dān)800 V的直流母線電壓，將每一只功率器件的承壓降到400 V，這樣就可以選擇600 V或者800 V耐壓的功率器件。而四電平逆變器能夠使功率器件的承壓進(jìn)一步降低到直流母線電壓的1/3，可以采用500 V或者600 V耐壓的功率器件。但實(shí)際上，由于元件本身的差異，2個串聯(lián)開關(guān)管承受的的電壓不可能完全相同，因此三電平和四電平變換器中選擇1 200 V耐壓的功率器件數(shù)量與兩電平相同。

目前，市場上主流的高頻UPS分別采用以下3種方案。一是兩電平整流器+兩電平逆變器，效率約為94%；二是三電平整流器+三電平逆變器，效率約為96%；三是兩電平整流器+四電平逆變器，效率約為96.5%。多電平逆變器的缺點(diǎn)在于成倍增加了功率器件的數(shù)量，這不僅提高了制造成本，而且控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，故障率也會相應(yīng)提高。從目前UPS的最優(yōu)效率看，通過在整流器、逆變器都采用三電平技術(shù)的UPS中使用部分碳化硅型功率器件，已經(jīng)可以使UPS的整機(jī)效率達(dá)到97.5%[2]。隨著碳化硅器件的進(jìn)一步發(fā)展和成本降低，全三電平UPS將會大力發(fā)展，其效率也會有所提升。

2.3 鋰電儲能運(yùn)行模式

大部分的數(shù)據(jù)中心均采用兩路市電+柴發(fā)供電方式，UPS的蓄電池長期處于冷備狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，中國10 kV電網(wǎng)的年平均斷電次數(shù)為1.22次。在配置全自動啟動發(fā)電機(jī)的情況下，從柴發(fā)啟動到與市電的切換可以在2 min內(nèi)完成，每年蓄電池的利用率非常低。目前，數(shù)據(jù)中心主流的蓄電池為鉛酸電池，其生命周期在5年左右。對于UPS系統(tǒng)來說，在10～15年的運(yùn)行周期中需要更換2～3次的蓄電池，蓄電池維護(hù)成本超過UPS主機(jī)的成本。隨著鋰電池的出現(xiàn)，為數(shù)據(jù)中心供電的節(jié)能帶來新的機(jī)遇。

2.3.1 鋰電池應(yīng)用新模式

鋰電池在UPS系統(tǒng)中有2種應(yīng)用模式，分別是后備電池的被動工作模式和儲能的主動工作模式。從鉛酸電池?fù)Q成鋰電池可以帶來電池使用壽命、循環(huán)次數(shù)的極大提升，同時減少重量和占用場地的面積。利用鋰電池5 000～15 000次的循環(huán)壽命，主動在電網(wǎng)、UPS、負(fù)載之間進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)扛峰功能和峰谷電價套利功能，使得三相UPS電源進(jìn)入到一個嶄新的分布式儲能應(yīng)用場景。鋰電池的主動儲能工作模式將使得鋰電池的價值得到極大程度的發(fā)揮，同時鋰電池自帶電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），無需日常維護(hù)。

2.3.2 鋰電池向UPS下游負(fù)載供電的峰谷電價套利功能

目前有很多城市推行峰谷電價計(jì)費(fèi)模式，可以根據(jù)時段主動控制鋰電池工作，即電價便宜時充電、電價峰值時放電，利用電價差進(jìn)行套利。對于具有10 MW UPS下游負(fù)載和2 h鋰電儲能的數(shù)據(jù)中心來說，每年可節(jié)約數(shù)千萬元的電費(fèi)，在較短的年份內(nèi)快速收回儲能電池成本。

2.3.3 鋰電池將推動數(shù)據(jù)中心儲能建設(shè)

目前，鋰電池的優(yōu)越特性正成為數(shù)據(jù)中心儲能應(yīng)用的新動向。國內(nèi)外的超大型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心正在積極利用數(shù)據(jù)中心內(nèi)配置的大量UPS+儲能鋰電資源，嘗試在數(shù)據(jù)中心配置中去除柴油發(fā)電機(jī)，并將數(shù)據(jù)中心打造成數(shù)字能源工廠，不僅節(jié)約了大量的資本性支出（Capital Expenditure，CAPEX），還節(jié)省了未來油機(jī)維護(hù)、每年換油等運(yùn)維成本（Operating Expense，OPEX）。同時通過UPS整流器的反向供電功能，還可以向數(shù)據(jù)中心內(nèi)的非UPS負(fù)載進(jìn)行“低充高放”的儲能供電。

3 新一代一體化電源系統(tǒng)

近年來，阿里巴巴基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)部門在大量數(shù)據(jù)機(jī)房的供電實(shí)踐中將傳統(tǒng)的中壓變壓器與高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）電源進(jìn)行融合創(chuàng)新，和其供應(yīng)商一起合作開發(fā)了新的數(shù)據(jù)中心一體化電源系統(tǒng)，即巴拿馬電源[3]。巴拿馬電源將10 kV的交流配電單元、隔離變壓器、模塊化整流器以及輸出配電單元等集成在一起，采用移相變壓器取代傳統(tǒng)的變壓器，并對直流10 kV到240 V的整個供電鏈路進(jìn)行了優(yōu)化組合，提高了效率。蓄電池單獨(dú)安裝，系統(tǒng)擴(kuò)容可以根據(jù)需求進(jìn)行靈活配置。巴拿馬電源和傳統(tǒng)供電方案的對比如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)供電方案與巴拿馬供電方案的對比

3.1 巴拿馬電源原理與架構(gòu)

巴拿馬電源利用多脈沖移相變壓器，實(shí)現(xiàn)低總諧波電流失真（Total Harmonic Current Distortion，THDi）、高功率因數(shù)（Power Factor，PF），去掉了傳統(tǒng) 240 V/336 V HVDC 功率模塊內(nèi)部的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)和HVDC電源標(biāo)準(zhǔn)要求的隔離功能。相較于HVDC的三級變換，巴拿馬電源模塊只需兩級變換就可實(shí)現(xiàn)，拓?fù)溆兴鶅?yōu)化，模塊效率最大可以達(dá)到98.5%。相比于HVDC模塊的最大效率96%，其效率優(yōu)勢顯著。此外，巴拿馬電源中30 kW的功率模塊和傳統(tǒng)240 V直流系統(tǒng)中15 kW的模塊體積一樣大。巴拿馬電源組成原理如圖3所示。

圖3 巴拿馬電源組成原理

從整體結(jié)構(gòu)看，巴拿馬電源由10 kV中壓柜、移相變壓器柜、整流輸出柜、交流分配柜組成。巴拿馬電源組成單元如圖4所示，巴拿馬電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 巴拿馬電源方案組成單元

圖5 巴拿馬電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 巴拿馬電源方案的優(yōu)勢

3.2.1 占地面積小

巴拿馬電源的架構(gòu)比傳統(tǒng)的供電架構(gòu)更加簡潔，配電或功率變換環(huán)節(jié)少，中壓或低壓融為一體，占地面積大大減少，可節(jié)省30%的場地。

3.2.2 交付速度快

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的配電包括了中壓設(shè)備、變壓器、功率補(bǔ)償設(shè)備、諧波治理設(shè)備、低壓配電設(shè)備以及UPS等，任何一個設(shè)備需求、設(shè)計(jì)、采購、實(shí)施的變化都會導(dǎo)致關(guān)聯(lián)設(shè)備系統(tǒng)的變化，從而引起大量電纜（或母線）的鏈接、技術(shù)參數(shù)、通信協(xié)議的調(diào)整等問題。而新型的一體化電源系統(tǒng)集成了從中壓輸入到直流輸出等多個環(huán)節(jié)，自成一個完整鏈路，可以預(yù)制化、預(yù)先測試化、隨需擴(kuò)容，工程現(xiàn)場只需將其進(jìn)行簡單拼裝，大幅減少中間配電柜的數(shù)量，縮短建設(shè)工期，加快交付速度。

3.2.3 提高效率

采用移相變壓器，省掉功率因數(shù)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，移相變壓器的效率為99%，整流調(diào)壓部分的峰值效率為98%，整體峰值效率可達(dá)到97.5%。傳統(tǒng)HVDC模塊方案與巴拿馬電源方案的效率對比如圖6所示。在輕載條件下，巴拿馬方案的效率優(yōu)勢更明顯。

圖6 傳統(tǒng)HVDC模塊方案與巴拿馬電源方案的效率對比

3.2.4 降低成本

巴拿馬電源去除了部分中間配電環(huán)節(jié)，設(shè)備的使用量變少，結(jié)構(gòu)上更加緊湊，減少了工程施工量，同時有效節(jié)省了投資成本。通用HVDC電源與巴拿馬電源結(jié)構(gòu)比對如圖7所示。

此外，將巴拿馬電源系統(tǒng)與目前主流的交流UPS、240 V/336 V HVDC進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 巴拿馬電源與UPS、HVDC電源的對比

3.3 巴拿馬電源需要關(guān)注的問題

3.3.1 使用壽命

傳統(tǒng)變壓器設(shè)備、開關(guān)、配電線路經(jīng)過多年的發(fā)展，安全性、可靠性非常高，運(yùn)行維護(hù)得當(dāng)?shù)那闆r下一般能使用15～20年。整流設(shè)備包含大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，其可靠性相對于傳統(tǒng)高低配設(shè)備低一些，一般使用年限是8～12年。巴拿馬電源含有大量的整流設(shè)備，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其可靠性比單獨(dú)的整流設(shè)備低。按照《巴拿馬供電技術(shù)白皮書》提供的技術(shù)指標(biāo)，巴拿馬系統(tǒng)設(shè)備壽命為20年，其中整流模塊壽命為10年，與目前主流的傳統(tǒng)設(shè)備差異不大。

3.3.2 變壓器的可靠性

傳統(tǒng)的10 kV變壓器中，原邊和副邊都僅有3個線圈繞組。而巴拿馬電源的10 kV移相變壓器原邊還是3個繞組，副邊卻有30個繞組，這對繞組工藝的要求非常高，稍有不慎都可能使繞制的變壓器完全報廢。此外，變壓器高達(dá)33個原副邊繞組的電磁耦合也使其運(yùn)行安全風(fēng)險遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)10 kV中壓變壓器。

3.3.3 變壓器的諧波發(fā)熱問題

巴拿馬電源去掉了傳統(tǒng) 240 V/336 V HVDC 功率模塊內(nèi)部的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，代以傳統(tǒng)的不可控直接整流，這意味著不可控三相整流器產(chǎn)生的大量諧波將進(jìn)入變壓器的30個副邊繞組，并導(dǎo)致副邊繞組的發(fā)熱量大幅提升，增大變壓器故障和絕緣加速老化的風(fēng)險。

3.3.4 對負(fù)載平衡的能力

巴拿馬電源的高壓直流模塊無輸入功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC），由移相變壓器各繞組耦合來調(diào)整。服務(wù)器的負(fù)載量平衡分布在各高壓直流模塊之間，只有使移相變壓器各繞組的輸出帶載量均衡，才能實(shí)現(xiàn)市電網(wǎng)的輸入諧波指標(biāo)達(dá)標(biāo)。巴拿馬電源對負(fù)載平衡度要求高，負(fù)載輕時需要做好移相變壓器的各項(xiàng)輸出負(fù)載平衡。

3.3.5 適應(yīng)性

目前HVDC模式的電源主要是在較大量級的數(shù)據(jù)中心和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）使用，傳統(tǒng)的企業(yè)級數(shù)據(jù)中心（Enterprise Data Center，EDC）還是采用傳統(tǒng)2N的雙變換UPS模式。巴拿馬電源只能用于采用高壓柴發(fā)的數(shù)據(jù)中心（規(guī)模大于MW級），對小規(guī)模的數(shù)據(jù)中心并不適用。

4 變壓器在數(shù)據(jù)中心節(jié)能應(yīng)用與發(fā)展

4.1 變壓器的損耗

目前數(shù)據(jù)中心使用的變壓器以SCB環(huán)氧樹脂干式變壓器為主，變壓器的損耗來自于銅損和鐵損，在供電系統(tǒng)損耗中所占的比重較大，降低變壓器的損耗對提高數(shù)據(jù)中心的能效具有重要意義。

4.1.1 銅 損

變壓器的原、副繞組中都有一定的電阻，當(dāng)電流流過繞組時就會產(chǎn)生熱效應(yīng)消耗電能，這就是銅損。變壓器的銅損取決于負(fù)載電流的大小和繞組的阻值，也稱為可變損耗。在某一確定負(fù)載下，變壓器的銅損等于變壓器負(fù)載系數(shù)的平方與其定額銅損的乘積。

4.1.2 鐵 損

變壓器的鐵損包括2個方面，分別是磁滯損耗和渦流損耗。當(dāng)交流電流通過變壓器時，通過變壓器硅鋼片的磁力線會產(chǎn)生方向和大小的變化，使得硅鋼片內(nèi)部分子相互摩擦并放出熱能，從而損耗了一部分電能，這就是磁滯損耗。當(dāng)變壓器工作時，鐵芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流自成閉合回路形成環(huán)流且呈旋渦狀，故稱為渦流。渦流的存在使鐵芯發(fā)熱、消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。鐵損為不變的損耗，與負(fù)載電流的大小和性質(zhì)無關(guān)。以一個2 500 kVA的SCB11變壓器為例，空載損耗為 3 000 W，帶載損耗為 14 000 W，實(shí)際總損耗是 17 000 kW，每年消耗約148 920 kW·h 的能量，需要特別關(guān)注變壓器的節(jié)能問題。

4.2 非晶合金變壓器

非晶合金變壓器是采用非晶合金替代硅鋼片的新型節(jié)能變壓器。非晶合金是通過超急冷凝固的工藝，在合金凝固時原子來不及有序排列結(jié)晶形成長程無序結(jié)構(gòu)固態(tài)合金。這種非晶合金與傳統(tǒng)的硅鋼片相比具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、高激磁電流以及低鐵損等優(yōu)點(diǎn)。將其用作變壓器鐵芯的材料，能夠做到低損耗、高能效。非晶合金變壓器的空載損耗比采用硅鋼作為鐵芯的變壓器低70%～80%，是目前節(jié)能效果最理想的配電變壓器。2 000 kVA傳統(tǒng)變壓器與2 000 kVA非晶合金變壓器的對比如表2所示。

表2 傳統(tǒng)變壓器與非晶合金變壓器對比

4.3 國家新標(biāo)準(zhǔn)對變壓器能效的要求

目前，《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》（GB 20052—2013）和《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB 24790—2009）已執(zhí)行多年。隨著節(jié)能環(huán)保新政策的出臺，也推動了變壓器能效限定和等級標(biāo)準(zhǔn)的修訂。通過將以上2個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，中國國家市場監(jiān)督管理總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會在2020年5月29日正式發(fā)布了新標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器能效限定值及能效等級》（GB 20052—2020），2021年6月1日正式實(shí)施[4]。為了方便表述，以下將《電力變壓器能效限定值及能效等級》簡稱為新標(biāo)。

新標(biāo)對10 kV硅鋼干式變壓器各個等級的能效進(jìn)行了新的規(guī)定，如表3所示。

表3 新標(biāo)的10 kV硅鋼干式變壓器等級能效指標(biāo)

新標(biāo)對10 kV非晶合金干變各個等級的能效進(jìn)行了新的規(guī)定，如表4所示。

表4 新標(biāo)對10 kV非合金干式變壓器等級能效指標(biāo)

以2 500 kVA的硅鋼變壓器為例，新標(biāo)與原標(biāo)準(zhǔn)（GB 20052—2013）的能效指標(biāo)如表5所示。其中，負(fù)載損耗均是150 ℃時的計(jì)算結(jié)果。

表5 新標(biāo)對2 500 kVA硅鋼變壓器能效指標(biāo)

以2 500 kVA的非晶合金變壓器為例，新標(biāo)與原標(biāo)準(zhǔn)（GB 20052—2013）的能效指標(biāo)如表6所示。其中，負(fù)載損耗均是150 ℃時的計(jì)算結(jié)果。

表6 2 500 kVA非晶合金變壓器能效指標(biāo)

4.4 非晶合金鐵芯變壓器的發(fā)展

我國從20世紀(jì)90年代初開始生產(chǎn)和使用非晶合金變壓器，2011年在甘肅省白銀市正式并網(wǎng)運(yùn)行的世界首座超導(dǎo)變電站就安裝了當(dāng)時世界上最大的非晶合金變壓器。近年來，非晶合金變壓器已經(jīng)在IDC得到大力推廣，具有良好的節(jié)能效益[5]。隨著世界各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，在我國提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的大背景下，非晶合金變壓器將有著更廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

綜上所述，數(shù)據(jù)中心規(guī)模的快速增長和數(shù)據(jù)中心的高能耗問題已經(jīng)引起相關(guān)部門的高度關(guān)注，在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的推動下，節(jié)能、綠色將貫穿數(shù)據(jù)中心全生命周期，除了使用高效的節(jié)能產(chǎn)品之外，還可以向使用可再生的清潔能源和高效的儲能方式發(fā)展。