在我国“十四五”节能减排、绿色经济的发展要求下,2019年2月,工业和信息化部、国家机关事务管理局和国家能源局发布《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》[1],提出到2022年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下,高能耗老旧设备基本淘汰。具体的重点工作任务包括加强在用数据中心绿色运维和改造、加快绿色技术产品创新推广、提升绿色支撑服务能力和探索与创新市场推动机制。
　　
　　供配电系统损耗是数据中心电力消耗的主要部分,而UPS的损耗又占据了供配电系统损耗的70%,为了降低UPS的损耗,一方面从提升UPS设备的效率入手,另一方面,通过新型的供配电拓扑和供电制式来优化供电设备的运行方式,进而提升效率。近几年来,基于“零级变换”的交流直供供电模式(国外称为EnergySavingSystem,以下简称ESS)正在数据中心领域逐步取代基于“两级变换”的UPS双变换供电模式和基于“三级变换”的HVDC高压直流供电模式，在保证数据中心全域负载高可靠供电的同时，实现了高达99%的电源效率[5]。
　　
　　1 数据中心能效水平PUE及其发展趋势
　　
　　数据中心的能效水平通常用PUE指标来衡量:PUE=数据中心输入总功率/IT设备消耗的功率
　　
　　这里的数据中心输入总功率=IT设备功耗+供配电系统的损耗+制冷系统的功耗+其它设备功耗(如照明,安防,BA系统、消防等)。可见,降低供配电系统的损耗是降低PUE的有效途径之一。
　　
　　根据全国137个数据中心实测运营数据统计结果显示,最优运行数据中心年平均PUE值为1.10,137个数据中心平均PUE值为1.48。全年平均PUE值低于1.3的数据中心占所有调研数据中心的9.5%，全年平均PUE值为1.3～1.6的数据中心占所有调研数据中心的62.0%，全年PUE值为1.6以上的数据中心占所有调研数据中心的28.5%，如图1所示。
　　
　　除此之外,行业内权威机构也有大量关于数据中心能效的报告,据工信部信息通信发展司《全国数据中心应用发展指引(2020)》[2],全国数据中心能效水平保持平稳,截至2019年年底,全国超大型数据中心平均PUE值为1.46,大型数据中心平均PUE值为1.55,与前两年相比水平相当,最优水平达到1.15。全国规划在建数据中心平均设计PUE值为1.41左右,超大型、大型数据中心平均设计PUE值分别为1.36、1.39。
　　
　　2 交流直供供电制式诞生的背景
　　
　　如前所述,数据中心电力消耗主要分为IT设备、制冷设备、供配电系统和其他设施四大部分[3],而供配电系统电力损耗分为变压器损耗、UPS损耗和电力线路损耗三个方面。以某3600个机柜、单机柜4.4kW的数据中心为例,该数据中心的IT负载电力总容量为15.84MW,变压器损耗约为IT功耗的1.90%,UPS损耗约为IT功耗的7.5%,电力线路各个环节产生的总损耗约为IT功耗的1%。
　　
　　从上述调查可以看出供电电源的损耗约占供电系统损耗的70%,是影响数据中心PUE的重要一环,如何提升供电电源的效率也成为数据中心用户和电源研制单位关注的重点。数据中心供电电源的效率提升目前面临两个难点,一是供电电源作为一种电力电子设备,其研制已经非常成熟,电源效率的提升也已经基本达到极限,目前主流电源产品的满载效率均在92%～96%;二是数据中心电源的负载率一般不会达到满载,按GB50174的要求,UPS的基本容量应不小于负荷的1.2倍[4],即最大的负载率应在80%左右。大多数数据中心2N架构的负载率一般在40%,甚至更低至10%～20%。因此数据中心供电电源在低负载率时其效率会降低至85%～90%,对PUE值的降低带来进一步的挑战。
　　
　　为此,用户和电源研制单位近年来一方面对新型的低损耗半导体开关器件,如SiC进行应用研究,如某新型模块化UPS产品通过采用了SiC器件,将满载效率提升到97.5%[5];另一方面,业界研究人员也将效率提升的关注点从单纯的改进电力电子设备本身转移到创新供电电源拓扑,改变数据中心供电制式这一新的研究领域,通过系统级的革新来提升供电电源的整体效率。
　　
　　特别是由于现今机房电源主流产品对输入电压具有宽泛的适应能力,如图2所示机房电源的交流前端AC-DC模块,具有85～264V的宽输入范围,其频率范围是47～440Hz[6]。以另一款机房电源系统为例,其输入电源的指标要求为,输入电压85～300Vac(L-N),额定220Vac输入频率45～66Hz,额定50Hz/60Hz[7],其适应能力超出YD/T1818-2018电信数据中心电源系统中对输入电压的要求:交流输入电压85%～110%,频率偏差+2.5Hz[8]。
　　
　　在此情况下,基于无后备的市电直供系统在与其它电源的组合中已经得到了部分应用，典型的如市电直供+HVDC高压直流的双路供电系统、市电直供主用+HVDC高压直流热备的混合供电系统等[3],验证了市电直接供电对IT设备并没有任何损害的现实。但是,由于无后备市电直供的固有断电风险,这一制式在近年的数据中心应用中正在被逐渐改造回能耗增高一倍的HVDC真2N架构。
　　
　　但是,如果把市电直供用本文将要讨论的交流直供供电制式来代替,则既可以解决电源系统的节能问题,又能保证负载不受市电停电的困扰。下面将对交流直供制式(ESS)的工作原理、效率、可靠性、节能实例等方面进行详述。
　　
　　3 交流直供供电制式（ESS）
　　
　　交流直供制式(ESS)通过具有该功能的标准UPS来实现。当UPS在市电网正常时,市电通过UPS的静态旁路向负载供电,主回路的整流、逆变器处于休眠状态,如图3所示。当市电超限或故障时转到双变换模式向负载供电,这一切换的典型时间小于2ms,充分满足负载“不间断”的供电要求。
　　
　　如图4所示,在当今数据中心UPS载率普遍在50%以下的轻载现状,在ESS模式下运行,UPS的最高实用效率99%,相比双变换下的轻载效率具有显著优势。
　　
　　(1)交流直供(ESS)与传统UPS的经济运行模式(ECO)的区别
　　
　　多年来,很多普通UPS产品都具有常规的“经济运行模式(ECO)”功能。交流直供模式(ESS)与UPS传统的ECO模式的区别见表1。
　　
　　(2)交流直供供电制式(ESS)对市电浪涌的抑制能力
　　
　　传统的ECO模式对市电浪涌没有抑制能力。ESS与传统的ECO模式不同,ESS利用UPS输入和输出滤波器电容器来抑制陡峭的前端输入浪涌电压。此外,ESS系统的浪涌抑制特性补充了浪涌保护装置SPD提供的抑制。因此,ESS通过减少必须吸收的能量来提高机房负载电源的可靠性并延长其使用寿命。
　　
　　图5提供了在ESS系统中吸收传入浪涌工作的电容器的简化视图。通过每个UPM输入、输出滤波电容可有效地衰减浪涌电压,必要时还可以实现基于逆变器的反向工作的有源滤波功能。
　　
　　(3)交流直供供电制式(ESS)对系统可靠性的提升
　　
　　此外,图6表明,在市电输入与旁路输入双电源的情况下,在发生市电中断时,双变换UPS可保护负载,直到其电池能量耗尽;如果旁路市电恢复,将转回到静态旁路(以下简称STSW)。在同样情况下,带ESS的UPS将维持在ESS模式下运行,并且仅在发生STSW输入中断时传输至电池操作。因此,ESS可以在转换到电池模式和耗尽电池电量切换到静态旁路时承受两次电源中断,这是争取最大可用性时的重要考虑因素。
　　
　　(4)交流直供供电制式(ESS)对组件可靠性的提升
　　
　　UPS中风扇、开关及接触器等机电设备对UPS的正常工作具有重要影响。这些设备均包含运动部件,这些部件会磨损,在寿命末期最终会失效。在配备ESS的UPS中风扇通常处于关闭状态,除非设备正在为电池充电并需要额外的冷却电源。因此,ESS系统中的风扇通常具有更长的使用寿命,并且不易发生故障,从而提升UPS的MTBF。
　　
　　同样,ESS利用STSW路径为负载供电,并且仅在电能质量条件严重降低或需要为电池充电时,才依赖整流器和逆变器作为备用资源。因此,每当UPS处于ESS模式时,整流器和逆变器基本上都处于维持控制逻辑运算而功率变换模块静止状态,因此受到的电应力和热应力非常小。事实上,即使给电池充电,ESS系统的整流器和逆变器的负载和压力也很小。这可以显著延长其使用寿命和可靠性。
　　
　　最后,ESS模式下逆变输出静态开关和接触器等始终处于闭合状态,可减轻器件的压力,避免器件的物理切换导致的故障率提高,提高了系统的整体可靠性。
　　
　　总之,ESS设计的可减少机电设备的磨损,延长机电组件的使用寿命,降低功率变换模块的应力,从而提高UPS电源整体可靠性。
　　
　　(4)交流直供供电制式(ESS)节能效率实用案例
　　
　　与数据中心IT设备相比,为IT设备供应全域芯片的芯片制造设备的精密性与对供电可靠性要求,都是有过之而无不及。某全球半导体行业头部企业的一厂区UPS总计有340台,当厂内大量使用UPS系统来维持供电质量时,其能耗十分惊人。当该工厂采用ESS节能模式后,与之前的双变换模式相比约有4%～10%效率差异,平均有6%之节能空间。在ESS模式下,经电表实际验证UPS效率与负载率关系曲线如图7所示,图7中2016年UPS采用双变换供电制式(浅色曲线),2017年切换为ESS交流直供制式(深色曲线),可以看到与原厂所提供之效率曲线(图4)数据基本吻合,经一整年度负载率与效率的验证可达到每年31.8百万度电的节能效益[9]。
　　
　　4 结束语
　　
　　综上所述,数据中心供电制式从两级变换的UPS双变换制式,“一级变换”(实际为三级变换)的HVDC制式,最终到零级变换的交流直供制式,这是绿色数据中心时代的必然选择。交流直供供电制式(ESS)的零级变换和安全切换技术为数据中心节能降耗提供了一种创新的解决方案,完美地平衡了效率、负载供电电能质量及供电电源可靠性三方面的严苛要求。相信在我国“十四五”对节能减排、绿色环保的总体要求,以及5G时代数据中心蓬勃发展的形势下,交流直供供电制式(ESS)将为广大数据中心用户在低碳减排和降低运营成本方面带来新的价值与体验。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]关于加强绿色数据中心建设的指导意见,工信部联节〔2019〕24号,三部门关于加强绿色数据中心建设的指导意见_部门政务_中国政府网(www.gov.cn)
　　
　　[2]《全国数据中心应用发展指引(2020)》,ODCC(开放数据中心委员会)解读《全国数据中心应用发展指引(2020)》_中华网(china.com)
　　
　　[3]新国标数据中心能效限定值及能效等级(编制说明)
　　
　　[4]GB50174-2017数据中心设计规范
　　
　　[5]王伟,张健,叶向阳,《大数据与算力驱动下的数据中心供电制式变革》,UPS应用杂志,2021-第3期
　　
　　[6]Eaton93PRUPS中文版L-00136-00单页版
　　
　　[7]Vicor产品目录
　　
　　[8]组合式机房电源系统TP481200B-N20B1
　　
　　[9]YD/T1818-2018电信数据中心电源系统
　　
　　作者简介
　　
　　郭伟峰,伊顿电能质量业务中国区技术支持经理,博士,研究方向为电能质量控制技术、数据中心供配电系统工程与应用技术。
　　
　　王兵,伊顿电能质量业务西区应用技术经理,在供配电及数据中心动力系统行业有近二十年的技术与实践经验。
　　
　　编辑：Harris