數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能措施

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能措施數(shù)據(jù)中心，作為新基建-數(shù)字經(jīng)濟(jì)的底座，是推進(jìn)我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的算力設(shè)施和重要保障，是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要抓手，也是構(gòu)建智慧城市核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要載體。2021年，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)到2166億千瓦時(shí)，占社會(huì)用電量2.6%，相當(dāng)于同年1.3個(gè)上海市的總社會(huì)用電量。隨著國(guó)家各級(jí)政府出臺(tái)政策對(duì)數(shù)據(jù)中心能源消費(fèi)強(qiáng)度和總量“雙控”的嚴(yán)格要求及國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的提出，數(shù)據(jù)中心綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行，高效低耗能成為數(shù)據(jù)中心行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。數(shù)據(jù)中心能耗主要來(lái)源于IT設(shè)備、制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、其他輔助用電等。其中IT設(shè)備能耗比重最大，其次是制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、其他輔助用電等。以某數(shù)據(jù)中心PUE1.25為例，各系統(tǒng)能耗大致如下：數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗應(yīng)從以下兩個(gè)方面著手，第一是提高IT設(shè)備的利用率，節(jié)省運(yùn)行設(shè)備數(shù)量，降低其能耗和發(fā)熱量；第二是提高制冷和配電系統(tǒng)效率。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)16%的能耗比重僅次于IT設(shè)備，降低制冷系統(tǒng)能耗能很好的控制PUE，因此制冷系統(tǒng)能耗備受關(guān)注。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)損耗所占能耗約3%，如采用合理優(yōu)化，也能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。本文對(duì)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的節(jié)能措施方案進(jìn)行分析探討。01系統(tǒng)架構(gòu)1、合理采用DR配電系統(tǒng)架構(gòu)，提升系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)損耗GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》在附錄“電氣”中規(guī)定：A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)滿足容錯(cuò)要求，除采用2N系統(tǒng)，也可采用其他避免單點(diǎn)故障的系統(tǒng)配置。依此標(biāo)準(zhǔn)，A級(jí)數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)可分為2N、DR、RR架構(gòu)，通常來(lái)講，設(shè)備冗余越多，系統(tǒng)的可靠性越高，但效率越低。2N、DR系統(tǒng)架構(gòu)可用性基本相同，在設(shè)計(jì)規(guī)劃中選用DR系統(tǒng)架構(gòu)較2N系統(tǒng)架構(gòu)可以進(jìn)一步提高變壓器及UPS的負(fù)載率，進(jìn)而降低損耗，提升系統(tǒng)效率。以數(shù)據(jù)中心3個(gè)機(jī)房，單個(gè)機(jī)房IT負(fù)荷1000kW為例。變壓器采用2N架構(gòu)，選用6臺(tái)1250kVA變壓器，每臺(tái)變壓器負(fù)載率約為42.5%(不考慮UPS充電功率)，選用6套2x600kVAUPS，每組UPS負(fù)載率42.5%，效率約為95%。變壓器采用DR架構(gòu)，選用3臺(tái)1600kVA變壓器，每臺(tái)變壓器負(fù)載率約66.2%(不考慮UPS充電功率)，選用3套3x500kVAUPS，每臺(tái)UPS負(fù)載率為68%，效率為96%。由此可見(jiàn)，選用DR配電架構(gòu)較2N架構(gòu)可以減少變壓器數(shù)量需求，提高UPS的負(fù)載率，進(jìn)而提升UPS效率，降低損耗。采用DR系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)電氣系統(tǒng)供電負(fù)載因子能帶來(lái)約1%的改善值。2、IT配電系統(tǒng)采用市電+UPS(HVDC)的架構(gòu)模式，利用市電直供降低IT配電系統(tǒng)損耗(1)市電+UPS（HVDC）混合使用；(2)UPS（HVDC）模塊具備智能休眠功能；(3)采用市電+UPS（HVDC）直供時(shí)，市電供電質(zhì)量應(yīng)滿足IT設(shè)備正常運(yùn)行要求；(4)采用HVDC時(shí)IT設(shè)備需采用定制的電源模塊；(5）為減少對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響，IT設(shè)備電源的功率因數(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。IT配電采用1路市電+1路UPS(HVDC)供電系統(tǒng)的效率與傳統(tǒng)雙路UPS系統(tǒng)供電對(duì)系統(tǒng)整體效率能帶來(lái)約2%的改善值。IT配電采用1路市電+1路UPS供電系統(tǒng)的電源效率IT配電采用1路市電+1路HVDC供電系統(tǒng)的電源效率IT配電采用2路UPS供電系統(tǒng)的電源效率02諧波治理與無(wú)功補(bǔ)償數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備、UPS、變頻設(shè)備等會(huì)產(chǎn)生大量諧波，為消除配電系統(tǒng)諧波影響，通常情況下在配電室采用集中自動(dòng)補(bǔ)償、諧波治理裝置，如SVG+APF補(bǔ)償裝置，用以實(shí)時(shí)控制諧波含量，并將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95以上，從而達(dá)到減少電能損耗的目的。03設(shè)備選型數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)主要耗能設(shè)備包括變壓器及UPS(HVDC)，對(duì)變壓器、UPS(HVDC)設(shè)備選型時(shí)，建議選用新型節(jié)能設(shè)備或技術(shù)減少設(shè)備自身能耗，提供系統(tǒng)整體節(jié)能效果。1、采用低損耗、高能效的變壓器根據(jù)《GB20052-2020電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，同等電工鋼帶變壓器2級(jí)能效比3級(jí)能效空載損耗低15%，負(fù)載損耗低10%；同等容量同能效等級(jí)非晶合金變壓器比電工鋼帶變壓器空載損耗低60%，負(fù)載損耗相同。能效等級(jí)1級(jí)的變壓器空載損耗與負(fù)載損耗最低，非晶合金變壓器空載損耗優(yōu)勢(shì)明顯，同等容量同能效等級(jí)條件下采用非晶合金變壓器對(duì)電氣系統(tǒng)供電負(fù)載因子能帶來(lái)約0.001的改善值。非晶合金變壓器較傳統(tǒng)硅鋼片變壓器在能效損耗上具有優(yōu)勢(shì)，但其體積大，造價(jià)高，材料加工困難，同時(shí)非晶合金產(chǎn)生的磁致伸縮會(huì)導(dǎo)致非晶合金變壓器噪聲升高。目前A級(jí)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)通常采用2N架構(gòu)，變壓器常時(shí)運(yùn)行負(fù)荷低于50%，空載損耗低對(duì)節(jié)能更加有利。變壓器的空載損耗+負(fù)載損耗通常不高于1%。2、利用變壓器的過(guò)載能力降低變壓器的配置容量，減少系統(tǒng)的變壓器空載損耗，帶來(lái)節(jié)能效果數(shù)據(jù)中心UPS負(fù)載率根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017第8.1.7條：確定不間斷電源系統(tǒng)的基本容量時(shí)應(yīng)留有余量。不間斷電源系統(tǒng)的基本容量可按下式計(jì)算：E≥1.2PE——不間斷電源系統(tǒng)的基本容量（kW/kVA）P——電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷（kW/kVA）P/E≤1/1.2=83.33%，即負(fù)載率不大于83.33%依照UPS負(fù)載率標(biāo)準(zhǔn)，變壓器負(fù)載率見(jiàn)下表：由此可見(jiàn)，當(dāng)UPS容量與變壓器容量一致時(shí)，變壓器常時(shí)負(fù)載率約為45%左右，當(dāng)UPS的容量高于變壓器20%左右時(shí)，變壓器負(fù)載率為55%左右，變壓器滿載時(shí)的過(guò)載率不超過(guò)10%，也處于比較合理位置。合理的變壓器過(guò)載能力能夠降低配電系統(tǒng)對(duì)變壓器容量的需求，對(duì)提升系統(tǒng)節(jié)能降耗起到正向作用。3、HVDC設(shè)備高壓直流系統(tǒng)（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(jiān)測(cè)單元及監(jiān)控模塊組成。市電正常時(shí)，整流模塊將380V交流電轉(zhuǎn)換成240V高壓直流，高壓直流經(jīng)直流配電單元為IT設(shè)備供電，同時(shí)也給蓄電池充電。在市電異常時(shí)，由蓄電池給IT設(shè)備供電。HVDC設(shè)備系統(tǒng)效率在96%上，比傳統(tǒng)的UPS設(shè)備減少一個(gè)DC/AC逆變器及服務(wù)器機(jī)架內(nèi)部的AC/DC整流器，配電環(huán)節(jié)減少了兩次交直流間轉(zhuǎn)換的電能損耗，從而提升了供電系統(tǒng)的效率。高壓直流模塊具備智能休眠功能，可實(shí)現(xiàn)熱插拔。采用高壓直流設(shè)備供電，IT設(shè)備需采用定制電源模塊。高壓直流設(shè)備（HVDC）無(wú)旁路設(shè)置，關(guān)鍵部位元器件損壞會(huì)對(duì)維修造成一定困難，可通過(guò)系統(tǒng)架構(gòu)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可在線維護(hù)或容錯(cuò)。4、巴拿馬電源巴拿馬電源采用移相變壓器取代工頻變壓器，從10kV到240V整個(gè)供電鏈路優(yōu)化集成，降壓和整流為直流這兩個(gè)環(huán)節(jié)合二為一，同時(shí)減少了設(shè)備的占地面積及低壓側(cè)電纜損耗，提升了系統(tǒng)效率。巴拿馬電源與傳統(tǒng)IDC供電方案相比，功率模塊效率達(dá)到98.5%，在輕載下20%時(shí)，效率可達(dá)97.5%以上。巴拿馬電源在標(biāo)準(zhǔn)配置下最大可安裝96臺(tái)整流模塊，模塊具備智能休眠和熱插拔功能。相較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)，原低壓配電系統(tǒng)中的低壓母聯(lián)、低壓電容補(bǔ)償、諧波治理等功能需要在高壓側(cè)來(lái)完成。5、高頻節(jié)能UPS數(shù)據(jù)中心UPS建議選用節(jié)能型高頻機(jī)，輸入功率因數(shù)≥0.99，諧波含量≤3%。數(shù)據(jù)中心UPS長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行負(fù)載率低于50%，需要重點(diǎn)關(guān)注UPS低負(fù)載運(yùn)行效率。對(duì)于分期建設(shè)的項(xiàng)目，采用具備動(dòng)態(tài)休眠功能的模塊機(jī)，該功能可在系統(tǒng)負(fù)載較低的情況下，與動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，根據(jù)當(dāng)前總負(fù)載的大小計(jì)算出需工作的整流模塊或UPS數(shù)量，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。利用UPS的ECO工作模式實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。當(dāng)UPS旁路正常且市電質(zhì)量較好，UPS通過(guò)旁路EMC濾波向負(fù)載供電，逆變待機(jī)；當(dāng)旁路電壓、頻率超出一定范圍時(shí)，UPS轉(zhuǎn)為雙變換工作模式。當(dāng)UPS采用ECO模式時(shí)，其效率可高達(dá)99%，比UPS雙變換工作模式可降低約3%的損耗。6、動(dòng)態(tài)UPS交流不間斷電源UPS分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩種。靜態(tài)式UPS采用整流器、逆變器將市政電源變成標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的正弦波電源，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心多數(shù)采用靜態(tài)式UPS設(shè)備。相較靜態(tài)式UPS，動(dòng)態(tài)UPS是集油機(jī)、UPS、蓄電池三者功能為一體，通過(guò)同步電機(jī)、扼流線圈及儲(chǔ)能裝置為數(shù)據(jù)中心提供高功率因數(shù)、高效率、低諧波的供電電源。市電工作模式下，動(dòng)態(tài)UPS對(duì)電能的輸入輸出不作轉(zhuǎn)換，主回路無(wú)電力電子組件，通過(guò)扼流線圈和同步電機(jī)結(jié)合作為有源濾波器實(shí)現(xiàn)雙向?yàn)V波，并提供負(fù)載的無(wú)功功率，實(shí)時(shí)對(duì)UPS輸出提供無(wú)功補(bǔ)償。市電工作模式下市電經(jīng)由同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)儲(chǔ)能。當(dāng)市電故障或者中斷時(shí)，動(dòng)態(tài)UPS轉(zhuǎn)入飛輪模式，將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的釋能，利用飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)發(fā)電向負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的持續(xù)供電。當(dāng)儲(chǔ)能飛輪降速到限值時(shí)，系統(tǒng)通知柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)同步電機(jī)保持帶載輸出，實(shí)現(xiàn)負(fù)載供電的無(wú)縫切換和后備保障，同時(shí)通過(guò)同步電機(jī)為儲(chǔ)能飛輪充電。動(dòng)態(tài)UPS可以采用2N架構(gòu)，也可以和靜態(tài)UPS組合，組成動(dòng)/靜2N架構(gòu)。動(dòng)態(tài)UPS輸出效率一般在97%以上，較靜態(tài)UPS效率提升約1%，其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可以帶來(lái)較為明顯的節(jié)能效果。041合理的設(shè)備布置數(shù)據(jù)中心采用合理的設(shè)備布置方案可以提升電能效率，降低損耗。在負(fù)荷集中的區(qū)域設(shè)置高低壓變電所、近IT機(jī)房設(shè)置電力室，讓變壓器和低壓配電貼近負(fù)荷中心，有利于縮短供電距離，減少配電網(wǎng)絡(luò)的電能損耗。同時(shí)延長(zhǎng)高壓線纜，縮短低壓線纜，減少配電系統(tǒng)線纜傳輸損耗。數(shù)據(jù)中心可以將變壓器、低配和UPS拼裝在一起，縮短配電距離。采用合理的機(jī)房供電網(wǎng)絡(luò)可以將線路損耗限制在0.01以內(nèi)。051綠色再生能源利用-光伏電站并網(wǎng)發(fā)電光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)、混合發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)三種模式。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率受光照強(qiáng)度、溫度等環(huán)境因素影響較大，穩(wěn)定性較差，因此數(shù)據(jù)中心不宜采用獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)?；旌习l(fā)電系統(tǒng)采用柴發(fā)機(jī)組作為光伏發(fā)電的備用電源，但由于數(shù)據(jù)中心耗電量高，柴發(fā)連續(xù)供電會(huì)造成能耗指標(biāo)升高，因此數(shù)據(jù)中心也不宜采用混合發(fā)電系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)建議采用光伏電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模式能夠有效降低能耗消耗。光伏電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模式適用于大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)或市政電源引入較困難的數(shù)據(jù)中心。光伏電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)如下：為確保數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，建議光伏電站為輔助設(shè)施和次要負(fù)荷供電（照明、空調(diào)、電梯等），在夜晚或光伏電站所產(chǎn)生的電能無(wú)法滿足照明動(dòng)力系統(tǒng)和空調(diào)制冷系統(tǒng)用電需求時(shí)，由外部市電或柴發(fā)機(jī)組進(jìn)行供電。IT設(shè)備等重要負(fù)荷采用市政電源供電，市電檢修或故障時(shí)由柴發(fā)機(jī)組提供配電電源。062節(jié)能照明1、在不降低作業(yè)面視覺(jué)要求、不降低照明質(zhì)量的前提下，力求減少照明系統(tǒng)中光能的損失。優(yōu)先選用節(jié)能型LED照明燈具，功率因數(shù)＞0.9，選用低能耗光源用電附件，充分利用自然光源；2、燈具控制方式采用集中、分散控制相結(jié)合：公共區(qū)域采用樓宇集中控制方式，機(jī)房區(qū)域采用智能燈控系統(tǒng)或BA控制，靈活調(diào)整照明照度；3、建筑物夜間景觀照明和室外照明采用集中遙控的控制方式，通過(guò)BA或智能照明控制可進(jìn)行多場(chǎng)景、多時(shí)段、多分區(qū)的自動(dòng)控制，并結(jié)合定時(shí)開(kāi)關(guān)、光控開(kāi)關(guān)等進(jìn)行自動(dòng)控制；4、園區(qū)內(nèi)照明燈具采用太陽(yáng)能風(fēng)能路燈，白天通過(guò)太陽(yáng)能板將光能轉(zhuǎn)換成電能為蓄電池充電，晚上通過(guò)控制器供電給照明。073總結(jié)在國(guó)家“雙碳”和“東數(shù)西算”的政策趨勢(shì)背景下，2022年11月1日起全文強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級(jí)》（GB40879-2021）將正式實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)中心能效等級(jí)分為3級(jí)，1級(jí)表示能效最高，