绿色数据中心电源节能技术综述

高兴旺，李玉昇，张 瑜，郭云峥，赵 涵

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引 言

近期，“碳达峰、碳中和”成为年度网红热点话题。2020年9月22日，习近平总书记在75届联合国大会上庄严宣告，将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。简称为“30·60目标”。

从相对减排到绝对减排，进而实现零排放。作为新基建、数字化时代的信息支柱，数据中心可谓是名副其实的“能耗大户”，而随着其数量的逐年攀升，如何加快数据中心行业的绿色发展、降低碳排放，成为了推动我国实现碳中和目标的重要话题[1]。

为积极响应国家政策号召，基于工信部《国家绿色数据中心先进适用技术产品目录（2020）》，跟踪研究绿色节能先进技术，探究各种电源绿色技术原理、技术特点（节能减排效果）、引入建议；推广绿色先进适用技术在移动乃至整个通信互联网行业的使用，推动移动数据中心节能与绿色发展水平持续提升，很有必要。

本文首先分析数据中心的能耗分布，重点研究能源、资源利用效率提升技术产品中的高效电源节能技术，系统全面梳理分析电源节能技术，并给出电源节能技术的应用推广建议。

1 数据中心能耗分析

电 能 利 用 效 率（Power Usage Effectiveness，PUE）是表征数据中心电能利用效率的参数，已经作为国际上通用的数据中心能源效率的衡量指标。其数值为数据中心内所有用电设备消耗的总电能与所有电子信息设备消耗的总电能之比。PUE值越接近于1，表示一个数据中心的绿色化程度越高。

数据中心内所有用电设备消耗的总电能主要有IT设备能耗、制冷系统能耗、供配电系统能耗、照明及其他能耗组成。PUE的计算公式为：

以一个运行PUE约为2的传统数据中心能耗为例。经测算，IT设备能耗占比最高，约为总能耗的50%；制冷系统能耗为第二大能耗设备，约占35%；供配电系统的能耗占到第三，约占10%，照明及其他能耗设备的能耗占比则较小，约5%（其他能耗如安消防设备、数据中心能耗管理系统、传感器以及数据中心内的电梯等等），如图1所示[2]。

图1 传统数据中心能耗

显然从能耗构成来看，制冷系统的能耗占了一半，对降低PUE值的作用也最明显，因此数据中心的节能措施及相关节能技术研究也多围绕制冷系统展开。但对供配电系统的节能相关技术研究较少且不全面，因此有必要对供配电系统的节能技术进行系统而全面的梳理。

如图2所示，数据中心的电源系统主要有变配电系统、自备发电机组系统、换流系统、蓄能系统、新能源电源系统、防雷与接地系统、动力环境集中监控系统与能源管理系统等组成。

图2 供配电系统

本文将聚焦供配电系统能耗部分，基于供配电系统架构和供电设备，系统全面地梳理分析节能技术，从而降低配电系统能耗，减少数据中心的碳排放。

2 电源节能技术

2.1 供电架构

2.1.1 市电/不间断电源混合供电技术（简称：市电直供）

（1）技术原理

该技术为一路由市电直接供电，另一路采用不间断电源（UPS或HVDC）供电，如图3所示，在市电正常的情况下，由市电为ICT设备供电，不间断电源（UPS或HVDC）处于备用状态；市电异常时，不间断电源（UPS或HVDC）承担全部负荷。

图3 市电直供示意图

（2）技术特点

a.简化供电系统架构，最大限度地降低能耗、减少设备投入；

b.由于无电源变换环节，因此市电直供回路效率达98%，与传统的交流不间断电源系统（UPS 2N系统）比较，节能5%～10%。

（3）技术引入建议

该技术可在新建数据中心、在用数据中心改造场景推广应用，可根据业务需求、供电网络、保障等级要求灵活提供不同的市电直供方案以满足主设备供电需求。

2.1.2 柜级分布式供电技术（简称：数字能源机柜）

（1）技术原理

该技术是中国移动设计院基于可软件定义的电池能量管控技术自主研发的分布式数字化直流供电设备，为ICT设备分布式供电并提供设备安装空间。如图4所示，将12 V或48 V直流不间断电源（含电池）分布布置在每个ICT设备机柜内，无需单独设置电力电池室。

图4 数字能源机柜

（2）技术特点

a.柔性：全模块化设计，按需使用、随需扩容，满足随时变化的业务需求，降低初期建设投资；

b.高效：一柜一系统，采用高效整流模块并减少转换环节，提高全程系统效率约3%～6%；

c.安全：降低供电系统颗粒度，并内置锂电池消防模块，事前预防、事中消除并行，减少安全隐患;

d.智能：采用智能锂电，内置双向DC/DC电路，实现新旧混用，监测并评估锂电池各项参数（SOC、SOH等），实现智能化管理；

e.简单：采用一体化设计、工厂预集成，减少现场安装环节；

f.紧凑：高密集成，提供空间利用率，机房装机率提升30%～40%，ICT设备安装空间提升约20%；

g.高效：分布式布置，无需电力电池室，机房装机率提升30%-40%。

（3）技术引入建议

该技术可在新建数据中心推广应用，尤其适用于需求快速变化、分期建设或定制化的业务场景。

2.1.3 一体化预装式不间断供电系统

（1）技术原理

如图5所示，将交流10 kV配电、变压器、低压配电、不间断电源、输出配电等环节集成于一体的供电系统。该技术可简化现场施工安装环节，节省建设周期，实现节省投资、节能、节地的目的。

图5 一体化预装式不间断供电系统

（2）技术特点

a.效率高，较传统供电系统整体供电效率提升2%～3%；

b.节地，以2.2 MW IT设备负荷，较传统供电系统占地面积节省约2/3；

c.建设周期短，较UPS供电系统节省3/4，较HVDC系统节省1/2。

（3）技术引入建议

该技术可在新建数据中心、在用数据中心改造场景推广应用，尤其适用于需求明确、高密高集中化的业务场景、建设工期要求时间紧的场景。

2.1.4 自备发电机组供电系统复用技术

（1）技术原理

由不同变电站供电的数据中心，采用一套备用发电机组供电系统作为两个专用变电站的备用电源，达到发电机组的减配，实现节材、节地、节省投资的目的。自备发电机组供电系统复用技术原理如图6所示。

图6 自备发电机组供电系统复用技术原理框图

（2）技术特点

自备发电机组供电系统复用技术能够提高发电机组的利用率，实现了发电机组资源的动态调配和共享，在提高效益的同时能够降低土建及设备的建设成本，符合节能、环保、绿色的主题。

（3）技术引入建议

对于具有多套高压供电系统的数据中心，若其外市电为一类市电，其中两套高压供电系统的市电电源分别引自不同的110 kV（66 kV）变电站，其备用发电机组选用10 kV备用发电机组，且可采用一套发电机组供电系统为两个高压供电系统做备用电源。

2.1.5 燃气冷热电三联供技术

（1）技术原理

燃气冷热电三联供（Combined Cooling, Heating and Power CCHP），是天然气高效利用的重要方式，指利用天然气为主要燃料驱动燃气发电设备（燃气内燃机、燃气轮机等）运行，产生的电力用于用户的电力需求，该系统排出的废热经余热回收利用设备（如余热锅炉、吸收式制冷机组等）向用户供热、供冷，实现能源的梯级利用，综合能源利用效率达到70%以上，如图7所示。

图7 燃气冷热电三联供技术原理

（2）技术特点

理想的燃气冷热电三联供系统的综合利用率不低于80%，高于柴油发电机组40%的能源利用率。

能源综合利用率高，尤其比火电发电高，提高用能的利用效率；市电电源做为备用电源，运行成本低，绿色环保，节省电费的同时节省能源和碳排。

应用冷热电三联供系统可节电约20%，消减碳排放约50%。

（3）技术引入建议

建议根据当地政策，以及具备三联供系统需满足的条件，在新建数据中心场景推广应用。预计未来随着分布式能源的不断推广，应用规模将进一步扩大。

2.1.6 负载侧储能技术

（1）技术原理

负载侧储能技术原理如图8所示。不间断电源配置循环型电池，在备电容量的基础上再增加一定比例的储能容量，通过不间断电源对电池进行智能管理，市电+蓄电池联合供电，实现削峰填谷供电应用。结合当地的供电政策，利用峰谷电价差，可以提高经济效益。

图8 负载侧储能技术原理

（2）技术特点

a.利用当地的峰谷电价差，提高经济效益；

b.充分激活储能电池的使用价值，降低运营保障压力，提升保障效率。

（3）技术引入建议

建议结合当地供电政策，峰谷电价差大于0.7元的地区选择应用。

2.1.7 光伏发电技术

（1）技术原理

光伏发电技术是太阳能光伏池板，通过光生伏打效应，将太阳能的辐射能量直接转换为电能的发电系统，主要由太阳能光伏阵列、电能变换器（逆变器、直直变换器）组成，如图9所示。

图9 数据中心光伏并网发电供电方案示意

光伏发电系统按照与电力系统的关系，分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统3种形式。由于数据中心对供电的可用度要求较高，在所处地区太阳能资源丰富的大型数据中心园区，可引入并网光伏发电系统。其工作模式为：对于数据中心的非重要或者不敏感负载，由并网光伏发电系统直接为其供电；当并网光伏发电系统产生的电能大于其所需电能时，将剩余的电能馈送给市电，同时可以利用数据中心的UPS系统作为光伏发电系统的储能装置；当并网光伏发电系统产生的电能不能满足其用电需求时，由市电给予供给[3]。

（2）技术特点

a.采用太阳能MPPT技术，光伏变换器的最大效率可以达到98%；

b.可以充分利用数据中心屋顶和空余场地；

c.节省数据中心的电费支出，减少碳排量。

（3）技术引入建议

建议在所处地区太阳能资源丰富的大型数据中心园区引入光伏并网发电系统。由于数据中心对供电的可用度要求较高，为确保数据中心供电可用度，建议对数据中心园区的负荷按照负载对电能敏感程度区别、分级供电，对供电可用度要求高的IT设备仍为市电供电，对照明负荷等园区不敏感的负载则由光伏并网发电系统供电。

2.2 供电设备

2.2.1 10 kV高压发电机组

（1）技术原理

高压发电机组指输出额定电压为10 kV的发电机组，因数据中心的市电引入电压一般为10 kV，电压等级一致，可直接接入供电系统，如图10所示。

图10 10kV高压发电机组（2 000 kW示例）

（2）技术特点

a.发电机组可集中设置，多台并机，并机系统容量大，可承受较大负荷变化的冲击；可根据负荷大小按需自动投入适当的机组，以匹配实际运行负荷，节省燃油、机油，减少浪费；

b.采用10 kV高压发电机组，功率相同的前提下，能够减小所用电缆截面，从而降低线损，降低施工难度，节省电缆投资，尤其适合长距离、远离负荷中心的场景；

c.多台机组便于并机形成资源池，机组配置和配送电电缆及设备投资最大降低约50%。

（3）技术引入建议

该技术可在新建数据中心场景积极推广应用。以中国移动为例，目前已将高压发电机组纳入集团一级产品集采库，有力推动了该产品的应用。

2.2.2 磷酸铁锂电池组

（1）技术原理

一种使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，碳作为负极材料的锂离子电池，单体额定电压为3.2 V，可以作为UPS、HVDC后备电池（标称电压300 V以上）使用，具有重量轻、占地小、循环寿命长、放电倍率高等优点（见图11）。

图11 磷酸铁锂电池组

（2）技术特点

a.重量轻：同容量磷酸铁锂电池约为铅酸的1/3，降低对安装位置承重要求；

b.占地省：磷酸铁锂电池一般为铅酸电池的30%～50%；

c.循环寿命高：磷酸铁锂电池循环寿命单体不低于2 000次，成组不低于1 000次（80%DOD）；

d.高倍率放电容量损失小：从0.1C电流到1C电流放电，均能放出95%以上的额定容量。

（3）技术引入建议

该技术可在通信局楼等小型数据中心积极推广应用。以中国移动为例，目前已将磷酸铁锂电池组纳入集团一级产品集采库，有力推动了该产品的应用。

2.2.3 机架母线配电（简称：小母线）

（1）技术原理

如图12所示，小母线是由始端箱、插接箱接箱及母线槽组成的配电产品，安装于ICT设备机柜上方，替代列头柜和电缆给ICT设备机柜供电。

图12 小母线

（2）技术特点

a.节省列头柜占地，提高数据中心机房的空间利用率；

b.便于调整分路及容量，柔性配电，避免容量浪费；

c.安装便捷，母线槽整体吊挂，较敷设电缆显著节省人工；

d.插接箱即插即用，灵活满足用户需求变化。

（3）技术引入建议

该技术可用于各类新建数据中心末端服务器配电，建议积极推广。

2.2.4 模块化UPS

（1）技术原理

高频模块化UPS（见图13）由输入配电部分、输出配电部分、功率模块、监控模块组成。各个功能单元采用模块化设计，具有数字化、智能化特点。模块可插拔，支持在线更换，且功率模块支持冗余和休眠，系统效率可达到95%以上[4]。

图13 模块化UPS

（2）技术特点

运行效率提升约10%，减少电缆发热，降低系统的运行成本。

（3）技术引入建议

该技术可在新建数据中心、在用数据中心改造等场景积极推广应用。以中国移动为例，目前已将模块化UPS纳入集团一级产品集采库，有力推动了该产品的应用。

2.2.5 240 V/336 V直流电源

（1）技术原理

高压直流供电技术解决了传统UPS供电系统效率低、可扩展性差、可靠性低、成本高等弊病，具有电路简单、变换少、可靠性高、效率高、体积小、成本低等优点。240 V/336 V直流电源如图14所示。

图14 240 V/336 V直流电源

（2）技术特点

a.电路结构简单、高效：与传统不间断UPS系统相比，少了一级DC/AC逆变转换环节，同时服务器PSU也相应减少了AC/DC整流环节，两级转换的减少，提升了电能利用效率，简化了电路结构，效率大于96%；

b.可靠性高：系统可用度高，电池直接连接在输出母线上，提高了电池供电时的可靠性；

c.扩容便捷：功率模块采用模块化结构设计，支持热插拔、在线更换，扩容简单方便，可有效降低后期运维成本[5]。

（3）技术引入建议

该技术可在新建数据中心、在用数据中心改造等场景积极推广应用。

2.2.6 节能型变压器

（1）技术原理

如图15所示，节能型变压器采用新的叠片形式，大大减少了磁阻，空载电流减少了60%～80%，提高了功率因数，降低了电网线损，改善了电网的供电品质。

图15 节能型变压器

（2）技术特点

年损耗平均低约10%。

（3）技术引入建议

该技术可在新建数据中心等场景积极推广应用。以中国移动为例，目前已将节能型变压器纳入集团一级产品集采库，有力推动了该产品的应用。

2.2.7 有源滤波器

（1）技术原理

有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，如图16所示。其原理为：能实时监视线路中负载电流，通过模数转换，快速计算分离出电流谐波，并以PWM信号为驱动脉冲，驱动补偿电流发生电路生成与谐波电流幅值相等、方向相反的补偿电流注入电网，实现对谐波电流的补充或抵消。该方案适合低压配电谐波治理。

图16 有源滤波器

（2）技术特点

a.选择合理的滤波补偿设备，可以提高供电质量，保证设备安全运行，且可节省电能；

b.消除通信机楼、数据中心内通信电源、空调等变频设备带来的谐波并同步解决市电直供压IT负载容性功率因数问题，提升备用发电机组可靠性，避免电网罚款。

（3）技术引入建议

该技术可在新建数据中心、在用数据中心改造等场景积极推广应用。以中国移动为例，目前已将有源滤波器纳入集团一级产品集采库，有力推动了该产品的应用。

3 结 论

基于以上梳理的相关技术，在中国移动各省公司进行了应用情况调研。其中市电/不间断混合供电技术、10 kV高压发电机组、磷酸铁锂电池组、模块化UPS、 240 V/336 V直流电源等技术在各省公司应用较多，柜级分布式供电技术、一体化预装式不间断供电系统、自备发电机组供电系统复用技术等技术应用相对较少。

综上，本文从数据中心的供电架构和供电设备两个维度，对电源节能技术进行了系统全面的梳理，并给出了应用建议，针对技术成熟的节能技术可积极推广应用；针对相关限制条件较多的技术，可根据当地情况，因地制宜的选择应用。