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数据中心供配电系统节能措施数据中心,作为新基建-数字经济的底座,是推进我国数字经济发展的算力设施和重要保障,是推动我国经济转型的重要抓手,也是构建智慧城市核心竞争力的重要载体年,国内数据中心总耗电量达到亿千瓦时,20212166占社会用电量,相当于同年个上海市的总社会用电量随着国家各
2.6%
1.3级政府出台政策对数据中心能源消费强度和总量双控”的严格要求及国家〃碳达峰、碳中和〃战略的提出,数据中心绿色化转型升级势在必行,高效低耗能成为数据中心行业高质量发展的必然要求数据中心能耗主要来源于IT设备、制冷系统、供配电系统、其他辅助用电等其中设备能耗比重最大,IT其次是制冷系统、供配电系统、其他辅助用电等以某数据中心PUE
1.25为例,各系统能耗大致如下数据中心节能降耗应从以下两个方面着手,第一是提高设备的利用率,IT节省运行设备数量,降低其能耗和发热量;第二是提高制冷和配电系统效率数据中心制冷系统的能耗比重仅次于设备,降低制冷系统能耗能很好16%IT的控制因此制冷系统能耗备受关注数据中心供配电系统损耗所占能PUE,耗约如采用合理优化,也能达到节能降耗的目的本文对数据中心供配3%,电系统的节能措施方案进行分析探讨01系统架构、合理采用配电系统架构,提升系统效率,降低系统损耗1DR《数据中心设计规范》在附录“电气〃中规定GB50174-2017级数据中心应满足容错要求,除采用系统,也可采用其他避免单A2N点故障的系统配置依此标准,级数据中心电气系统可分为、A2N、架构,通常来讲,设备冗余越多,系统的可靠性越高,但效率越低DR RR、系统架构可用性基本相同,在设计规划中选用系统架构较2N DRDR2N系统架构可以进一步提高变压器及的负载率,进而降低损耗,提升系统UPS效率以数据中心个机房,单个机房负荷为例变压器采用3IT lOOOkW2N架构,选用台变压器,每台变压器负载率约为不考虑61250kVA
42.5%UPS充电功率,选用套每组负载率效率约为62x600kVAUPS,UPS
42.5%,变压器采用架构,选用台变压器,每台变压器负载率95%DR31600kVA0约不考虑充电功率,选用套,每台负
66.2%UPS33x5OOkVAUPS UPS载率为,效率为68%96%由此可见,选用配电架构较架构可以减少变压器数量需求,提高DR2N的负载率,进而提升效率,降低损耗采用系统架构对电气UPS UPSDR系统供电负载因子能带来约的改善值1%、配电系统采用市电的架构模式,利用市电直供降低2IT+UPSHVD配电系统损耗IT市电混合使用;D+UPSHVDC模块具备智能休眠功能;2UPSHVDC采用市电直供时,市电供电质量应满足设备正常3+UPSHVDC IT运行要求;采用时设备需采用定制的电源模块;4HVDC IT为减少对柴油发电机组的影响,设备电源的功率因数需>5IT
0.95,谐波电流需避免容性负载冲击造成柴发机组带载困难45%,配电采用路市电路供电系统的效率与传统双路IT1+1UPSHVDC系统供电对系统整体效率能带来约的改善值UPS2%配电采用路市电路供电系统的电源效率IT1+1UPS配电采用路市电路供电系统的电源效率IT1+1HVDC配电采用路供电系统的电源效率IT2UPS02谐波治理与无功补偿数据中心设备、、变频设备等会产生大量谐波,为消除配电系统IT UPS谐波影响,通常情况下在配电室采用集中自动补偿、谐波治理装置,如补偿装置,用以实时控制谐波含量,并将功率因数补偿到以SVG+APF
0.95上,从而达到减少电能损耗的目的03设备选型数据中心配电系统主要耗能设备包括变压器及,对变压器、UPSHVDC设备选型时,建议选用新型节能设备或技术减少设备自身能耗,UPSHVDC提供系统整体节能效果、采用低损耗、高能效的变压器1根据《电力变压器能效限定值及能效等级》规范标准,GB20052-2020同等电工钢带变压器级能效比级能效空载损耗低负载损耗低2315%,10%;同等容量同能效等级非晶合金变压器比电工钢带变压器空载损耗低负60%,载损耗相同能效等级级的变压器空载损耗与负载损耗最低,非晶合金变压器空载1损耗优势明显,同等容量同能效等级条件下采用非晶合金变压器对电气系统供电负载因子能带来约的改善值
0.001非晶合金变压器较传统硅钢片变压器在能效损耗上具有优势,但其体积大,造价高,材料加工困难,同时非晶合金产生的磁致伸缩会导致非晶合金变压器噪声升高目前级数据中心配电系统通常采用架构,变压器常时运行负荷低A2N于空载损耗低对节能更加有利变压器的空载损耗+负载损耗通常不高50%,于1%、利用变压器的过载能力降低变压器的配置容量,减少系统的变压器2空载损耗,带来节能效果数据中心负载率根据《数据中心设计规范》第条UPS GB50174-2017确定不间断电源系统的基本容量时应留有余量不间断电源系统的基本容量可按下式计算E1,2P不间断电源系统的基本容量()E——kW/kVA电子信息设备的计算负荷()P——kW/kVA即负载率不大于P/E1/1,2=
83.33%,
83.33%依照负载率标准,变压器负载率见下表UPS由此可见,当容量与变压器容量一致时,变压器常时负载率约为UPS左右,当的容量高于变压器左右时,变压器负载率为左45%UPS20%55%右,变压器满载时的过载率不超过也处于比较合理10%,位置合理的变压器过载能力能够降低配电系统对变压器容量的需求,对提升系统节能降耗起到正向作用、设备3HVDC高压直流系统()主要由交流配电单元、整流模块、蓄电HVDC池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成市电正常时,整流模块将交流电转换成高压直流,高压直380V240V流经直流配电单元为设备供电,同时也给蓄电池充电在市电异常时,由IT蓄电池给设备供电IT设备系统效率在,比传统的设备减少一个逆HVDC96%±UPS DC/AC变器及服务器机架内部的整流器,配电环节减少了两次交直流间转换AC/DC的电能损耗,从而提升了供电系统的效率高压直流模块具备智能休眠功能,可实现热插拔采用高压直流设备供电,设备需采用定制电源模块IT高压直流设备()无旁路设置,关键部位元器件损坏会对HVDC维修造成一定困难,可通过系统架构配置来实现设备的可在线维护或容错、巴拿马电源4巴拿马电源采用移相变压器取代工频变压器,从到整个供电10kV240V链路优化集成,降压和整流为直流这两个环节合二为一,同时减少了设备的占地面积及低压侧电缆损耗,提升了系统效率巴拿马电源与传统供电IDC方案相比,功率模块效率达到在轻载下时,效率可达以
98.5%,20%
97.5%上巴拿马电源在标准配置下最大可安装台整流模块,模块具备智能休眠96和热插拔功能相较传统数据中心电源架构,原低压配电系统中的低压母联、低压电容补偿、谐波治理等功能需要在高压侧来完成、高频节能5UPS数据中心建议选用节能型高频机,输入功率因数谐波含量UPS
20.99,数据中心长时间运行负载率低于需要重点关注低负43%UPS50%,UPS载运行效率对于分期建设的项目,采用具备动态休眠功能的模块机,该功能可在系统负载较低的情况下,与动力监控系统相结合,根据当前总负载的大小计算出需工作的整流模块或数量,进而提高系统效率UPS利用的工作模式实现节能降耗当旁路正常且市电质UPS ECOUPS量较好,通过旁路滤波向负载供电,逆变待机;当旁路电压、频率UPS EMC超出一定范围时,转为双变换工作模式当采用模式时,其UPS UPSECO效率可高达,比双变换工作模式可降低约的损耗99%UPS3%、动态6UPS交流不间断电源分为静态式和动态式两种静态式采用整流UPS UPS器、逆变器将市政电源变成标准稳定的正弦波电源,国内数据中心多数采用静态式设备相较静态式,动态是集油机、、蓄电池三UPS UPS UPSUPS者功能为一体,通过同步电机、扼流线圈及储能装置为数据中心提供高功率因数、高效率、低谐波的供电电源市电工作模式下,动态对电能的输入输出不作转换,主回路无电UPS力电子组件,通过扼流线圈和同步电机结合作为有源滤波器实现双向滤波,并提供负载的无功功率,实时对输出提供无功补偿市电工作模式下市UPS电经由同步电机驱动飞轮运转储能当市电故障或者中断时,动态转入飞轮模式,将飞轮储能系统的UPS释能,利用飞轮的转动惯性驱动同步电机发电向负载供电,实现负载的持续供电当储能飞轮降速到限值时,系统通知柴油发电机组启动,柴油发电机组通过同步电机保持带载输出,实现负载供电的无缝切换和后备保障,同时通过同步电机为储能飞轮充电动态可以采用架构,也可以和静态组合,组成动/静UPS2N UPS2N架构动态输出效率一般在以上,较静态效率提升约,UPS97%UPS1%其长时间运行可以带来较为明显的节能效果041合理的设备布置数据中心采用合理的设备布置方案可以提升电能效率,降低损耗在负荷集中的区域设置高低压变电所、近机房设置电力室,让变压器和低IT压配电贴近负荷中心,有利于缩短供电距离,减少配电网络的电能损耗同时延长高压线缆,缩短低压线缆,减少配电系统线缆传输损耗数据中心可以将变压器、低配和拼装在一起,缩短配电距离采用合理的机房供电UPS网络可以将线路损耗限制在以内
0.01051绿色再生能源利用-光伏电站并网发电光伏发电系统可分为独立发电系统、混合发电系统和并网发电系统三种模式由于光伏发电系统输出功率受光照强度、温度等环境因素影响较大,稳定性较差,因此数据中心不宜采用独立的光伏发电系统混合发电系统采用柴发机组作为光伏发电的备用电源,但由于数据中心耗电量高,柴发连续供电会造成能耗指标升高,因此数据中心也不宜采用混合发电系统数据中心配电系统建议采用光伏电站并网发电系统模式能够有效降低能耗消耗光伏电站并网发电系统模式适用于大型数据中心园区或市政电源引入较困难的数据中心光伏电站并网发电系统架构如下:为确保数据中心供电系统运行的安全可靠性,建议光伏电站为辅助设施和次要负荷供电照明、空调、电梯等,在夜晚或光伏电站所产生的电能无法满足照明动力系统和空调制冷系统用电需求时,由外部市电或柴发机组进行供电设备等重要负荷采用市政电源供电,市电检修或故障时由柴发机组IT提供配电电源062节能照明、在不降低作业面视觉要求、不降低照明质量的前提下,力求减少照明1系统中光能的损失优先选用节能型照明灯具,功率因数,选用低LED
0.9能耗光源用电附件,充分利用自然光源;、灯具控制方式采用集中、分散控制相结合公共区域采用楼宇集中控2制方式,机房区域采用智能灯控系统或控制,灵活调整照明照度;BA、建筑物夜间景观照明和室外照明采用集中遥控的控制方式,通过3BA或智能照明控制可进行多场景、多时段、多分区的自动控制,并结合定时开关、光控开关等进行自动控制;、园区内照明灯具采用太阳能风能路灯,白天通过太阳能板将光能转换4成电能为蓄电池充电,晚上通过控制器供电给照明073总结在国家双碳和东数西算”的政策趋势背景下,年月日起全2022111文强制性国家标准《数据中心能效限定值及能效等级》将GB40879-2021正式实施,标准将数据中心能效等级分为级,级表示能效最高,数据中心31电能比不应大于级能效数据中心的电能比不应大于级能效的
1.20,2130,3数据中心电能比不应大于标准指出,数据中心电能比表征数据中心
1.50PUE面对日益严苛的数据中心能效约束条件,光靠空调制冷系统的效能提升已经不能单纯满足降低电能比的要求,电气系统也必须同步采取各种可能的措施来提升系统效率,降低系统损耗,从而降低电能比,降低值本文PUE从六个方面梳理和分析了供电系统的节能措施,旨在为响应国家强制标准,提高数据中心能效,推动数据中心与绿色低碳产业的深度融合提供一些思路和借鉴。