顺势而为的“势”也就是数据中心建设的大环境,一方面作为“新基建”中一个重要领域的大数据中心在5G应用的推动下势必会得到大力建设,另一方面“3060双碳目标”的提出又赋予数据中心建设以新的内涵,那就是要建设低碳节能的数据中心!
　　
　　那么新形势下低碳节能的数据中心对其供电系统会有什么需求呢?总结一下,无外乎更高的可靠性、更低的能耗、更小的空间、更短的建设周期、更便捷的管理,以及更少的投资。数据中心的生命周期中,从前期的选址,到后来的方案设计、设备选型、工程施工,以及建成后的运营维护,甚至废弃后的设备处理,没有任何一个环节是与碳排放无关的,所以低碳节能不仅仅是指数据中心的PUE值更低、效率更高,更是要全方位尽量少地占用社会资源!可靠性是数据中心供电系统的基本要求,从低碳节能的角度来看可靠性高就会节省维修维护所浪费的社会资源。其它的需求也是一样,更低的能耗可以节省能源资源,更小的空间可以节省空间资源,更短的建设周期可以节省时间资源。以更小的空间为例,占用的空间小就可以缩小建筑物,从而减少建筑物的碳排放,如果将节省下来的空间进行植树造林,还可以促进碳吸收。

   需求和技术是交替变化的,大量低碳节能的数据中心供电需求必然会刺激相应的技术向这个方向发展,一直以环保、节能、爱地球为经营使命的台达在这方面已经迈出了坚实的一步!
　　
　　位于上海嘉定的一个数据中心,业主为光环新网,用户是哔哩哔哩网站。整个数据中心的主机房面积500平方米,局部高度2.4米,在这样一个有限的空间内,台达布置了250面机柜,得柜率高出传统数据中心20%以上。整个机房全部采用标准化、模块化、预制化方式建制,大幅缩短了建设周期,疫情期间在采购、运输、施工等方面都极为不便的情况下,整体项目实现了50天交付!机房制冷采用了背板空调+氟泵的系统模式,PUE值小于1.3。同时机柜自带背板空调的结构也改变了传统机房内机柜面对面或背靠背的布局模式,可以根据机房形状随意摆放,布局非常灵活方便。而这一项目的供电系统则比传统的数据中心供电系统效率提升2%以上,安装工程量减少40%,占地面积减少一半,建制成本也相应地减少,供电系统的这些成果正是得益于台达一体化、预制化的方案式产品—巴拿马电源!如图1和图2所示。
　　
　　巴拿马电源是台达和阿里巴巴合作开发的一款数据中心供电系统,2016年开始开发,2018年在浙江联通机房使用两套,2019年该机房又扩容到6套,此后在浙江联通、浙江移动、江苏移动阿里机房,以及一些网络集成商的数据中心内得到了迅速地推广使用。就像巴拿马运河一样,它有效通了太平洋和大西洋之间的航路,提升了航运效率,降低了航运成本,巴拿马电源将10kV中压电源直接转化成服务器所需的输入电源,简化了供电链路,提升了供电效率,降低了系统成本,所以巴拿马电源的名字很快被人熟知!
　　
　　具体地说,传统的数据中心供电系统由10kV中压电源经变压器降为400V,然后是总配电柜,并连接APF或者SVG、电容柜等设备进行谐波治理和无功补偿,后面可能会经过楼层配电柜、UPS输入配电柜、UPS、UPS输出配电柜、列头柜等一系列的供电设备及导线,整体链路长、设备多、开关级数也多。后来有的机房用高压直流设备替代UPS,由于高压直流设备的转换级数并没有比UPS少,所以替换后的供电链路和效率没有明显变化。直到巴拿马电源出现,它将中压变压器(含)到列头柜之间的所有设备整合到一起,形成一套一体化的方案式产品,从而带来了可靠性、效率、占地、成本等一系列的优化!
　　
　　在UPS技术中,我们通常认为工频架构比高频架构可靠,但是工频架构的输入指标不如高频机,所以在一些对输入指标要求高的场所常采用12脉冲整流的UPS替代6脉冲整流的UPS,但是12脉冲整流UPS的输入指标仍然不如采用PFC电路的高频机。如果不止于12脉冲整流,继续移相到18脉、36脉,甚至72脉、96脉效果是否会更好呢?理论和实践告诉我们这一想法是正确的,当移相到18脉冲时,前端的输入指标已经跟高频架构基本一致,而巴拿马电源的变压器不止移相到18脉,至少是36脉,甚至是72脉、96脉,这就保证了它的输入指标比传统的高频架构还要好,完全不必配置APF或者SVG、电容柜等谐波治理或无功补偿设备。因此可以说巴拿马电源很好地利用了工频技术的优势,并克服了它的劣势!
　　
　　在直流输出的巴拿马电源系统中,移相变压器的次级绕组至少是36脉,每一绕组后面带若干个整流模块,整流模块内不再包含PFC电路,所以减小了模块体积,提升了模块效率和可靠度,也降低了模块成本。而每一绕组后面配一个断路器也减小了断路器的容量,与一个大断路器相比避免了点故障,降低了成本。
　　
　　数据中心内除了IT设备外,还会有像空调、照明等交流设备,它们所需要的交流电源怎么解决呢?只要在巴拿马电源的移相变压器二次侧预留一个绕组作为交流输出就行了。同样的,如果IT设备也不用直流供电,数据中心内的所有设备全部采用传统的交流供电模式,只要将高压直流设备换成UPS就行了,它可以说是巴拿马电源的一种变形,如图3和图4所示。
　　
　　对于巴拿马电源的结构组成,可以通过几个具体的案例说明一下。江苏南通的某数据中心(图5),单套系统容量1.2MW,全部是直流输出,它由一个进线柜、一个变压器柜和两个整流输出柜组成,系统的总宽度为6.13m。浙江德清的某数据中心(图6),单系统容量1.6MW,包括1.2MW的直流输出和400kW的交流输出,系统由一个进线柜、一个变压器柜、两个整流输出柜和一个交流分配柜组成,总宽度6.7m。上海浦东的某数据中心,单系统容量2.4MW,内置了两台1.2MW的UPS电源,纯交流输出,整个系统的总宽度为12.19m。
　　

　　通过巴拿马电源系统的原理和结构不难理解它给用户带来的价值,具体包括高可靠、高效率、省空间、安装块、易维护和低成本六个方面,这也很好的对应了新形势下低碳节能的数据中心对其供电系统的需求!
　　
　　高可靠主要体现在巴拿马电源的设备组成、供电链路,以及关键部件上。巴拿马电源将进线柜、变压器柜、整流柜,以及输出配电柜通过铜排紧密连接成一个整体,与传统的供电系统相比减少了设备量、缩短了供电链路,所以故障点减少了,同时移相变压器替代PFC电路也使关键器件的可靠性进一步提升。
　　
　　与传统的高压直流供电系统相比,巴拿马电源的整流模块因为取消了PFC电路其效率提升2.5%,在不考虑因供电链路优化所提升效率的前提下,仅这2.5%的价值也是很大的,以2.4MW的系统为例,一年可以节省约53万度电,相当于减少510吨的二氧化碳排放!一个数据中心内一般都包含多套巴拿马电源系统,其使用寿命也都会在10年以上,计算下来巴拿马电源在数据中心节能减排方面的贡献是非常大的!
　　
　　在节省空间方面巴拿马电源也表现优异,浙江某用户一开始打算采用传统的UPS供电方案,后来替换成巴拿马电源方案后发现设备占地面积减少了75%,算上操作维护空间后,整体使用面积减少47%!另一用户开始打算采用传统的高压直流供电方案,替换成巴拿马电源方案后设备占地面积减少了79%,算上操作维护空间后,整体使用面积减少65%!
　　
　　数据中心供电系统从一开始的设计规划到后期的调试验收,这之间的程序步骤是不可少的,现场安装速度快无非是将工作量前移,提前到工厂内进行,而工厂内的流水线作业至少体现了三大优势,一是效率高,二是质量有保障,三是可以与现场的基建工程同步进行。巴拿马电源实现了方案产品化、产品预制化,工厂内做好的系统是一个整体,整体运输,整体搬运,现场只要做好底座,就位后进行连接就行了,所以安装时间可以减少40%以上!
　　
　　巴拿马电源系统的设备简化、链路优化、系统模组化、管理智能化,同时所有设备前后维护,整体系统冗余,综合体现了巴拿马电源的管理便捷和维护方便。
　　
　　巴拿马电源的价值还体现在低成本上,因为整体设备量减少、占地减少、工程量减少、线缆及辅料减少、维护成本降低、电费等使用成本降低,所以巴拿马电源的建制成本和使用成本都会明显减少,呈现出非常高的总拥有价值!巴拿马电源的价值体现如图7所示。
　　
　　巴拿马电源能为用户带来这么多的价值,所以它一面世便得到了广泛地认可并被迅速的推广使用,当前已经在线运行的系统有100多套,到今年底将完成交付250多套,预计到明年这一数据至少还会翻倍!见图8。
　　
　　本着用户至上的原则,台达可以根据不同用户的具体情况调整巴拿马电源供电系统,比如颜色定制,将两条母线定制成不同的颜色以便于管理和维护;再如对于申请不到中压变压器的用户制作一体化、预制化的低压供电系统;还有对于户外使用的用户制作集装箱式的供电系统等等,这些都具有成熟的案例。台达愿意跟广大用户和业界朋友密切沟通和交流,基于自己50年的技术积淀为数据中心供电系统的发展做出贡献!
　　
　　作者简介
　　
　　张彦和,毕业于上海交通大学工程管理专业,现任台达集团-中达电通信息通信事业部CIS技术支援处总监,带领团队负责全国数据中心项目的技术支持工作。
　　
　　从事UPS及数据中心技术工作20多年,发表文章20余篇,合著《数据中心基础设施规划与设计》一书,参加多项行业标准的审定,同时也是中国电源学会高级会员,《数据中心建设+》杂志编委。
　　
　　编辑：Harris