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數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)來(lái)源

在論述國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心資源供應(yīng)來(lái)源之前，有一個(gè)不得不說(shuō)的故事，這個(gè)故事來(lái)自于一本書，書名叫做《IT不再重要》，在這本書里的第二章節(jié)講述了塞繆爾。英薩爾（SamuelInsull）和私有電廠時(shí)代的結(jié)束，公用電網(wǎng)占據(jù)了主導(dǎo)的故事。

本文無(wú)意去八卦他和愛(ài)迪生的故事，作為后來(lái)者能看到的是，無(wú)論在美國(guó)，還是在中國(guó)，公用電網(wǎng)都占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)地位。

根據(jù)目前市場(chǎng)上數(shù)據(jù)中心的能源供給，絕大多數(shù)情況下占據(jù)主導(dǎo)地位的能源供給都是電力能源，如果從國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)來(lái)看，幾乎都是來(lái)自于國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)。

寫到這里，似乎引領(lǐng)讀者進(jìn)入了一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為數(shù)據(jù)中心一定遵循公用電網(wǎng)，甚至只能利用國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)電力供應(yīng)，這并不是本文所要表達(dá)的觀點(diǎn)，因此有必要澄清一下。即使目前的現(xiàn)狀是這樣，但并不等于這是唯一的路徑。對(duì)于未來(lái)的數(shù)據(jù)中心而言，也許可以重新考慮愛(ài)迪生的思路。這也是本文希望讀者可以開(kāi)放思路，畢竟條條大路通羅馬，成功的路從來(lái)都不止一條。以往的分布到集中，對(duì)于未來(lái)的某些數(shù)據(jù)中心而言，可能反之，即從集中到分布。

目前數(shù)據(jù)中心幾乎所有的電力供應(yīng)均來(lái)自于公用電網(wǎng)，而用電也是數(shù)據(jù)中心能源消耗的絕大部分。電力是從工業(yè)社會(huì)文明爆發(fā)以來(lái)，最重要的生產(chǎn)資料，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，電力具有清潔、高效、便捷的能源特征。所以在僅百年的時(shí)間，全球建立了覆蓋超過(guò)80%陸地面積的電網(wǎng)覆蓋，全球總發(fā)電量達(dá)到為21.3萬(wàn)億千瓦時(shí)。在2011年，中國(guó)有一項(xiàng)數(shù)據(jù)超過(guò)美國(guó)保持了110年的記錄，躍居世界第一：2011年中國(guó)凈發(fā)電量總額達(dá)到4.47萬(wàn)億千瓦時(shí)，超過(guò)美國(guó)的年凈發(fā)電量4.1萬(wàn)億千瓦時(shí)，中國(guó)目前有十萬(wàn)億千瓦發(fā)電機(jī)組裝機(jī)量。這背后是根源有很多，2011年中國(guó)7.3萬(wàn)億美元GDP大約只是美國(guó)15萬(wàn)億美元GDP的一半，但實(shí)體經(jīng)濟(jì)比例居高使得中國(guó)的凈發(fā)電量已經(jīng)超過(guò)美國(guó)。

電是二次能源，這與一次能源煤炭、石油、天然氣等有著本質(zhì)的區(qū)別。

1、數(shù)據(jù)中心能源消耗的結(jié)構(gòu)和特征

今天，無(wú)論是在政府，還是地方招商引資，或是在規(guī)劃運(yùn)營(yíng)層面，大家都對(duì)數(shù)據(jù)中心是個(gè)能源消耗“大戶”達(dá)成共識(shí)。能源消耗主要體現(xiàn)在兩方面：一是電力，二是制冷。一般情況下，這里特指的“電”的消耗，主要體現(xiàn)在對(duì)電的容量的要求和電量的消耗。這里的制冷，主要是指為了保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)的IT設(shè)備保持正常運(yùn)行（或者基于SLA中對(duì)于IT設(shè)備制冷需求的定義）而需要的冷量。在中國(guó)，在非自然冷卻的情況下，主要是通過(guò)電制冷設(shè)備來(lái)為IT設(shè)備冷卻的，即把電這個(gè)高級(jí)能源轉(zhuǎn)換為冷這個(gè)低級(jí)能源，用于冷卻IT設(shè)備。既然是電制冷，當(dāng)然是需要電的容量供給和電量的消耗。IT設(shè)備的用電加上制冷系統(tǒng)的用電，構(gòu)成了數(shù)據(jù)中心電力能源的絕大部分消耗。

數(shù)據(jù)中心的制冷需求雖然也包括諸如照明和建筑隔熱等方面，但占其絕對(duì)比例部分是為IT設(shè)備制冷用。對(duì)于IT設(shè)備本身的冷量需求，如果用一個(gè)不是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)直容^簡(jiǎn)單的說(shuō)法來(lái)表達(dá)，IT設(shè)備的制冷量約等于IT設(shè)備的用電消耗量，即約為1：1的數(shù)學(xué)關(guān)系。例如：一臺(tái)功耗為300瓦的服務(wù)器在其額定工況運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生300瓦的熱量，需要約300瓦的冷量進(jìn)行冷卻。

在這里，要補(bǔ)充一句，即數(shù)據(jù)中心的電和冷是可以通過(guò)低級(jí)能源和其他能源獲得的，這也是本文的一個(gè)重要基礎(chǔ)。

備注：這個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系至關(guān)重要，是數(shù)據(jù)中心和分布式能源（特指三聯(lián)供系統(tǒng)）結(jié)合的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

太原機(jī)務(wù)段救援基地位于石太鐵路線嗚李火車站,因原嗚李火車站用的是市電380V電源,此電源無(wú)法滿足新建救援基地的用電負(fù)荷要求,根據(jù)太原鐵路局《關(guān)于對(duì)太原救援基地配套改造工程設(shè)計(jì)審查的意見(jiàn)》及太原鐵路局組織的有關(guān)太原救援基地用電問(wèn)題的會(huì)議精神,由中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)采用牽引供電接觸網(wǎng)27.5kV電源,使用牽引供電專用單相變?nèi)郩PS作為太原救援基地的工作電源使用,降壓變壓器設(shè)計(jì)容量160kVA,UPS設(shè)計(jì)容量150kVA,設(shè)計(jì)饋出配出四個(gè)回路:既有低壓配電箱所帶停留車庫(kù)、消防、地面電源負(fù)荷;綜合樓空調(diào)辦公負(fù)荷;食堂、浴室照明負(fù)荷和檢修庫(kù)負(fù)荷(見(jiàn)圖1)。

150kVA單相變?nèi)郩PS是由伊頓公司深圳山特工廠生產(chǎn)的高頻UPS,150kVA高頻UPS共有10個(gè)功率模塊,單個(gè)功率模塊容量15kVA,UPS由兩個(gè)柜體組成,安裝在電力箱變內(nèi),因電力箱變內(nèi)部在夏季溫度能達(dá)到50～60℃,為保證UPS正常運(yùn)行,箱變?cè)O(shè)計(jì)了排風(fēng)和制冷系統(tǒng),UPS在2011年9月開(kāi)通投入運(yùn)行。

由于電氣化鐵道專用工頻單變?nèi)齍PS在使用中故障頻發(fā),影響正常使用,高頻模塊化單變?nèi)齍PS以其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和高可靠性走進(jìn)這個(gè)領(lǐng)域。高頻機(jī)通常由濾波器、IGBT高頻整流器、逆變器組成,IGBT可以通過(guò)加在其門極的驅(qū)動(dòng)來(lái)控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷,IGBT整流器開(kāi)關(guān)頻率通常在幾千到幾十千赫茲,甚至高達(dá)上百千赫茲。典型的高頻機(jī)UPS拓?fù)淙鐖D2所示。

高頻UPS整流屬于升壓整流,其輸出直流母線的電壓比輸入線電壓的峰值高,一般典型值為768V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達(dá)到220V,逆變器之后就不再需要升壓變壓器。

由于采用了IGBT高頻整流技術(shù)使功率單元實(shí)現(xiàn)了模塊化生產(chǎn),因此,實(shí)現(xiàn)了功率模塊的N+1運(yùn)行模式。當(dāng)高頻模塊化UPS某一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí),故障模塊會(huì)自動(dòng)退出運(yùn)行,非故障模塊可以正常運(yùn)行不影響供電。在設(shè)備巡檢人員巡檢時(shí),將故障模塊帶電拔出換上新的模塊就可以了。大大提高了運(yùn)行的可靠性。

由于在電氣化鐵路電力機(jī)車通過(guò)時(shí),會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓及諧波,這樣UPS的輸入電源會(huì)時(shí)常出現(xiàn)很高的尖峰沖擊電壓,整流以后的BUS電壓也會(huì)跟著出現(xiàn)一個(gè)非正常的峰值電壓,這個(gè)電壓有時(shí)高達(dá)700V,高于正常正負(fù)BUS電壓400V的標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)一旦檢測(cè)到高于正負(fù)BUS電壓400V時(shí),設(shè)備就會(huì)保護(hù)關(guān)機(jī),這時(shí)需要人員去現(xiàn)場(chǎng)重新啟動(dòng)。

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