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数据中心供配电系统节能措施综述

柳青

【摘要】数据中心的额外能耗主要由UPS设备本身的损耗以及其冗余结构所带

来，在现有规范GB-50174-2017《数据中心设计规范》对相应安全等级的冗余

结构前提下，对供电设备、供电方式进行合理选择，并对不同设备、方式的节

能效果进行分析比较，为今后数据中心电气专业在节能方面的设计提供参考。

【关键词】数据中心；UPS；节能

一、引言

随着大数据以及云计算技术的迅速发展，社会各界对数据业务的需要与日俱增，

数据中心的规模也随之迅速扩大，单体数据中心的装机容量达到MW级别甚至更

高。数据中心的能耗问题也逐渐被社会所关注，在日益严峻的能源问题面前，

数据中心能否更高效率的运行成为行业内重点关注和研究的对象。

二、当前数据中心能耗概况

根据中国电子技术标准化研究院发布的《中国数据中心能效研究报告（2015

年）》显示，我国2009年数据中心总耗电量约为364亿kWh，占全社会用电量

的1.2%，2011年全国数据中心总耗电量700亿kWh，占全社会用电量的1.5%。

根据国内外相关文献[1][2]的研究，数据中心供配电系统占数据中心总能耗的

11%左右，照明系统占4%左右，IT设备占45%左右而空调制冷系统占40%左右。

供配电系统的能耗绝大多数为系统的损耗，降低供配电系统的能耗将极大的提

高数据中心能源利用效率，达到节能减排的目的。

多数安全等级较高的数据中心里，UPS设备长期工作在低负荷状态，其效率一

般在90%左右，可以看出供配电系统总损耗中UPS占了绝大部分。为了提高数

据中心供配电系统的能效，应优先从UPS系统入手。

三、供配电系统的节能措施

（一）飞轮UPS

不配置蓄电池组是飞轮UPS与传统UPS系统的最大差异[3]，飞轮储能技术储能

密度大、储能效率高、对环境无危害[4]，比传统的使用铅酸蓄电池的UPS在节

能环保上有很大优势。UPS设备的能耗主要来自电源转换过程，从图1可以看

到，飞轮UPS在正常工作时，流过整流逆变环节的电流很低，只需维持飞轮转

速即可。而从图2可知，传统UPS正常工作时，流过整理逆变环节的是额定电

流。在满载状态下，传统UPS效率一般在94%左右，而飞轮UPS的效率在97%左

右[5][6]。另外，飞轮UPS在容量相当的情况下，比传统UPS节约一半的占地

面积，并对建筑物的承重要求从传统UPS的16KN/m2降低至2KN/m2[3]。从建

造数据中心的成本方面也带来了极大的经济效益。

但是，飞轮UPS的电源后备持续时间只有15s到60s，这给柴油发电机组快速

启动提出了很高的要求，国家标准《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008规定，

柴油发电机应在30s内启动并供电。可见国标对发电机的启动要求并没有在

15s的“绝对安全时间”以内，这也是目前众多数据中心没有使用飞轮UPS的

原因之一。另外，飞轮UPS的价格也是其应用不够广泛的重要原因，与传统铅

酸蓄电池储能UPS相比，飞轮UPS的价格高出近2倍。现有国内外数据中心案

例中，有些选择了双路冗余供电结构的其中一路应用飞轮UPS，而另一路使用

传统UPS，以兼顾电源后备时间、投资成本与节能之间的平衡。

（二）高压直流供电

所谓高压直流供电，是与通信行业48V直流系统相比而言的。与传统UPS相比，

高压直流供电减少了一个逆变环节，对交流市電进行整流后直接给服务器设备

供电，图3是其原理图。由于整个系统的元件减少，能耗随之降低，高压直流

供电设备的效率在