APCUPS智能在線模式：數(shù)據(jù)中心的一場(chǎng)節(jié)電革命
數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了數(shù)十年的成長(zhǎng)，已成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)建設(shè)的“數(shù)字底座”。尤其近年來(lái)，從新基建到“東數(shù)西算”戰(zhàn)略的啟動(dòng)，帶動(dòng)了新一輪數(shù)據(jù)中心的發(fā)展浪潮。
同時(shí)，在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的大背景下，數(shù)據(jù)中心需要以節(jié)能降碳為目標(biāo)，加速向新型綠色數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型。
當(dāng)新趨勢(shì)與新需求相互疊加，倒逼數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)告別粗放式的增長(zhǎng)，邁向精細(xì)化的創(chuàng)新發(fā)展模式，每一處細(xì)節(jié)的精細(xì)把控，都有可能為數(shù)據(jù)中心創(chuàng)造更高的效率和更低的能耗。
2021年7月，工信部印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》中，明確提出到新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE要降低到1.3以下，而由于PUE受限于數(shù)據(jù)中心全生命周期的多項(xiàng)指標(biāo)，每降低0.01都是巨大的挑戰(zhàn)。
一項(xiàng)UPS智能在線技術(shù)橫空出世，不僅可以降低數(shù)據(jù)中心PUE0.03-0.04，還可以做到在任何電網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)行，并適用于任何數(shù)據(jù)中心主流架構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)如果拓展到全國(guó)的數(shù)據(jù)中心，勢(shì)必將會(huì)掀起一輪節(jié)電革命。
1 魚與熊掌能否兼得的難題
每個(gè)數(shù)據(jù)中心，都會(huì)設(shè)計(jì)最大用電負(fù)荷，不同的數(shù)據(jù)中心規(guī)模也會(huì)匹配相應(yīng)的最大電負(fù)荷數(shù)值。
數(shù)據(jù)中心規(guī)模劃分
近日，剛剛發(fā)布《UPS智能在線技術(shù)白皮書》顯示：一座10MVA的數(shù)據(jù)中心，UPS負(fù)載率為40%時(shí)，每提升1%效率，可降低PUE約0.01，年省電可達(dá)50萬(wàn)度。采用“UPS智能在線模式”，數(shù)據(jù)中心即可提升3-4%系統(tǒng)效率，可降低PUE0.03-0.04，這等于年節(jié)電可高達(dá)150-200萬(wàn)度。而這僅僅是一個(gè)處于規(guī)模下限的大型數(shù)據(jù)中心，可以想象如果全國(guó)中型及以上規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，都能夠采用這項(xiàng)技術(shù)，會(huì)為整個(gè)社會(huì)節(jié)省億萬(wàn)度的電量。
智能在線模式到底從何而來(lái)，又是在何種背景下誕生的呢？
首先，從產(chǎn)業(yè)宏觀需求來(lái)看，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，綠色化是必由之路。通過(guò)融合高密、高效節(jié)能的供電系統(tǒng)重構(gòu)是大勢(shì)所趨，而智能在線模式恰是一個(gè)典型的為供電系統(tǒng)提效的核心技術(shù)。
其次，從數(shù)據(jù)中心自身的綠色化設(shè)計(jì)來(lái)看，傳統(tǒng)供電系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗近10%，圍繞UPS的效率提升做技術(shù)升級(jí)也是迫在眉睫。
傳統(tǒng)UPS的工作模式，主要是在線雙變換模式，即通過(guò)對(duì)市電的整流、逆變兩次變換，為負(fù)載供應(yīng)高質(zhì)量的市電，這種模式的優(yōu)勢(shì)在于可靠性較大，但缺點(diǎn)則是效率較低，相應(yīng)的就會(huì)帶來(lái)較高的耗電量。
為了創(chuàng)造更高的效率，衍生出了ECO模式，通過(guò)UPS靜態(tài)旁路為負(fù)載供電，相當(dāng)于市電直供，以此來(lái)獲得更高的效率。但ECO模式也有一個(gè)缺點(diǎn)就是會(huì)存在切換間斷和諧波補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
魚與熊掌，似乎不能兼得。
2 智能在線模式的四項(xiàng)價(jià)值和三點(diǎn)意義
如何融合兩者的優(yōu)勢(shì)，也就是說(shuō)在ECO模式的高效基礎(chǔ)上，解決切換間斷和諧波補(bǔ)償，同時(shí)獲得高效和穩(wěn)定？
智能在線模式，逐漸浮出了水面。
智能在線模式的定義：是基于智能在線技術(shù)的UPS新型工作模式，通過(guò)硬件架構(gòu)和控制邏輯的優(yōu)化，解決在線雙變換模式的系統(tǒng)效率低，ECO模式輸出有間斷、諧波大、輸入浪涌電壓干擾的問(wèn)題。
智能在線模式示意
從定義上可以看出這項(xiàng)技術(shù)的幾個(gè)關(guān)鍵價(jià)值。
第一，解決切換間斷問(wèn)題。智能在線模式可以做到全模式0ms切換。UPS自動(dòng)檢測(cè)旁路輸入電網(wǎng)質(zhì)量，當(dāng)旁路輸入正常時(shí)，優(yōu)先由旁路直供，當(dāng)旁路電網(wǎng)異常時(shí)，0ms切換至逆變器供電，滿足IEC62040-3定義的CLASS1動(dòng)態(tài)響應(yīng)等級(jí)，當(dāng)旁路恢復(fù)后可自動(dòng)返回旁路供電。
第二，解決在線模式效率低的問(wèn)題。智能在線模式可以做到全負(fù)載范圍高效。旁路直接供電時(shí)，UPS損耗極低，系統(tǒng)最高效率＞99.1%，20%以上負(fù)載率效率＞98.5%。
第三，解決諧波大的問(wèn)題。智能在線模式可以實(shí)現(xiàn)高壓浪涌抑制。旁路直接供電時(shí)，旁路輸入的浪涌電壓很容易傳到負(fù)載端口，針對(duì)浪涌高壓，智能在線模式通過(guò)高低壓箝位技術(shù)，電壓降低時(shí)補(bǔ)償，電壓升高時(shí)吸收，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證輸出電壓可滿足IEC61000-4-5對(duì)浪涌電壓的要求。
第四，解決輸入浪涌電壓干擾的問(wèn)題。智能在線模式可做到主動(dòng)諧波補(bǔ)償。IT設(shè)備內(nèi)部電源帶有功率因數(shù)矯正（PFC），對(duì)外呈現(xiàn)的功率因數(shù)較好（＞0.9），可直接由旁路供電，但部分動(dòng)力和工藝設(shè)備并沒(méi)有功率因數(shù)矯正功能，如空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備，傳統(tǒng)ECO的旁路直供工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生無(wú)功能量和高次諧波流入電網(wǎng)中，引起線路損耗增大、絕緣老化加速、設(shè)備壽命減少等問(wèn)題。
從這四項(xiàng)價(jià)值，很容易讀出智能在線模式的意義。
一是，充分體現(xiàn)了“智能”的內(nèi)涵，無(wú)論是0ms切換還是主動(dòng)諧波補(bǔ)償，背后都是智能的判斷和調(diào)度。
二是，可以作為電網(wǎng)質(zhì)量的有力補(bǔ)充。數(shù)據(jù)中心如采用市電直供，則無(wú)法屏蔽電網(wǎng)質(zhì)量的問(wèn)題，即便有短暫的間斷也會(huì)造成不可估量的損失。而可按照電網(wǎng)質(zhì)量選擇在線模式或是智能在線模式，可以滿足任何電網(wǎng)質(zhì)量環(huán)境下運(yùn)行。
三是，技術(shù)本身具備普惠性，智能在線模式同在線模式相同，可適合于多種供電架構(gòu)，無(wú)論在雙路智能在線模式，還是單路智能在線模式，均能保障供電系統(tǒng)的高效。
3 一場(chǎng)數(shù)據(jù)中心的節(jié)電革命
我們說(shuō)，優(yōu)秀的技術(shù)一定要在場(chǎng)景中驗(yàn)證，要在實(shí)際的落地中體現(xiàn)價(jià)值。
目前，華為UPS5000-H旗艦機(jī)型搭載了智能在線模式并進(jìn)行了全方位驗(yàn)證，該機(jī)型覆蓋容量400k-1600kVA，適用于中大容量數(shù)據(jù)中心和行業(yè)關(guān)鍵供電。
UPS5000-H-1200kVA
TüV南德和泰爾實(shí)驗(yàn)室對(duì)智能在線模式進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，所有參數(shù)均達(dá)到期望值。測(cè)試結(jié)果顯示：UPS5000-H可實(shí)現(xiàn)20%-100%負(fù)載效率＞98.5%，最高效率達(dá)99.1%，而業(yè)界數(shù)據(jù)中心常見(jiàn)負(fù)載率為20%-80%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于UPS5000-H帶來(lái)的效率。同時(shí)，當(dāng)旁路輸入異常時(shí)轉(zhuǎn)至在線雙變換運(yùn)行，效率依然可以達(dá)到97%，由此可見(jiàn)，UPS5000-H是一款極致節(jié)能的UPS產(chǎn)品，解決了傳統(tǒng)ECO的切換間斷和諧波污染問(wèn)題以及電網(wǎng)側(cè)的電壓跌落和浪涌電壓?jiǎn)栴}。
從落地實(shí)踐方面，智能在線技術(shù)已在華為云烏蘭察布數(shù)據(jù)中心和Colo企業(yè)得到商業(yè)應(yīng)用。在保障可靠性的前提下，采用智能在線模式可提升3-4%系統(tǒng)效率，對(duì)比業(yè)界常見(jiàn)95%-96%的UPS效率，可降低PUE0.03-0.04，為設(shè)計(jì)高可靠性和高效率雙優(yōu)的數(shù)據(jù)中心或行業(yè)關(guān)鍵供電方案提供創(chuàng)新技術(shù)和實(shí)踐方案。
華為云烏蘭察布數(shù)據(jù)中心
最后，從實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效率來(lái)看，智能在線模式相比于在線雙變換模式，半載效率提高了2%，滿載效率提高了3%，以半載為例，按照0.8元/kW*h電費(fèi)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于10MVA的數(shù)據(jù)中心，10年節(jié)省電費(fèi)可到778.4萬(wàn)元。
可以想象，如果全國(guó)的數(shù)據(jù)中心都替換為搭載智能在線技術(shù)的UPS產(chǎn)品，每年節(jié)省的電費(fèi)，會(huì)是何等天文數(shù)字。我們之所以將綠色化作為可持續(xù)發(fā)展的重要標(biāo)志，就是因?yàn)榫G色化帶來(lái)的節(jié)省與節(jié)能，能夠?qū)ι鐣?huì)經(jīng)濟(jì)有促進(jìn)的作用。
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