数据中心用融合电力模块系统

张志敏

（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

通过详细论述适用于数据中心类工程的融合电力模块系统方案，即把10 kV交流电源转换成低压240 V/336 V直流电源的供配电系统，分别从可获得性、交付速度、设备空间占比、系统效率以及运维效率等方面与传统供配电系统进行比较，并列举了融合电力模块的缺点。

1 融合电力模块概述

在数据中心大基建的时代背景下，融合电力模块的诞生是必然的。融合电力模块的作用是把数据中心的高压10 kV交流电源直接变换成低压380 V交流电源或直流240 V/336 V电源，将传统供配电系统中的10 kV/0.4 kV变压器、低压配电柜、电容补偿柜以及不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）输入输出柜融合成一个整体的输入输出供配电系统单元。2 500 kVA融合电力模块系统结构如图1所示。

数据中心用融合电力模块具备超高效、低损耗、低成本、安全可靠、易维护、易安装以及节约空间等显著优势，能够满足大型及以上规模数据中心对不间断电源系统的需求[1-3]。

2 融合电力模块与传统供配电系统的比较

2.1 可获得性与交付

数据中心传统供配电系统包括10 kV开关柜、10 kV/0.4 kV变压器、低压柜、UPS输入输出柜以及蓄电池，如此多种类的设备就会导致产品品牌不一致、型号尺寸难统一、设备招标采购程序繁杂。此外，设备繁杂会导致到货和现场管理困难，也会增加线缆施工的工作量。传统供配电系统的交付工期长，一般在2个月（设备安装2周、母线测量生产安装3周、设备联调2.5周、系统验证1周）以上，而且交付质量过于依赖施工水平。融合电力模块将传统供配电系统中的10 kV/0.4 kV变压器、低压配电柜、电容补偿柜以及UPS输入输出柜融合成一个整体的输入输出供配电系统单元，可以大大减少现场线缆施工的工作量。此外，融合电力模块可以由同一个工厂预制整合，现场施工交付工期约2周（现场吊装就位1周、系统验证1周）。

2.2 设备空间占比

数据中心传统供配电系统繁多的设备会挤压IT设备的布置空间，当IT设备单机柜功耗为4 kW时，配电间与IT机房间的空间占比约为1∶4；当IT设备单机柜功耗为8 kW时，配电间与IT机房间的空间占比约为1∶2；当IT设备单机柜功耗为16 kW时，配电间与IT机房间的空间占比约为1∶1。由此可见，IT设备功率的快速提升会导致传统供配电系统空间占比越来越高，导致IT设备的“得房率”越来越低[4]。配电间与IT空间比例如图2所示。

图2 配电间与IT空间比例

以一套2 500 kVA（2N配置）供配电系统为例，传统供配电系统配电间内设有高压分断柜、变压器、低压进线柜、低压出线柜、低压补偿柜以及UPS输入输出柜，共计46面柜，其建筑面积为184.92 ㎡，如图3所示。

图3 传统供配电系统的配电室室内布局

融合电力模块系统配电间内设高压分断柜及融合电力模块，共计24面柜，其建筑面积为134.32 ㎡，如图4所示。

图4 融合电力模块系统的配电室室内布局

与传统供配电系统相比，融合电力模块系统可节约将近一半的配电柜，提高约30%的空间利用率。一般大型及以上规模的数据中心园区内设有多栋数据机房楼，每栋楼内均可设3～4套2 500 kVA（2N配置）供配电系统，那么采用融合电力模块系统的数据中心可以进一步提高空间利用率[5,6]。

2.3 系统供电效率

目前，数据中心传统供配电系统全链路供电效率小于94.5%，效率低、能源浪费严重。为了提高供电效率，最直接的办法就是降低线路损耗。由于传统供配电系统和融合电力模块系统外市电至高压配电系统的路径相同，因此本文对外市电的线路损耗不做分析。除了外市电的线路损耗之外，传统供配电系统高压侧到直流设备侧损耗主要有变压器的损耗、线路损耗以及整流设备的损耗，而融合电力模块系统高压侧到直流设备侧损耗只有变压器的损耗和整流设备的损耗。由于减少了线路损耗，一般融合电力模块系统全链路供电效率可以提高到95.6%[7-9]。

2.4 运维效率

传统供配电系统的运维工作过于依赖人工经验，大部分数据中心项目上都难以完全配备有经验且技术扎实的运维人员。传统供配电系统设备繁多会导致其故障种类多、排查难度大，排除故障的大部分时间都消耗在故障定位上。而融合电力模块可以将关键部件模块化，支持热插拔，排查难度小，故障定位耗时短，其维护简单，对运维人员要求较低。

3 融合电力模块的缺点

融合电力模块将传统分散式的变压器、低压柜、补偿柜及UPS输入输出柜集中到一个设备中，除了普通干变铁芯绕组产生的热量外，还有大量整流设备产生的热量，其通风量和散热量需要详细计算来相互匹配。

除此之外，融合电力模块采用的大量整流设备不可避免会产生谐波分量，且谐波分量产生在10 kV侧。当采用数量较多的融合电力模块时，谐波分量的叠加会导致更多谐波对10 kV侧供电系统造成污染，目前行业内治理谐波问题最好的措施是在低压侧装设有源滤波无功补偿装置[10]。

4 结 论

随着大数据时代的到来，大型和超大型数据中心类工程日益增多，IT设备的单机柜功耗从2 kW提升到20 kW，数据中心对供配电系统的要求也越来越高。数据中心的供配电系统应与时俱进，才能保障大数据基建工程有序、良好的运行。针对当前数据中心机架容量和空间的需求，电力融合模块将会被越来越多地应用到大型及以上规模的数据中心项目中，通过选择适用的供配电系统方案，从而获得良好的经济效益与社会效益。