數據中心用融合電力模塊系統

張志敏

（安徽電信規劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

通過詳細論述適用于數據中心類工程的融合電力模塊系統方案，即把10 kV交流電源轉換成低壓240 V/336 V直流電源的供配電系統，分別從可獲得性、交付速度、設備空間占比、系統效率以及運維效率等方面與傳統供配電系統進行比較，并列舉了融合電力模塊的缺點。

1 融合電力模塊概述

在數據中心大基建的時代背景下，融合電力模塊的誕生是必然的。融合電力模塊的作用是把數據中心的高壓10 kV交流電源直接變換成低壓380 V交流電源或直流240 V/336 V電源，將傳統供配電系統中的10 kV/0.4 kV變壓器、低壓配電柜、電容補償柜以及不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）輸入輸出柜融合成一個整體的輸入輸出供配電系統單元。2 500 kVA融合電力模塊系統結構如圖1所示。

數據中心用融合電力模塊具備超高效、低損耗、低成本、安全可靠、易維護、易安裝以及節約空間等顯著優勢，能夠滿足大型及以上規模數據中心對不間斷電源系統的需求[1-3]。

2 融合電力模塊與傳統供配電系統的比較

2.1 可獲得性與交付

數據中心傳統供配電系統包括10 kV開關柜、10 kV/0.4 kV變壓器、低壓柜、UPS輸入輸出柜以及蓄電池，如此多種類的設備就會導致產品品牌不一致、型號尺寸難統一、設備招標采購程序繁雜。此外，設備繁雜會導致到貨和現場管理困難，也會增加線纜施工的工作量。傳統供配電系統的交付工期長，一般在2個月（設備安裝2周、母線測量生產安裝3周、設備聯調2.5周、系統驗證1周）以上，而且交付質量過于依賴施工水平。融合電力模塊將傳統供配電系統中的10 kV/0.4 kV變壓器、低壓配電柜、電容補償柜以及UPS輸入輸出柜融合成一個整體的輸入輸出供配電系統單元，可以大大減少現場線纜施工的工作量。此外，融合電力模塊可以由同一個工廠預制整合，現場施工交付工期約2周（現場吊裝就位1周、系統驗證1周）。

2.2 設備空間占比

數據中心傳統供配電系統繁多的設備會擠壓IT設備的布置空間，當IT設備單機柜功耗為4 kW時，配電間與IT機房間的空間占比約為1∶4；當IT設備單機柜功耗為8 kW時，配電間與IT機房間的空間占比約為1∶2；當IT設備單機柜功耗為16 kW時，配電間與IT機房間的空間占比約為1∶1。由此可見，IT設備功率的快速提升會導致傳統供配電系統空間占比越來越高，導致IT設備的“得房率”越來越低[4]。配電間與IT空間比例如圖2所示。

圖2 配電間與IT空間比例

以一套2 500 kVA（2N配置）供配電系統為例，傳統供配電系統配電間內設有高壓分斷柜、變壓器、低壓進線柜、低壓出線柜、低壓補償柜以及UPS輸入輸出柜，共計46面柜，其建筑面積為184.92 ㎡，如圖3所示。

圖3 傳統供配電系統的配電室室內布局

融合電力模塊系統配電間內設高壓分斷柜及融合電力模塊，共計24面柜，其建筑面積為134.32 ㎡，如圖4所示。

圖4 融合電力模塊系統的配電室室內布局

與傳統供配電系統相比，融合電力模塊系統可節約將近一半的配電柜，提高約30%的空間利用率。一般大型及以上規模的數據中心園區內設有多棟數據機房樓，每棟樓內均可設3～4套2 500 kVA（2N配置）供配電系統，那么采用融合電力模塊系統的數據中心可以進一步提高空間利用率[5,6]。

2.3 系統供電效率

目前，數據中心傳統供配電系統全鏈路供電效率小于94.5%，效率低、能源浪費嚴重。為了提高供電效率，最直接的辦法就是降低線路損耗。由于傳統供配電系統和融合電力模塊系統外市電至高壓配電系統的路徑相同，因此本文對外市電的線路損耗不做分析。除了外市電的線路損耗之外，傳統供配電系統高壓側到直流設備側損耗主要有變壓器的損耗、線路損耗以及整流設備的損耗，而融合電力模塊系統高壓側到直流設備側損耗只有變壓器的損耗和整流設備的損耗。由于減少了線路損耗，一般融合電力模塊系統全鏈路供電效率可以提高到95.6%[7-9]。

2.4 運維效率

傳統供配電系統的運維工作過于依賴人工經驗，大部分數據中心項目上都難以完全配備有經驗且技術扎實的運維人員。傳統供配電系統設備繁多會導致其故障種類多、排查難度大，排除故障的大部分時間都消耗在故障定位上。而融合電力模塊可以將關鍵部件模塊化，支持熱插拔，排查難度小，故障定位耗時短，其維護簡單，對運維人員要求較低。

3 融合電力模塊的缺點

融合電力模塊將傳統分散式的變壓器、低壓柜、補償柜及UPS輸入輸出柜集中到一個設備中，除了普通干變鐵芯繞組產生的熱量外，還有大量整流設備產生的熱量，其通風量和散熱量需要詳細計算來相互匹配。

除此之外，融合電力模塊采用的大量整流設備不可避免會產生諧波分量，且諧波分量產生在10 kV側。當采用數量較多的融合電力模塊時，諧波分量的疊加會導致更多諧波對10 kV側供電系統造成污染，目前行業內治理諧波問題最好的措施是在低壓側裝設有源濾波無功補償裝置[10]。

4 結 論

隨著大數據時代的到來，大型和超大型數據中心類工程日益增多，IT設備的單機柜功耗從2 kW提升到20 kW，數據中心對供配電系統的要求也越來越高。數據中心的供配電系統應與時俱進，才能保障大數據基建工程有序、良好的運行。針對當前數據中心機架容量和空間的需求，電力融合模塊將會被越來越多地應用到大型及以上規模的數據中心項目中，通過選擇適用的供配電系統方案，從而獲得良好的經濟效益與社會效益。