交流電源的現(xiàn)狀和缺點(diǎn) 直流電源的可行性和帶來(lái)的優(yōu)勢(shì) 1. 交流電源的現(xiàn)狀和缺點(diǎn)

交流電源在配電領(lǐng)域的發(fā)展中扮演著至關(guān)重要的角色，主要是因?yàn)橐韵碌膬?yōu)勢(shì)：

a） 遠(yuǎn)距離傳輸中損耗較低；

b） 良好的滅弧性能用以保護(hù)開(kāi)關(guān)；

c） 交流整流成本要遠(yuǎn)低于直流逆變的成本。

然而，交流電源并不一定是輸送功率最有效的手段，這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)機(jī)房中，交流和直流需要進(jìn)行頻繁轉(zhuǎn)化。機(jī)房中的服務(wù)器與UPS電源由于技術(shù)特性必須采用直流供電，這就導(dǎo)致了大量未使用的電力在數(shù)據(jù)中心中消失在冗長(zhǎng)、持續(xù)、最終不必要的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，并總是產(chǎn)生不必要的熱量，這也會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著綠色數(shù)字化趨勢(shì)的流行，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心對(duì)于能耗提出了更高的要求。

2. 高能耗的數(shù)據(jù)中心

a） 全球數(shù)據(jù)中心能耗

根據(jù)英國(guó)2016年的一份獨(dú)立報(bào)告，數(shù)據(jù)中心消耗了全球約3%的電力和排放了2%的溫室氣體，考慮到目前存在的大量電子系統(tǒng)和設(shè)備，這產(chǎn)生的影響是至關(guān)重要的。在過(guò)去的幾年里，全球數(shù)據(jù)中心平均每年消耗416.2太瓦時(shí)（TWh）的電力，而英國(guó)全國(guó)有超過(guò)6600萬(wàn)人，同時(shí)一直位列GDP前十，平均每年大約只消耗300 TWh。因此，完全可以說(shuō)今天的數(shù)據(jù)中心是真正的能源消耗者。

b） PUE值常見(jiàn)范圍

PUE通常用于評(píng)估數(shù)據(jù)中心效率的度量，我們?cè)谥暗膱?bào)告中提到過(guò)這個(gè)概念，即電能使用效率值。PUE值為1.3意味著消耗的能量有30%作為熱量散去而沒(méi)有被利用。這聽(tīng)起來(lái)可能很多，但它實(shí)際上被認(rèn)為是一個(gè)極好的PUE值。值在2左右或更高可能會(huì)更加常見(jiàn)，而不是例外。

3. 數(shù)據(jù)中心的直流方案

由于每一次交流到直流轉(zhuǎn)換都會(huì)造成電力損耗和熱量產(chǎn)生，而數(shù)據(jù)中心服務(wù)器在直流電源下工作，因此為數(shù)據(jù)中心提供直流電源并在整個(gè)電源鏈中盡可能一致地使用是非常有意義的。為了使用盡可能多的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)這一改變，引入的中壓交流電將通過(guò)大功率整流器向下轉(zhuǎn)換為直流電。然后直流電源將為UPS提供電能，然后再轉(zhuǎn)移到直流開(kāi)關(guān)設(shè)備，進(jìn)一步分配到新的直流服務(wù)器電源，最后再分配到使用直流電源電壓的服務(wù)器。一種更有效的模式還可以將傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)電力替換為由太陽(yáng)能和風(fēng)能等替代能源系統(tǒng)產(chǎn)生的直接直流電力供應(yīng)。

圖1：一個(gè)典型的交流數(shù)據(jù)中心架構(gòu)（上）與一個(gè)典型的直流數(shù)據(jù)中心架構(gòu)（下）。

直流架構(gòu)使用的組件要少得多，這本質(zhì)上提高了效率和可靠性，同時(shí)最小化了對(duì)物理空間的要求，還允許在不需要轉(zhuǎn)換的情況下直接集成可再生能源。

4. 直流數(shù)據(jù)中心的其他優(yōu)勢(shì)

a） 更高的可靠性

數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)的直流方法使用的組件比當(dāng)前的交流方法要少得多。更少的組件需要更少的時(shí)間來(lái)安裝和服務(wù)，減少潛在的錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的可靠性，減少安裝和維護(hù)成本，這使得直流方法也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。根據(jù)日本電報(bào)電話公司（NTT）進(jìn)行的一項(xiàng)研究，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的可靠性有望提高10倍，這僅僅是因?yàn)樗荒敲磸?fù)雜。此外，根據(jù)ABB等公司的計(jì)算和研究，服務(wù)器達(dá)到效率（supply-to-serverefficiency）提高了約10%，減少基礎(chǔ)設(shè)施投資成本約15%，同時(shí)減少了大約25%的所需的空間。

b） 良好的電源質(zhì)量

直流數(shù)據(jù)中心架構(gòu)也提高了電源的質(zhì)量。它們消除了不必要的諧波和諧波失真問(wèn)題，以及相位補(bǔ)償、同步（為了耦合不同的源和網(wǎng)絡(luò)）、甚至整流器和逆變器的問(wèn)題，因?yàn)殡姵刂苯舆B接到直流電源。

c） 更好的集成性

此外，由于人口密集的土地成本較高，數(shù)據(jù)中心幾乎完全位于偏僻地區(qū)，因此整合可再生能源（如光伏、燃料電池或風(fēng)力渦輪機(jī)）要容易得多，特別是因?yàn)樗鼈円呀?jīng)以直流電的形式提供電力。

5. 數(shù)據(jù)中心直流標(biāo)準(zhǔn)

在中國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)和瑞士已經(jīng)有了一些直流數(shù)據(jù)中心。但是，目前還沒(méi)有任何需要遵守的綁定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)TS 62735，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）已經(jīng)著手用標(biāo)準(zhǔn)化的插頭和插座設(shè)備來(lái)創(chuàng)建缺失的環(huán)節(jié)。IEC TS 62735-1標(biāo)準(zhǔn)用于2.6kW以下的配電系統(tǒng)，自2015年8月起被采用。IEC TS62735-2標(biāo)準(zhǔn)于2016年12月獲得批準(zhǔn)，適用于輸出功率不超5.2kW且在負(fù)載下不能分離的配電系統(tǒng)。

下一步是批準(zhǔn)設(shè)備端等效程序。幾種不同的直流連接器的方法已經(jīng)被引入市場(chǎng)，但是由于目前缺乏標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有一種方法能夠占上風(fēng)。因此，各種供應(yīng)商正在與IEC標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)合作，在之前AC標(biāo)準(zhǔn)IEC60320的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一個(gè)國(guó)際認(rèn)可的直流插頭連接標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)中心電壓供應(yīng)的全球轉(zhuǎn)換需要是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，以防止所有的供電設(shè)備需要同時(shí)從交流電源切換到直流電源。然而，支持這一巨大變化的解決方案，包括能夠同時(shí)為數(shù)據(jù)中心設(shè)備提供交流和直流電源的設(shè)備，全球廠商正在積極探索。這些設(shè)備的供電單元可以處理兩種供電電壓，但國(guó)際上有效的解決方案還必須確保所有與安全有關(guān)的預(yù)防措施都被考慮在內(nèi)。

圖2：IEC標(biāo)準(zhǔn)直流插頭

近期一些制造商發(fā)布了首個(gè)UL批準(zhǔn)的IEC TS 62735-1連接器系統(tǒng)、GS21插座插座和GP21可重新布線插頭，旨在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心直流配電的標(biāo)準(zhǔn)化全球方法。IP20連接器系統(tǒng)的額定電壓可達(dá)400VDC，額定電流達(dá)8.8A，工作溫度從-5℃延長(zhǎng)到105℃。它還支持熱插拔，可以在2.6千瓦的負(fù)載下安全地?cái)嚅_(kāi)連接。

6. 數(shù)據(jù)中心直流方案缺點(diǎn)

哪里有光，哪里就有陰影。這個(gè)通用準(zhǔn)則也適用于直流數(shù)據(jù)中心。與目前流行的交流系統(tǒng)架構(gòu)相比，直流數(shù)據(jù)中心架構(gòu)仍相對(duì)較少。因此，缺乏關(guān)于它們長(zhǎng)期表現(xiàn)和利益的數(shù)據(jù)。直流元件的可用性也還處于起步階段，這些元件不僅需要標(biāo)準(zhǔn)化，而且還需要一種新的直流電源系統(tǒng)方法，即從電網(wǎng)到服務(wù)器的整體規(guī)劃。例如，由于損耗在每個(gè)電力系統(tǒng)中都會(huì)發(fā)生，所以直流數(shù)據(jù)中心仍然會(huì)遇到損耗，比如熱量損耗，因此也需要直流供電的冷卻系統(tǒng)。他們還需要直流空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)和建筑控制系統(tǒng)等。

所有的制造商、供應(yīng)商、工程師、設(shè)計(jì)師、標(biāo)準(zhǔn)組織、運(yùn)營(yíng)商和電力供應(yīng)鏈的其他成員之間的大規(guī)模市場(chǎng)合作將是必要的，以一種有效的方式實(shí)現(xiàn)這種大規(guī)模的范式轉(zhuǎn)變，并分享直流數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)的許多好處。

7. 直流數(shù)據(jù)中心前景

基于直流電源的數(shù)據(jù)中心具有巨大的潛力。其好處包括可觀的能源節(jié)約，以及在操作和基礎(chǔ)設(shè)施成本、物理空間需求以及安裝和維護(hù)所需的時(shí)間上的顯著節(jié)省。由于它們使用更少的組件，因此也提供了更高的可靠性性能。直流數(shù)據(jù)中心還可以直接利用可再生能源提供的直流電力，而無(wú)需額外的整流或轉(zhuǎn)換過(guò)程，這將進(jìn)一步提高效率、整體系統(tǒng)成本和可持續(xù)性。最后，直流電源的質(zhì)量明顯優(yōu)于交流電源。因此，一些連接部件供應(yīng)商正和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織如IEC正在積極合作，以實(shí)現(xiàn)直流數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的巨大潛力。
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