交流電源的現狀和缺點 直流電源的可行性和帶來的優勢 1. 交流電源的現狀和缺點

交流電源在配電領域的發展中扮演著至關重要的角色，主要是因為以下的優勢：

a） 遠距離傳輸中損耗較低；

b） 良好的滅弧性能用以保護開關；

c） 交流整流成本要遠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，這是因為在數據機房中，交流和直流需要進行頻繁轉化。機房中的服務器與UPS電源由于技術特性必須采用直流供電，這就導致了大量未使用的電力在數據中心中消失在冗長、持續、最終不必要的轉換過程中，并總是產生不必要的熱量，這也會對電子系統產生負面影響。隨著綠色數字化趨勢的流行，越來越多的數據中心對于能耗提出了更高的要求。

2. 高能耗的數據中心

a） 全球數據中心能耗

根據英國2016年的一份獨立報告，數據中心消耗了全球約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和設備，這產生的影響是至關重要的。在過去的幾年里，全球數據中心平均每年消耗416.2太瓦時（TWh）的電力，而英國全國有超過6600萬人，同時一直位列GDP前十，平均每年大約只消耗300 TWh。因此，完全可以說今天的數據中心是真正的能源消耗者。

b） PUE值常見范圍

PUE通常用于評估數據中心效率的度量，我們在之前的報告中提到過這個概念，即電能使用效率值。PUE值為1.3意味著消耗的能量有30%作為熱量散去而沒有被利用。這聽起來可能很多，但它實際上被認為是一個極好的PUE值。值在2左右或更高可能會更加常見，而不是例外。

3. 數據中心的直流方案

由于每一次交流到直流轉換都會造成電力損耗和熱量產生，而數據中心服務器在直流電源下工作，因此為數據中心提供直流電源并在整個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有基礎設施來實現這一改變，引入的中壓交流電將通過大功率整流器向下轉換為直流電。然后直流電源將為UPS提供電能，然后再轉移到直流開關設備，進一步分配到新的直流服務器電源，最后再分配到使用直流電源電壓的服務器。一種更有效的模式還可以將傳統的交流電網電力替換為由太陽能和風能等替代能源系統產生的直接直流電力供應。

圖1：一個典型的交流數據中心架構（上）與一個典型的直流數據中心架構（下）。

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

4. 直流數據中心的其他優勢

a） 更高的可靠性

數據中心電源架構的直流方法使用的組件比當前的交流方法要少得多。更少的組件需要更少的時間來安裝和服務，減少潛在的錯誤，提高系統的可靠性，減少安裝和維護成本，這使得直流方法也是一個經濟有效的解決方案。根據日本電報電話公司（NTT）進行的一項研究，數據中心系統的可靠性有望提高10倍，這僅僅是因為它不那么復雜。此外，根據ABB等公司的計算和研究，服務器達到效率（supply-to-serverefficiency）提高了約10%，減少基礎設施投資成本約15%，同時減少了大約25%的所需的空間。

b） 良好的電源質量

直流數據中心架構也提高了電源的質量。它們消除了不必要的諧波和諧波失真問題，以及相位補償、同步（為了耦合不同的源和網絡）、甚至整流器和逆變器的問題，因為電池直接連接到直流電源。

c） 更好的集成性

此外，由于人口密集的土地成本較高，數據中心幾乎完全位于偏僻地區，因此整合可再生能源（如光伏、燃料電池或風力渦輪機）要容易得多，特別是因為它們已經以直流電的形式提供電力。

5. 數據中心直流標準

在中國、日本、美國、德國和瑞士已經有了一些直流數據中心。但是，目前還沒有任何需要遵守的綁定標準。根據TS 62735，國際電工委員會（IEC）已經著手用標準化的插頭和插座設備來創建缺失的環節。IEC TS 62735-1標準用于2.6kW以下的配電系統，自2015年8月起被采用。IEC TS62735-2標準于2016年12月獲得批準，適用于輸出功率不超5.2kW且在負載下不能分離的配電系統。

下一步是批準設備端等效程序。幾種不同的直流連接器的方法已經被引入市場，但是由于目前缺乏標準，沒有一種方法能夠占上風。因此，各種供應商正在與IEC標準化機構合作，在之前AC標準IEC60320的基礎上，創建一個國際認可的直流插頭連接標準。

數據中心電壓供應的全球轉換需要是一個漸進的過程，以防止所有的供電設備需要同時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，包括能夠同時為數據中心設備提供交流和直流電源的設備，全球廠商正在積極探索。這些設備的供電單元可以處理兩種供電電壓，但國際上有效的解決方案還必須確保所有與安全有關的預防措施都被考慮在內。

圖2：IEC標準直流插頭

近期一些制造商發布了首個UL批準的IEC TS 62735-1連接器系統、GS21插座插座和GP21可重新布線插頭，旨在實現數據中心直流配電的標準化全球方法。IP20連接器系統的額定電壓可達400VDC，額定電流達8.8A，工作溫度從-5℃延長到105℃。它還支持熱插拔，可以在2.6千瓦的負載下安全地斷開連接。

6. 數據中心直流方案缺點

哪里有光，哪里就有陰影。這個通用準則也適用于直流數據中心。與目前流行的交流系統架構相比，直流數據中心架構仍相對較少。因此，缺乏關于它們長期表現和利益的數據。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準化，而且還需要一種新的直流電源系統方法，即從電網到服務器的整體規劃。例如，由于損耗在每個電力系統中都會發生，所以直流數據中心仍然會遇到損耗，比如熱量損耗，因此也需要直流供電的冷卻系統。他們還需要直流空調系統、消防系統、門禁系統和建筑控制系統等。

所有的制造商、供應商、工程師、設計師、標準組織、運營商和電力供應鏈的其他成員之間的大規模市場合作將是必要的，以一種有效的方式實現這種大規模的范式轉變，并分享直流數據中心系統架構的許多好處。

7. 直流數據中心前景

基于直流電源的數據中心具有巨大的潛力。其好處包括可觀的能源節約，以及在操作和基礎設施成本、物理空間需求以及安裝和維護所需的時間上的顯著節省。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。直流數據中心還可以直接利用可再生能源提供的直流電力，而無需額外的整流或轉換過程，這將進一步提高效率、整體系統成本和可持續性。最后，直流電源的質量明顯優于交流電源。因此，一些連接部件供應商正和國際標準組織如IEC正在積極合作，以實現直流數據中心架構的巨大潛力。
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