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數(shù)據(jù)中心面臨在新型電力系統(tǒng)中多種新能源接入而產(chǎn)生的電能質(zhì)量挑戰(zhàn)
數(shù)據(jù)中心存在多種新能源接入的趨勢
據(jù)中國算力平臺統(tǒng)計測算，2023年中國數(shù)據(jù)中心耗電量約為1500億千瓦時，占全社會用電量的1.6%，中國算力市場規(guī)模平均增速達到30%，數(shù)據(jù)中心耗電量年增速為15%，數(shù)據(jù)中心作為一個典型的吃電大戶，推動其使用綠色電力，改善能源結(jié)構(gòu)，有助于中國3060雙碳目標(biāo)的達成，持續(xù)落實“東數(shù)西算”戰(zhàn)略，鼓勵引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心向資源豐富的西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，消納西部地區(qū)的綠色電力，減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，改善中國的能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化東西部資源互補。
2023年4月 財政部、生態(tài)環(huán)境部、工信部聯(lián)合發(fā)布的《綠色數(shù)據(jù)中心政府采購需求標(biāo)準(zhǔn)(試行)》指出，數(shù)據(jù)中心使用的可再生能源使用比例應(yīng)逐年增加，要求2030年達到100%。2023年7月國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、國家能源局、國家數(shù)據(jù)局聯(lián)合發(fā)布《數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展專項行動計劃》指出，將新建及改擴建數(shù)據(jù)中心可再生能源利用目標(biāo)和方案作為節(jié)能審查重要內(nèi)容，鼓勵有關(guān)地區(qū)探索開展數(shù)據(jù)中心綠電直供，要求到2025年底，八大國家樞紐節(jié)點新建數(shù)據(jù)中心綠電占比超過80%。
多種能源接入在數(shù)據(jù)中心行業(yè)開始陸續(xù)出現(xiàn)。據(jù)騰訊數(shù)據(jù)中心相關(guān)專家說明，騰訊在多地數(shù)據(jù)中心并網(wǎng)了數(shù)據(jù)中心分布式光伏項目，風(fēng)光總裝機功率達到66MW，如騰訊在天津高新云數(shù)據(jù)中心和河北懷來東園數(shù)據(jù)中心都采用多種新能源接入并網(wǎng)的方式，并成功落地，騰訊相關(guān)專家表示，數(shù)據(jù)中心對供電穩(wěn)定性極為嚴(yán)苛，電能質(zhì)量差會造成智能服務(wù)器閃爍，會造成數(shù)據(jù)中心重大損害或損失，是不能夠接受的，為了改善電能質(zhì)量，新能源接入的數(shù)據(jù)中心，會對綠電進行精準(zhǔn)的無功和諧波治理，保障綠電在數(shù)據(jù)中心的安全性和穩(wěn)定性。
圖：騰訊天津高新云數(shù)據(jù)中心項目圖
圖：騰訊河北懷來數(shù)據(jù)中心項目圖
此外其他企業(yè)和地區(qū)也在探索多種新能源接入在數(shù)據(jù)中心的落地方案，如2023年年初開始建設(shè)的呼和浩特全國一體化算力網(wǎng)絡(luò)和林格爾數(shù)據(jù)中心集群綠色能源供給示范項目，項目規(guī)劃總裝機規(guī)模360MW，其中風(fēng)電裝機容量為300MW、光伏裝機容量為60MW，配套259.2MWh的儲能系統(tǒng)，為園區(qū)的中國移動、中國電信、中數(shù)云科、并行科技四家數(shù)據(jù)中心提供綠電直供服務(wù)，打造以源、網(wǎng)、荷、儲一體化的新型電力系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心行業(yè)的應(yīng)用，多種新能源接入數(shù)據(jù)中心的方案，同時帶來了無功和諧波問題需要用戶去重視和解決。
多種新能源接入將新能源的無功和諧波帶入電網(wǎng)系統(tǒng)
由于新能源系統(tǒng)（風(fēng)、光）的隨機性、波動性、間歇性，與電網(wǎng)的交互過程中，將給電網(wǎng)引入一定的諧波，引起次同步振蕩、電能質(zhì)量等問題，嚴(yán)重時將導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，同時因為光伏逆變器在每天不同時段產(chǎn)生的諧波和功率因數(shù)具有較大的波動性。如國家電網(wǎng)相關(guān)專家公布相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)明，對2024年江蘇電網(wǎng)新能源（風(fēng)、光）并網(wǎng)點電能質(zhì)量進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如下表
表：國家電網(wǎng)江蘇電網(wǎng)公布2024年江蘇光伏接入臺區(qū)遇到的電能質(zhì)量問題
同時中國移動設(shè)計院相關(guān)專家反饋新能源帶來的新挑戰(zhàn)，新能源發(fā)的電帶有大量的無功和諧波問題，當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心很多設(shè)備都是集群化管理，設(shè)備是非常精密和高效的，電能波動超過一定限度，有概率會導(dǎo)致板卡和整個機架有燒毀的風(fēng)險，這對數(shù)據(jù)中心行業(yè)的用戶來說，是絕對不能接受的風(fēng)險和損失，因此不進行精確補償和諧波處理的綠電，無法在數(shù)據(jù)中心直接并網(wǎng)使用。
使用高開關(guān)頻率、高補償率、高整機效率的電能質(zhì)量產(chǎn)品處理新能源接入帶來的無功和諧波
常規(guī)解決方案
可以考慮使用基于Si基的SVG(低壓靜止無功發(fā)生器)和APF（有源濾波器）搭配使用提高用電質(zhì)量，SVG(低壓靜止無功發(fā)生器)去解決新能源綠電的功率因數(shù)變化大的問題，實現(xiàn)動態(tài)精準(zhǔn)補償，提高功率因數(shù)，APF（有源濾波器）去解決新能源綠電的諧波問題，實現(xiàn)動態(tài)精準(zhǔn)去除諧波，降低諧波電流畸變率，通過部署EMA的軟件和多功能儀表可以做到精準(zhǔn)監(jiān)測電能質(zhì)量波動和及時響應(yīng)，配合電能質(zhì)量產(chǎn)品做到精準(zhǔn)治理無功和諧波。
新解決方案
針對新能源發(fā)出的電具有嚴(yán)重且波動明顯的無功和諧波挑戰(zhàn)，可以使用基于SiC基功率器件的SVG(低壓靜止無功發(fā)生器)和APF（有源濾波器），對比傳統(tǒng)的Si基的電能質(zhì)量產(chǎn)品，有更高的開關(guān)頻率（響應(yīng)更快）、更高的補償率（處理效果更好）能夠?qū)G電的電能質(zhì)量問題及時響應(yīng)和處理，同時有更高的整機效率（效率達到99%，高于Si基產(chǎn)品2%以上）也能幫助業(yè)主節(jié)省電費支出，為提高數(shù)據(jù)中心的PUE（電能利用率）做出貢獻。
02
存量數(shù)據(jù)中心大范圍改造，電能質(zhì)量產(chǎn)品面臨平衡性能需求提升和占地空間不足的挑戰(zhàn)
存量數(shù)據(jù)中心面臨大范圍改造的趨勢
隨著要求數(shù)據(jù)中心的PUE（電能利用率）逐年降低和常規(guī)數(shù)據(jù)中心向AI數(shù)據(jù)中心的轉(zhuǎn)型，都帶來了大量的數(shù)據(jù)中心改造項目，2023年7月國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、國家能源局、國家數(shù)據(jù)局聯(lián)合發(fā)布《數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展專項行動計劃》指出，推進存量項目節(jié)能降碳改造，加快推進低效數(shù)據(jù)中心節(jié)能降碳改造和“老舊小散”數(shù)據(jù)中心整合改造。
2024年11月北京市經(jīng)濟和信息化局、市發(fā)展改革委、市通信管理局近日聯(lián)合印發(fā)《北京市存量數(shù)據(jù)中心優(yōu)化工作方案（2024-2027年）》，根據(jù)工作方案，北京將引導(dǎo)存量數(shù)據(jù)中心完成綠色低碳改造，轉(zhuǎn)型為智能算力中心，促進綠色電力消納，提高存量數(shù)據(jù)中心能效、碳效水平，推動數(shù)據(jù)中心集約化、綠色化、智能化建設(shè)，到2027年實現(xiàn)北京市數(shù)據(jù)中心能效水平全面達到地方標(biāo)準(zhǔn)，年均PUE值（電能利用率）降低至1.35以下，通過對PUE高于1.35以上的數(shù)據(jù)中心征收差別電價，推動存量數(shù)據(jù)中心改造。以上政策的陸續(xù)推出，為數(shù)據(jù)中心的改造項目打下了政策基礎(chǔ)。
改造升級數(shù)據(jù)中心，對電能質(zhì)量產(chǎn)品的占地空間、安裝便捷、補償率高低、是否省電費有了更高的要求
01
改造類數(shù)據(jù)中心項目，在選型上平衡性能提升和空間不足的矛盾，如常規(guī)數(shù)據(jù)中心加裝或更換AI服務(wù)器，將帶來更高裝機功率和能源消耗（通用型服務(wù)器原來只需要2顆800W服務(wù)器電源，而AI服務(wù)器的需求直接提升為4顆1800W高功率電源），高功率密度大幅提高，目前托管的數(shù)據(jù)中心普遍存在單機架12-15KW的功率限制，人工智能工作負(fù)載功率，受AI芯片功率大幅提升，單機架功率攀升到達到30-40KW，存量數(shù)據(jù)中心一般都無法滿足，散熱、能耗等諸多方面的要求，更高的設(shè)備功率帶來了更高的無功和諧波，安裝空間受限和電能質(zhì)量需求容量增大產(chǎn)生了矛盾，如金融類客戶的數(shù)據(jù)中心，呈現(xiàn)網(wǎng)點式分布，面臨改造空間預(yù)留不足的問題，對于電能質(zhì)量設(shè)備能否方便安裝、占地空間更為看重。
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不同于傳統(tǒng)存量數(shù)據(jù)中心，存量數(shù)據(jù)中心主要用作云存儲，智算數(shù)據(jù)中心的CPU、GPU、存儲這些最基本的算力核心硬件和內(nèi)容都要放在數(shù)據(jù)中心，設(shè)備成集群化布置，往往需要增加群控系統(tǒng)，整個數(shù)據(jù)中心的暖通、動力、布線、配電等都需要重新布局和通盤考慮，多種設(shè)備進入數(shù)據(jù)中心，不同設(shè)備帶來的功率因數(shù)和諧波頻次不同，對整個數(shù)據(jù)中心的用電安全和穩(wěn)定帶來了新的挑戰(zhàn)。
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針對存量數(shù)據(jù)中心加裝新能源電力接入并網(wǎng)，提高整個數(shù)據(jù)中心的綠色化、低碳化，并網(wǎng)的同時也將新能源綠電嚴(yán)重的無功和諧波問題帶入數(shù)據(jù)中心電網(wǎng)，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)中心安全穩(wěn)定運行。
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存量數(shù)據(jù)中心改造面臨PUE（電能利用率）必須降低的硬性要求，對非生產(chǎn)用電設(shè)備的高效節(jié)能有新的要求，對于電能質(zhì)量設(shè)備的效率有了更高的挑戰(zhàn)。
使用體積更小、效率更高（節(jié)省電費）、功率密度更高的電能質(zhì)量產(chǎn)品去解決改造數(shù)據(jù)中心遇到的電能質(zhì)量挑戰(zhàn)
常規(guī)解決方案
可以考慮加裝基于Si基的模塊化SVG(低壓靜止無功發(fā)生器)和APF（有源濾波器）搭配使用解決無功和諧波挑戰(zhàn)。
新解決方案
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國內(nèi)某國有銀行數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)人反饋，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)可以選擇基于SiC功率模塊的SVG和APF，SiC功率模塊具有更高的耐熱性和功率密度，相同規(guī)格下，體積約占常規(guī)Si基功率模塊的50%左右，同時能夠模塊化、壁掛式安裝，這些特點非常契合金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心的改造。
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對改造后的數(shù)據(jù)中心，加裝EMA的軟件和多功能儀表可以做到精準(zhǔn)監(jiān)測電能質(zhì)量，了解新增無功設(shè)備和諧波來源，合理的在源側(cè)或者負(fù)荷側(cè)配備電能質(zhì)量產(chǎn)品。
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可以選擇整機效率更高的電能質(zhì)量產(chǎn)品，比如基于SiC基功率器件的APF整機效率可達到99%，明顯優(yōu)于基于Si基功率器件APF整機效率2%以上，為數(shù)據(jù)中心的運行減少電費支出，降低運營成本，降低PUE（電能利用率）做出貢獻。
可見通過配置低壓SVG和APF可以應(yīng)對當(dāng)前數(shù)據(jù)中心建設(shè)面臨的新挑戰(zhàn)，使用基于SiC功率器件的低壓SVG和APF將會更好地破解電能質(zhì)量難題。
（來源盛弘電氣）
