中國儲能網(wǎng)訊：
摘要：近年來，大數(shù)據(jù)、智能算法、移動網(wǎng)絡(luò)、云計算等先進的信息技術(shù)迅猛發(fā)展，并被廣泛運用。作為集成數(shù)據(jù)計算、保存、處理等多種功能的數(shù)據(jù)中心，已成為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性和持續(xù)性是基本要求。因此，數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)的重要性不容忽視，一個高效穩(wěn)定的供能系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心正常運行的有力保障。鑒于此，本文將重點探討數(shù)據(jù)中心與風能互補供電系統(tǒng)的設(shè)計，并對其性能進行深入分析。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；風能互補供電系統(tǒng)；性能分析
作為信息化技術(shù)的根本支柱，數(shù)據(jù)中心承擔著數(shù)據(jù)匯集、保存、傳送、交流以及監(jiān)督控制的關(guān)鍵職能，數(shù)據(jù)中心融合了多種技術(shù)和復(fù)雜系統(tǒng)，供電系統(tǒng)便是其中的核心部分，負責向電子設(shè)備供應(yīng)動力，它在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本中占據(jù)首要位置，確保了整個數(shù)據(jù)中心能夠穩(wěn)定且可靠地運作，從而保障了能源的持續(xù)供應(yīng)。
1 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)路線
1.1 配變電系統(tǒng)
配變電系統(tǒng)由中壓級別的開關(guān)柜、電力變壓器以及低壓級別的開關(guān)柜等構(gòu)成，其主要職責包括電壓的轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制、電量計量和功率補償?shù)?。中壓開關(guān)柜的核心作用在于接入電源、執(zhí)行控制、提供保護和進行電量計量，同時完成主備用高壓電源的切換操作。電壓轉(zhuǎn)換過程是通過變壓器實現(xiàn)的，它能將高電壓降級為低電壓。低壓開關(guān)柜的主要職能是進行電力的分配、控制、功率補償和系統(tǒng)保護，同時負責主備用低壓電源的切換。
配變電系統(tǒng)的布置需符合承載標準、有利于高壓電纜的鋪設(shè)進入室內(nèi)空間、同時方便大型機組的搬運與安裝；不得位于可能積水的區(qū)域正下方或緊鄰積水區(qū)，也不應(yīng)位于地下建筑的最下一層；應(yīng)盡可能接近電力負荷的核心區(qū)域，若數(shù)據(jù)中心規(guī)模較大，可以考慮分階段部署主輔電站；在電站內(nèi)部，無需加油的低壓和高壓配電裝置，以及干式變壓器可以共同安置于單一空間內(nèi)，同時滿足IP2X或更高防護級別的無需加油的低壓和高壓配電裝置、干式變壓器也能夠緊密排列；依照容錯設(shè)計理念搭建的雙重變配電系統(tǒng)，則須各自獨立地安裝在不一樣的配電室中。
1.2 備用電源系統(tǒng)
作為備用電源，可以選擇與主電源分離的發(fā)電機組，或者選用電網(wǎng)中獨立于主電源的特定供電線路。一旦兩路電源同時出現(xiàn)故障，備份電源必須能夠迅速啟動，并且向外部提供持續(xù)且可靠的電力，確保數(shù)據(jù)中心能夠正常運作。
通常情況下，備用電源傾向于采用發(fā)電機組而非獨立供電線路的設(shè)計，這背后的考量包括以下幾點。獨立供電線路需要依靠外界電力網(wǎng)絡(luò)，若外部電網(wǎng)出現(xiàn)故障，便會對數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急電力供應(yīng)帶來干擾。另外，構(gòu)建獨立供電線路較為煩瑣，需與供電企業(yè)展開眾多交流與協(xié)作，這使得其保養(yǎng)的經(jīng)濟和時間投入較多。在主要供電源發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)中心由主供電源轉(zhuǎn)換至自供電力線路需要較長時間，這樣不利于快速接入備用電源。相比之下，發(fā)電機組組成了一套不依賴外界電網(wǎng)的獨立供電系統(tǒng)，它能夠迅速點火并提供穩(wěn)定可靠的備用電力，同時其保養(yǎng)費用也較為低廉。
1.3 不間斷電源系統(tǒng)
不間斷電源系統(tǒng)涵蓋低壓配電柜、備用與主用不間斷電源（UPS）以及直流供電單元，其核心作用在于電能的合理分配與保障供電的持續(xù)性與穩(wěn)定性。該系統(tǒng)通過低壓供電盤實現(xiàn)兩路交流電向UPS主機、直流電源主機、空調(diào)及其他輔助設(shè)施的分輸，同時區(qū)分了主要設(shè)備與輔助設(shè)施的電力供應(yīng)。
2 數(shù)據(jù)中心與風能互補供電系統(tǒng)設(shè)計
2.1 控制器及其外圍電路
供電系統(tǒng)微控制器選用8052系列的單片機，其周邊電路主要由電池狀態(tài)監(jiān)測電路、電壓監(jiān)測電路以及繼電器驅(qū)動電路構(gòu)成。在電池狀態(tài)監(jiān)測電路中，采用微負載電壓法來測量蓄電池的剩余電量，具體做法是在蓄電池的充放電路徑上串聯(lián)一個低阻值電阻，充電過程中電阻兩端的電壓呈現(xiàn)負值，而放電時電壓則顯示為正值。通過監(jiān)測該電阻上的電壓變化，可以準確判斷蓄電池的儲能狀態(tài)。保持電阻兩端壓降在±2.5V的范圍之內(nèi)，并利用INA128模塊將電壓信號提升2.5V，這樣做是為了匹配8052單片機的IO端口和ADC0809模塊的電壓輸入范圍，即0至5.0V。在電壓檢測電路部分，先用變壓器將交流市電降壓至±2.5V的安全范圍內(nèi)，再通過MCP6002搭建的電壓跟隨器增強電路的負載驅(qū)動能力。與電池檢測電路相似，使用INA128模塊對電壓信號進行提升，以確保符合ADC模塊的檢測要求，從而實現(xiàn)對電源可用性的監(jiān)測。
在繼電器控制電路中，其運作準則是首先選用蓄電池作為電力來源，一旦蓄電池的電量告急，便自動切換至市電供應(yīng)，而在任何電源切換動作前，必須對擬使用的電源進行正常供電的確認。這一確認過程是由微控制器完成的，微控制器依據(jù)電量檢測電路和電壓檢測電路所收集的數(shù)據(jù)，來操縱四個繼電器的閉合狀態(tài)。這四個繼電器包括兩個直流繼電器和兩個交流繼電器。
2.2 風能互補發(fā)電系統(tǒng)的安置與連接
通過特定的固定架設(shè)，將太陽能電池板置于道路護欄之上或緊鄰道路的地點，而立式風力發(fā)電機則設(shè)置于高速公路中央的綠化區(qū)域或道路兩側(cè)，每隔約30至40米的距離安裝一臺，借助過往車輛產(chǎn)生的氣流進行發(fā)電，其發(fā)電效率相對恒定。盡管大型風力發(fā)電機容易受到外界環(huán)境因素的干擾，但其發(fā)電能力較強，可根據(jù)實際需要，在高速公路周邊風力資源較為充沛的地段進行安裝。
針對護欄設(shè)計的太陽能電池板固定系統(tǒng)由配合護欄弧度的扣合板和支架板構(gòu)成，這兩部分利用螺栓等連接件緊固在護欄的兩側(cè)。太陽能電池板則利用螺栓安裝在支架板上。在扣合板和支架板的四角以及支架板的折角處，都預(yù)留了螺栓孔位，同時電池板底部裝有扣合片，這些扣合片與支架板上的螺栓孔相對應(yīng)，借助螺栓和螺母的組合即可穩(wěn)固地組裝電池板、扣合板以及太陽能固定裝置。用戶可根據(jù)實際需要選擇風力發(fā)電機、太陽能電池板和蓄電池。風力發(fā)電機通過寬頻段整流器和DC-DC轉(zhuǎn)換器向蓄電池供電，而太陽能電池板則通過連接防逆流二極管后，再經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器對蓄電池進行充電。
2.3 無線供電裝置
無線供電裝置由外殼和內(nèi)置于其中的若干預(yù)置軌道組成，這些軌道可以是固定的或者是可移動的。這些軌道采用柔性磁防護材料打造，并配備有容納線圈組件的盒子。軌道的兩側(cè)裝有轉(zhuǎn)軸連接的扣合裝置，裝置與軌道的側(cè)壁內(nèi)部裝有彈簧。當線圈盒子被推入軌道時，兩側(cè)的扣合裝置和彈簧產(chǎn)生的壓力將盒子牢固地鎖定。線圈盒子分為相互匹配的初級與次級組件，它們各自帶有磁鐵凸起和凹槽，能夠相互嵌合形成整體。盒子的一側(cè)裝有連接線的端口和用于操控內(nèi)部電路的手動開關(guān)。啟動開關(guān)后，設(shè)備即可開始工作，初級和次級線圈盒子可以根據(jù)不同的電力需求組合使用。當軌道為可移動設(shè)計時，外殼兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)軌，軌道兩側(cè)裝有連桿，連桿上裝有與導(dǎo)軌配合的滑塊，使得軌道可以在導(dǎo)軌上滑動，實現(xiàn)軌道的線性移動。
在供電側(cè)與用電側(cè)之間，無線供電設(shè)備充當著電氣隔離的角色。這套系統(tǒng)主要應(yīng)用于兩組電路：一組是蓄電池供電的逆變電路；另一組則是常規(guī)市電供電電路。無線供電設(shè)備采用了一種可拆卸的變壓器，基于電磁感應(yīng)的原理來實現(xiàn)電能的無線傳輸。當初級線圈接入交流電源后，在磁芯內(nèi)會產(chǎn)生變化的磁場，而這個變化的磁場會在次級線圈中激發(fā)出感應(yīng)電動勢，進而完成供電過程。這種可拆卸的變壓器有效地實現(xiàn)了交流電源與負載之間的隔離，相較于直接供電方式，在潮濕天氣里減少了漏電或短路的風險，從而提升了用電的安全性和可靠性。雖然這種變壓器在應(yīng)用上具有一定的靈活性，但其結(jié)合部位存在間隙。這些間隙不僅提升了磁路的磁阻和初級線圈的勵磁電流，還導(dǎo)致漏電感增加，使得線圈的耦合度下降。因此，它的效率不如普通變壓器，但通過提升工作頻率或調(diào)整線圈的設(shè)計，仍然可以提高分離式變壓器的效率。
3 數(shù)據(jù)中心與風能互補供電系統(tǒng)的性能分析
3.1 風能儲存效能
針對太陽能和風能的間歇性與不穩(wěn)定性，這兩種能源在光照和風力不足時會使得電力輸出出現(xiàn)短缺。在運用風能互補供電系統(tǒng)時，有多套方案可供選擇，其中包括動態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）技術(shù)、任務(wù)延遲調(diào)度法、任務(wù)遷移策略以及能量存儲技術(shù)。其中，DVFS技術(shù)和任務(wù)延遲策略是兩種典型的調(diào)整工作負載以適應(yīng)可再生能源供給的節(jié)能方法。通過動態(tài)電壓頻率調(diào)整技術(shù)，能夠?qū)崟r改變運行中的電壓和頻率，以實現(xiàn)性能與功耗之間的平衡。降低電壓和頻率可以在減少能耗的同時犧牲一定的性能，而提升電壓和頻率則會提高性能，同時伴隨著功耗的提升。儲能系統(tǒng)的引入能夠確保數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運行，提升新能源的利用效率，并降低高峰期的能耗，進而減少數(shù)據(jù)中心建設(shè)與運營的成本。
ISwitch技術(shù)針對風能互補供電系統(tǒng)開發(fā)了一套啟發(fā)式算法以優(yōu)化能源配置。該策略的核心是最大限度地保持負載在風能互補供電系統(tǒng)的服務(wù)器群組中運行，同時減少非必要的任務(wù)遷移，以達成提高風能、太陽能使用率和降低運營成本的目標。該技術(shù)的具體實施是依據(jù)風力波動的幅度采用一種遲滯的跟隨策略：在風力波動劇烈時，避免緊跟風力變化（這會導(dǎo)致部分風能資源的浪費），而在風力較為穩(wěn)定時，則對負載波動進行調(diào)節(jié)。然而，iSwitch將儲能系統(tǒng)僅作為備用電源，錯失了進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能的潛在機會。若能妥善運用儲能系統(tǒng)，iSwitch便能將不穩(wěn)定的電能儲存起來，以便在需要時使用，進而實現(xiàn)更佳的負載均衡效果。
3.2 節(jié)能效能
目前，風能在數(shù)據(jù)中心的運用主要集中于通過風力驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能，具體是通過風力使大型風力機的葉片進行旋轉(zhuǎn)，進而經(jīng)過增速裝置提高轉(zhuǎn)速，以此推動發(fā)電機進行電能生產(chǎn)。我國東南沿海地區(qū)、內(nèi)蒙古、新疆以及甘肅等地，風力資源十分充沛。在實際應(yīng)用層面，風能發(fā)電可與太陽能發(fā)電搭配，打造混合型發(fā)電體系，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部構(gòu)建太陽能、風能和商業(yè)電力三維供應(yīng)體系，提升數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)的可靠性。全球各地數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)已廣泛采用風力發(fā)電技術(shù)，以河北省張北數(shù)據(jù)中心為例，該地風電裝機容量已突破233萬千瓦，太陽能光伏發(fā)電容量達到14萬千伏安，年發(fā)電量達到600億千瓦時，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)的全面綠色化。
4 未來風能互補供電系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的機遇與挑戰(zhàn)
風能互補供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用或許將引領(lǐng)一場變革，它使得數(shù)據(jù)中心在供電極為有限的情況下也能實現(xiàn)服務(wù)器群的橫向擴充；再如，當前流行的集裝箱模塊化數(shù)據(jù)中心，若整合高效的儲能單元和環(huán)保能源系統(tǒng)，則能打造出可移動的數(shù)據(jù)處理單元。除此之外，風能互補供電系統(tǒng)還極大地促進了數(shù)據(jù)中心與未來智能化電網(wǎng)的無縫對接。就風能互補供電系統(tǒng)本身而言，未來數(shù)據(jù)中心將有機會運用多種類型和規(guī)模的風能互補供電系統(tǒng)，包括探索復(fù)合型風能互補供電系統(tǒng)或異構(gòu)風能互補供電系統(tǒng)等。但隨著風能互補供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用的規(guī)模不斷擴大，其重要性日益凸顯，同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心在整合風能互補供電系統(tǒng)和服務(wù)器的過程中，將面臨一系列設(shè)計上的新問題，這些問題主要集中在三個方面：空間緊湊、容量受限以及規(guī)模龐大。
為了適應(yīng)風能互補供電系統(tǒng)與服務(wù)器設(shè)備空間距離的縮短，計算機系統(tǒng)與儲能裝置之間必須構(gòu)建一座適宜的橋梁。這座橋梁不僅要實現(xiàn)計算機系統(tǒng)對風能互補供電系統(tǒng)的主動調(diào)用，還要便于風能互補供電系統(tǒng)對服務(wù)器能耗的自主調(diào)節(jié)。在平衡儲能單元與服務(wù)器能耗的過程中，應(yīng)確保不與數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的計算機能耗管理體系產(chǎn)生抵觸。同時，鑒于風能互補供電系統(tǒng)與服務(wù)器設(shè)備距離的縮短，服務(wù)器散熱對電池化學反應(yīng)及其效率的潛在影響也不容忽視。另外，鑒于風能互補供電系統(tǒng)普遍存在容量不足的問題，對其充放電過程的監(jiān)管需更為嚴格，以防出現(xiàn)電力枯竭的狀況。若不幸出現(xiàn)此類狀況，數(shù)據(jù)中心需開發(fā)出對應(yīng)的總體電源調(diào)控策略，確保本地服務(wù)器能夠向周邊的供電系統(tǒng)臨時調(diào)配能源。
5 結(jié)語
鑒于太陽能和風能系統(tǒng)對氣候條件的依賴性，以及氣候的多變性可能對系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的影響，整合這兩種能源變得尤為重要。由于太陽與風能的波動特性大體上是相反的，它們之間存在著天生的互補關(guān)系。通過將兩者結(jié)合，可以顯著增強數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)的靈活性和預(yù)見性。同時，太陽能與風能的互補供電系統(tǒng)，在經(jīng)濟效益和技術(shù)性能方面，也明顯優(yōu)于單一的太陽能或風能系統(tǒng)。
