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摘要：近年來，大數(shù)據(jù)、智能算法、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算等先進(jìn)的信息技術(shù)迅猛發(fā)展，并被廣泛運(yùn)用。作為集成數(shù)據(jù)計(jì)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(gè)高效穩(wěn)定的供能系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的有力保障。鑒于此，本文將重點(diǎn)探討數(shù)據(jù)中心與風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其性能進(jìn)行深入分析。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；風(fēng)能互補(bǔ)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(dān)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(fù)責(zé)向電子設(shè)備供應(yīng)動(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)中心能夠穩(wěn)定且可靠地運(yùn)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(jì)技術(shù)路線
1.1 配變電系統(tǒng)
配變電系統(tǒng)由中壓級(jí)別的開關(guān)柜、電力變壓器以及低壓級(jí)別的開關(guān)柜等構(gòu)成，其主要職責(zé)包括電壓的轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制、電量計(jì)量和功率補(bǔ)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(hù)和進(jìn)行電量計(jì)量，同時(shí)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(shí)現(xiàn)的，它能將高電壓降級(jí)為低電壓。低壓開關(guān)柜的主要職能是進(jìn)行電力的分配、控制、功率補(bǔ)償和系統(tǒng)保護(hù)，同時(shí)負(fù)責(zé)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(biāo)準(zhǔn)、有利于高壓電纜的鋪設(shè)進(jìn)入室內(nèi)空間、同時(shí)方便大型機(jī)組的搬運(yùn)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(fù)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(shí)滿足IP2X或更高防護(hù)級(jí)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(cuò)設(shè)計(jì)理念搭建的雙重變配電系統(tǒng)，則須各自獨(dú)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(jī)組，或者選用電網(wǎng)中獨(dú)立于主電源的特定供電線路。一旦兩路電源同時(shí)出現(xiàn)故障，備份電源必須能夠迅速啟動(dòng)，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(yùn)作。
通常情況下，備用電源傾向于采用發(fā)電機(jī)組而非獨(dú)立供電線路的設(shè)計(jì)，這背后的考量包括以下幾點(diǎn)。獨(dú)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(huì)對(duì)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(dú)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(jì)和時(shí)間投入較多。在主要供電源發(fā)生故障時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間，這樣不利于快速接入備用電源。相比之下，發(fā)電機(jī)組組成了一套不依賴外界電網(wǎng)的獨(dú)立供電系統(tǒng)，它能夠迅速點(diǎn)火并提供穩(wěn)定可靠的備用電力，同時(shí)其保養(yǎng)費(fèi)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(shí)現(xiàn)兩路交流電向UPS主機(jī)、直流電源主機(jī)、空調(diào)及其他輔助設(shè)施的分輸，同時(shí)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(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(jī)，其周邊電路主要由電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路、電壓監(jiān)測(cè)電路以及繼電器驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。在電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路中，采用微負(fù)載電壓法來測(cè)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(gè)低阻值電阻，充電過程中電阻兩端的電壓呈現(xiàn)負(fù)值，而放電時(shí)電壓則顯示為正值。通過監(jiān)測(cè)該電阻上的電壓變化，可以準(zhǔn)確判斷蓄電池的儲(chǔ)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(hào)提升2.5V，這樣做是為了匹配8052單片機(jī)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(cè)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(qiáng)電路的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。與電池檢測(cè)電路相似，使用INA128模塊對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行提升，以確保符合ADC模塊的檢測(cè)要求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電源可用性的監(jiān)測(cè)。
在繼電器控制電路中，其運(yùn)作準(zhǔn)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(dòng)切換至市電供應(yīng)，而在任何電源切換動(dòng)作前，必須對(duì)擬使用的電源進(jìn)行正常供電的確認(rèn)。這一確認(rèn)過程是由微控制器完成的，微控制器依據(jù)電量檢測(cè)電路和電壓檢測(cè)電路所收集的數(shù)據(jù)，來操縱四個(gè)繼電器的閉合狀態(tài)。這四個(gè)繼電器包括兩個(gè)直流繼電器和兩個(gè)交流繼電器。
2.2 風(fēng)能互補(bǔ)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(hù)欄之上或緊鄰道路的地點(diǎn)，而立式風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(tái)，借助過往車輛產(chǎn)生的氣流進(jìn)行發(fā)電，其發(fā)電效率相對(duì)恒定。盡管大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)容易受到外界環(huán)境因素的干擾，但其發(fā)電能力較強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際需要，在高速公路周邊風(fēng)力資源較為充沛的地段進(jìn)行安裝。
針對(duì)護(hù)欄設(shè)計(jì)的太陽能電池板固定系統(tǒng)由配合護(hù)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(hù)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(shí)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(duì)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(shí)際需要選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板和蓄電池。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)蓄電池進(jìn)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(dòng)的。這些軌道采用柔性磁防護(hù)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(dāng)線圈盒子被推入軌道時(shí)，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(jí)與次級(jí)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(dòng)開關(guān)。啟動(dòng)開關(guān)后，設(shè)備即可開始工作，初級(jí)和次級(jí)線圈盒子可以根據(jù)不同的電力需求組合使用。當(dāng)軌道為可移動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌道的線性移動(dòng)。
在供電側(cè)與用電側(cè)之間，無線供電設(shè)備充當(dāng)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(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。當(dāng)初級(jí)線圈接入交流電源后，在磁芯內(nèi)會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而這個(gè)變化的磁場(chǎng)會(huì)在次級(jí)線圈中激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而完成供電過程。這種可拆卸的變壓器有效地實(shí)現(xiàn)了交流電源與負(fù)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(fēng)險(xiǎn)，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(jí)線圈的勵(lì)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(jì)，仍然可以提高分離式變壓器的效率。
3 數(shù)據(jù)中心與風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)的性能分析
3.1 風(fēng)能儲(chǔ)存效能
針對(duì)太陽能和風(fēng)能的間歇性與不穩(wěn)定性，這兩種能源在光照和風(fēng)力不足時(shí)會(huì)使得電力輸出出現(xiàn)短缺。在運(yùn)用風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)時(shí)，有多套方案可供選擇，其中包括動(dòng)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(chǔ)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(fù)載以適應(yīng)可再生能源供給的節(jié)能方法。通過動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)改變運(yùn)行中的電壓和頻率，以實(shí)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(shí)犧牲一定的性能，而提升電壓和頻率則會(huì)提高性能，同時(shí)伴隨著功耗的提升。儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入能夠確保數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)行，提升新能源的利用效率，并降低高峰期的能耗，進(jìn)而減少數(shù)據(jù)中心建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的成本。
ISwitch技術(shù)針對(duì)風(fēng)能互補(bǔ)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(fù)載在風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)的服務(wù)器群組中運(yùn)行，同時(shí)減少非必要的任務(wù)遷移，以達(dá)成提高風(fēng)能、太陽能使用率和降低運(yùn)營(yíng)成本的目標(biāo)。該技術(shù)的具體實(shí)施是依據(jù)風(fēng)力波動(dòng)的幅度采用一種遲滯的跟隨策略：在風(fēng)力波動(dòng)劇烈時(shí)，避免緊跟風(fēng)力變化（這會(huì)導(dǎo)致部分風(fēng)能資源的浪費(fèi)），而在風(fēng)力較為穩(wěn)定時(shí)，則對(duì)負(fù)載波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，iSwitch將儲(chǔ)能系統(tǒng)僅作為備用電源，錯(cuò)失了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能的潛在機(jī)會(huì)。若能妥善運(yùn)用儲(chǔ)能系統(tǒng)，iSwitch便能將不穩(wěn)定的電能儲(chǔ)存起來，以便在需要時(shí)使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更佳的負(fù)載均衡效果。
3.2 節(jié)能效能
目前，風(fēng)能在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)用主要集中于通過風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，具體是通過風(fēng)力使大型風(fēng)力機(jī)的葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而經(jīng)過增速裝置提高轉(zhuǎn)速，以此推動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電能生產(chǎn)。我國(guó)東南沿海地區(qū)、內(nèi)蒙古、新疆以及甘肅等地，風(fēng)力資源十分充沛。在實(shí)際應(yīng)用層面，風(fēng)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(fēng)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?cái)?shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)已廣泛采用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，以河北省張北數(shù)據(jù)中心為例，該地風(fēng)電裝機(jī)容量已突破233萬千瓦，太陽能光伏發(fā)電容量達(dá)到14萬千伏安，年發(fā)電量達(dá)到600億千瓦時(shí)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)的全面綠色化。
4 未來風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
風(fēng)能互補(bǔ)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)服務(wù)器群的橫向擴(kuò)充；再如，當(dāng)前流行的集裝箱模塊化數(shù)據(jù)中心，若整合高效的儲(chǔ)能單元和環(huán)保能源系統(tǒng)，則能打造出可移動(dòng)的數(shù)據(jù)處理單元。除此之外，風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)還極大地促進(jìn)了數(shù)據(jù)中心與未來智能化電網(wǎng)的無縫對(duì)接。就風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)本身而言，未來數(shù)據(jù)中心將有機(jī)會(huì)運(yùn)用多種類型和規(guī)模的風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)，包括探索復(fù)合型風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)或異構(gòu)風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)等。但隨著風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用的規(guī)模不斷擴(kuò)大，其重要性日益凸顯，同時(shí)也帶來了新的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心在整合風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)和服務(wù)器的過程中，將面臨一系列設(shè)計(jì)上的新問題，這些問題主要集中在三個(gè)方面：空間緊湊、容量受限以及規(guī)模龐大。
為了適應(yīng)風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)與服務(wù)器設(shè)備空間距離的縮短，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)的主動(dòng)調(diào)用，還要便于風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)對(duì)服務(wù)器能耗的自主調(diào)節(jié)。在平衡儲(chǔ)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(jì)算機(jī)能耗管理體系產(chǎn)生抵觸。同時(shí)，鑒于風(fēng)能互補(bǔ)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(duì)電池化學(xué)反應(yīng)及其效率的潛在影響也不容忽視。另外，鑒于風(fēng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)普遍存在容量不足的問題，對(duì)其充放電過程的監(jiān)管需更為嚴(yán)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(duì)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(shí)調(diào)配能源。
5 結(jié)語
鑒于太陽能和風(fēng)能系統(tǒng)對(duì)氣候條件的依賴性，以及氣候的多變性可能對(duì)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(fēng)能的波動(dòng)特性大體上是相反的，它們之間存在著天生的互補(bǔ)關(guān)系。通過將兩者結(jié)合，可以顯著增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)的靈活性和預(yù)見性。同時(shí)，太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)供電系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)性能方面，也明顯優(yōu)于單一的太陽能或風(fēng)能系統(tǒng)。
