1.1.4　数据中心供电系统

随着4G的普及、5G的推广、物联网及大数据等全球信息产业的飞速发展，巨大的用户数量和互联网客户需求使得大规模数据中心进入了大发展时期。据相关统计，2013—2018年，我国的数据中心市场年均复合增长超过35%，预计到2024年，市场规模将超过5 000亿元[77-78]。而各大运营商和信息服务企业的数据中心的迅速扩张带来了巨大的用电需求，全国数据中心的耗电量已连续8年以超过12%的速度增长。2017年，国内数据中心总耗电量达到1 300 kW·h，数据中心的能耗主要集中在IT设备能耗、供配电系统损耗、空调系统能耗等几个方面[79-81]。

传统的数据中心能耗大、效率低的问题与其采用的交流供电架构有着重要的关系。典型的交流供电系统如图1-6（a）所示，这种交流供电系统需要经过多级的交流和直流变换，存在多处不必要的冗余环节。根据美国CPES研究中心的数据，这种交流供电系统架构的效率仅约为75%[82-84]。相比较于交流供电架构，如图1-6（b）所示的直流供电架构省去了两个DC/AC转换环节，系统结构大幅简化，供电系统效率可提高到84%。其中直流供电架构又根据直流母线电压分为48 V母线架构和高压（200~400 V）直流母线架构[80,85-90]。48 V母线架构技术较为成熟，不间断电源（uninterrupted power supply, UPS）安全性高，但是同等功率下其母线电流较大，因此导通损耗较大。而高压直流母线架构中，传输线上的损耗更小，更适用于大容量系统。在这两种直流母线架构中，其电源供应单元（power supply unit, PSU）都需要采用保持时间较长的高效率、高频隔离功率变换模块。

图1-6　数据中心供电系统

PDU—电源分配单元（power distribution unit）；PSU—电源供应单元（power supply unit）；VRM—电压调节模组（voltage regulator module）；POL—负载点电源（point of load）；UPS—不间断电源（uninterrupted power supply）。

（a）交流供电系统结构框图；（b）直流供电系统结构框图

一般在服务器机架内部，通常由一个电源模块向多个相同规格的处理器芯片供电。由于多个处理器芯片的负载特性相同，文献[91-92]提出了如图1-7所示的series-stacked供电架构，多个处理器芯片为一组，整体串联接入直流母线，并通过双向隔离型DC/DC变换器控制负载电压。当各负载所需电流均相同时，各负载电压达到自然均衡，变换器不需要传输任何功率。由于在该架构中，控制负载电压的隔离型变换器只需要处理各负载功率的差值，因此损耗很小，其供电系统整体效率甚至可以达到99.8%[91]。

图1-7　基于隔离型DC/DC变换器的series-stacked供电架构