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摘要：近年來，大數據、智能算法、移動網絡、云計算等先進的信息技術迅猛發(fā)展，并被廣泛運用。作為集成數據計算、保存、處理等多種功能的數據中心，已成為數字基礎設施建設的關鍵環(huán)節(jié)。數據中心供能系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性和持續(xù)性是基本要求。因此，數據中心供能系統(tǒng)的重要性不容忽視，一個高效穩(wěn)定的供能系統(tǒng)是數據中心正常運行的有力保障。鑒于此，本文將重點探討數據中心與風能互補供電系統(tǒng)的設計，并對其性能進行深入分析。
關鍵詞：數據中心；風能互補供電系統(tǒng)；性能分析
作為信息化技術的根本支柱，數據中心承擔著數據匯集、保存、傳送、交流以及監(jiān)督控制的關鍵職能，數據中心融合了多種技術和復雜系統(tǒng)，供電系統(tǒng)便是其中的核心部分，負責向電子設備供應動力，它在數據中心的建設成本中占據首要位置，確保了整個數據中心能夠穩(wěn)定且可靠地運作，從而保障了能源的持續(xù)供應。
1 數據中心供電系統(tǒng)設計技術路線
1.1 配變電系統(tǒng)
配變電系統(tǒng)由中壓級別的開關柜、電力變壓器以及低壓級別的開關柜等構成，其主要職責包括電壓的轉換、系統(tǒng)控制、電量計量和功率補償等。中壓開關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。電壓轉換過程是通過變壓器實現的，它能將高電壓降級為低電壓。低壓開關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進入室內空間、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)，也不應位于地下建筑的最下一層；應盡可能接近電力負荷的核心區(qū)域，若數據中心規(guī)模較大，可以考慮分階段部署主輔電站；在電站內部，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，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，或者選用電網中獨立于主電源的特定供電線路。一旦兩路電源同時出現故障，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，確保數據中心能夠正常運作。
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絡，若外部電網出現故障，便會對數據中心的應急電力供應帶來干擾。另外，構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)的經濟和時間投入較多。在主要供電源發(fā)生故障時，數據中心由主供電源轉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兩路交流電向UPS主機、直流電源主機、空調及其他輔助設施的分輸，同時區(qū)分了主要設備與輔助設施的電力供應。
2 數據中心與風能互補供電系統(tǒng)設計
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動電路構成。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，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，再通過MCP6002搭建的電壓跟隨器增強電路的負載驅動能力。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，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，微控制器依據電量檢測電路和電壓檢測電路所收集的數據，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，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)電機則設置于高速公路中央的綠化區(qū)域或道路兩側，每隔約30至40米的距離安裝一臺，借助過往車輛產生的氣流進行發(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成，這兩部分利用螺栓等連接件緊固在護欄的兩側。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，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，再經過DC-DC轉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置于其中的若干預置軌道組成，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。軌道的兩側裝有轉軸連接的扣合裝置，裝置與軌道的側壁內部裝有彈簧。當線圈盒子被推入軌道時，兩側的扣合裝置和彈簧產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。盒子的一側裝有連接線的端口和用于操控內部電路的手動開關。啟動開關后，設備即可開始工作，初級和次級線圈盒子可以根據不同的電力需求組合使用。當軌道為可移動設計時，外殼兩側設有導軌，軌道兩側裝有連桿，連桿上裝有與導軌配合的滑塊，使得軌道可以在導軌上滑動，實現軌道的線性移動。
在供電側與用電側之間，無線供電設備充當著電氣隔離的角色。這套系統(tǒng)主要應用于兩組電路：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。無線供電設備采用了一種可拆卸的變壓器，基于電磁感應的原理來實現電能的無線傳輸。當初級線圈接入交流電源后，在磁芯內會產生變化的磁場，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用上具有一定的靈活性，但其結合部位存在間隙。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整線圈的設計，仍然可以提高分離式變壓器的效率。
3 數據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)電壓頻率調整（DVFS）技術、任務延遲調度法、任務遷移策略以及能量存儲技術。其中，DVFS技術和任務延遲策略是兩種典型的調整工作負載以適應可再生能源供給的節(jié)能方法。通過動態(tài)電壓頻率調整技術，能夠實時改變運行中的電壓和頻率，以實現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)的引入能夠確保數據中心的穩(wěn)定運行，提升新能源的利用效率，并降低高峰期的能耗，進而減少數據中心建設與運營的成本。
ISwitch技術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)的服務器群組中運行，同時減少非必要的任務遷移，以達成提高風能、太陽能使用率和降低運營成本的目標。該技術的具體實施是依據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，進而實現更佳的負載均衡效果。
3.2 節(jié)能效能
目前，風能在數據中心的運用主要集中于通過風力驅動發(fā)電機產生電能，具體是通過風力使大型風力機的葉片進行旋轉，進而經過增速裝置提高轉速，以此推動發(fā)電機進行電能生產。我國東南沿海地區(qū)、內蒙古、新疆以及甘肅等地，風力資源十分充沛。在實際應用層面，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，在數據中心內部構建太陽能、風能和商業(yè)電力三維供應體系，提升數據中心電力供應的可靠性。全球各地數據中心供電系統(tǒng)已廣泛采用風力發(fā)電技術，以河北省張北數據中心為例，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，實現了數據中心電力供應的全面綠色化。
4 未來風能互補供電系統(tǒng)應用于數據中心的機遇與挑戰(zhàn)
風能互補供電系統(tǒng)在數據中心領域的應用或許將引領一場變革，它使得數據中心在供電極為有限的情況下也能實現服務器群的橫向擴充；再如，當前流行的集裝箱模塊化數據中心，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據處理單元。除此之外，風能互補供電系統(tǒng)還極大地促進了數據中心與未來智能化電網的無縫對接。就風能互補供電系統(tǒng)本身而言，未來數據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)，包括探索復合型風能互補供電系統(tǒng)或異構風能互補供電系統(tǒng)等。但隨著風能互補供電系統(tǒng)在數據中心中應用的規(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)。數據中心在整合風能互補供電系統(tǒng)和服務器的過程中，將面臨一系列設計上的新問題，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。
為了適應風能互補供電系統(tǒng)與服務器設備空間距離的縮短，計算機系統(tǒng)與儲能裝置之間必須構建一座適宜的橋梁。這座橋梁不僅要實現計算機系統(tǒng)對風能互補供電系統(tǒng)的主動調用，還要便于風能互補供電系統(tǒng)對服務器能耗的自主調節(jié)。在平衡儲能單元與服務器能耗的過程中，應確保不與數據中心現有的計算機能耗管理體系產生抵觸。同時，鑒于風能互補供電系統(tǒng)與服務器設備距離的縮短，服務器散熱對電池化學反應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，以防出現電力枯竭的狀況。若不幸出現此類狀況，數據中心需開發(fā)出對應的總體電源調控策略，確保本地服務器能夠向周邊的供電系統(tǒng)臨時調配能源。
5 結語
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系。通過將兩者結合，可以顯著增強數據中心電力供應的靈活性和預見性。同時，太陽能與風能的互補供電系統(tǒng)，在經濟效益和技術性能方面，也明顯優(yōu)于單一的太陽能或風能系統(tǒng)。
