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摘要：近年来，大数据、智能算法、移动网络、云计算等先进的信息技术迅猛发展，并被广泛运用。作为集成数据计算、保存、处理等多种功能的数据中心，已成为数字基础设施建设的关键环节。数据中心供能系统的安全性、稳定性、可靠性和持续性是基本要求。因此，数据中心供能系统的重要性不容忽视，一个高效稳定的供能系统是数据中心正常运行的有力保障。鉴于此，本文将重点探讨数据中心与风能互补供电系统的设计，并对其性能进行深入分析。

  关键词：数据中心；风能互补供电系统；性能分析

  作为信息化技术的根本支柱，数据中心承担着数据汇集、保存、传送、交流以及监督控制的关键职能，数据中心融合了多种技术和复杂系统，供电系统便是其中的核心部分，负责向电子设备供应动力，它在数据中心的建设成本中占据首要位置，确保了整个数据中心能够稳定且可靠地运作，从而保障了能源的持续供应。

  1 数据中心供电系统设计技术路线

  1.1 配变电系统

  配变电系统由中压级别的开关柜、电力变压器以及低压级别的开关柜等构成，其主要职责包括电压的转换、系统控制、电量计量和功率补偿等。中压开关柜的核心作用在于接入电源、执行控制、提供保护和进行电量计量，同时完成主备用高压电源的切换操作。电压转换过程是通过变压器实现的，它能将高电压降级为低电压。低压开关柜的主要职能是进行电力的分配、控制、功率补偿和系统保护，同时负责主备用低压电源的切换。

  配变电系统的布置需符合承载标准、有利于高压电缆的铺设进入室内空间、同时方便大型机组的搬运与安装；不得位于可能积水的区域正下方或紧邻积水区，也不应位于地下建筑的最下一层；应尽可能接近电力负荷的核心区域，若数据中心规模较大，可以考虑分阶段部署主辅电站；在电站内部，无需加油的低压和高压配电装置，以及干式变压器可以共同安置于单一空间内，同时满足IP2X或更高防护级别的无需加油的低压和高压配电装置、干式变压器也能够紧密排列；依照容错设计理念搭建的双重变配电系统，则须各自独立地安装在不一样的配电室中。

  1.2 备用电源系统

  作为备用电源，可以选择与主电源分离的发电机组，或者选用电网中独立于主电源的特定供电线路。一旦两路电源同时出现故障，备份电源必须能够迅速启动，并且向外部提供持续且可靠的电力，确保数据中心能够正常运作。

  通常情况下，备用电源倾向于采用发电机组而非独立供电线路的设计，这背后的考量包括以下几点。独立供电线路需要依靠外界电力网络，若外部电网出现故障，便会对数据中心的应急电力供应带来干扰。另外，构建独立供电线路较为烦琐，需与供电企业展开众多交流与协作，这使得其保养的经济和时间投入较多。在主要供电源发生故障时，数据中心由主供电源转换至自供电力线路需要较长时间，这样不利于快速接入备用电源。相比之下，发电机组组成了一套不依赖外界电网的独立供电系统，它能够迅速点火并提供稳定可靠的备用电力，同时其保养费用也较为低廉。

  1.3 不间断电源系统

  不间断电源系统涵盖低压配电柜、备用与主用不间断电源（UPS）以及直流供电单元，其核心作用在于电能的合理分配与保障供电的持续性与稳定性。该系统通过低压供电盘实现两路交流电向UPS主机、直流电源主机、空调及其他辅助设施的分输，同时区分了主要设备与辅助设施的电力供应。

  2 数据中心与风能互补供电系统设计

  2.1 控制器及其外围电路

  供电系统微控制器选用8052系列的单片机，其周边电路主要由电池状态监测电路、电压监测电路以及继电器驱动电路构成。在电池状态监测电路中，采用微负载电压法来测量蓄电池的剩余电量，具体做法是在蓄电池的充放电路径上串联一个低阻值电阻，充电过程中电阻两端的电压呈现负值，而放电时电压则显示为正值。通过监测该电阻上的电压变化，可以准确判断蓄电池的储能状态。保持电阻两端压降在±2.5V的范围之内，并利用INA128模块将电压信号提升2.5V，这样做是为了匹配8052单片机的IO端口和ADC0809模块的电压输入范围，即0至5.0V。在电压检测电路部分，先用变压器将交流市电降压至±2.5V的安全范围内，再通过MCP6002搭建的电压跟随器增强电路的负载驱动能力。与电池检测电路相似，使用INA128模块对电压信号进行提升，以确保符合ADC模块的检测要求，从而实现对电源可用性的监测。

  在继电器控制电路中，其运作准则是首先选用蓄电池作为电力来源，一旦蓄电池的电量告急，便自动切换至市电供应，而在任何电源切换动作前，必须对拟使用的电源进行正常供电的确认。这一确认过程是由微控制器完成的，微控制器依据电量检测电路和电压检测电路所收集的数据，来操纵四个继电器的闭合状态。这四个继电器包括两个直流继电器和两个交流继电器。

  2.2 风能互补发电系统的安置与连接

  通过特定的固定架设，将太阳能电池板置于道路护栏之上或紧邻道路的地点，而立式风力发电机则设置于高速公路中央的绿化区域或道路两侧，每隔约30至40米的距离安装一台，借助过往车辆产生的气流进行发电，其发电效率相对恒定。尽管大型风力发电机容易受到外界环境因素的干扰，但其发电能力较强，可根据实际需要，在高速公路周边风力资源较为充沛的地段进行安装。

  针对护栏设计的太阳能电池板固定系统由配合护栏弧度的扣合板和支架板构成，这两部分利用螺栓等连接件紧固在护栏的两侧。太阳能电池板则利用螺栓安装在支架板上。在扣合板和支架板的四角以及支架板的折角处，都预留了螺栓孔位，同时电池板底部装有扣合片，这些扣合片与支架板上的螺栓孔相对应，借助螺栓和螺母的组合即可稳固地组装电池板、扣合板以及太阳能固定装置。用户可根据实际需要选择风力发电机、太阳能电池板和蓄电池。风力发电机通过宽频段整流器和DC-DC转换器向蓄电池供电，而太阳能电池板则通过连接防逆流二极管后，再经过DC-DC转换器对蓄电池进行充电。

  2.3 无线供电装置

  无线供电装置由外壳和内置于其中的若干预置轨道组成，这些轨道可以是固定的或者是可移动的。这些轨道采用柔性磁防护材料打造，并配备有容纳线圈组件的盒子。轨道的两侧装有转轴连接的扣合装置，装置与轨道的侧壁内部装有弹簧。当线圈盒子被推入轨道时，两侧的扣合装置和弹簧产生的压力将盒子牢固地锁定。线圈盒子分为相互匹配的初级与次级组件，它们各自带有磁铁凸起和凹槽，能够相互嵌合形成整体。盒子的一侧装有连接线的端口和用于操控内部电路的手动开关。启动开关后，设备即可开始工作，初级和次级线圈盒子可以根据不同的电力需求组合使用。当轨道为可移动设计时，外壳两侧设有导轨，轨道两侧装有连杆，连杆上装有与导轨配合的滑块，使得轨道可以在导轨上滑动，实现轨道的线性移动。

  在供电侧与用电侧之间，无线供电设备充当着电气隔离的角色。这套系统主要应用于两组电路：一组是蓄电池供电的逆变电路；另一组则是常规市电供电电路。无线供电设备采用了一种可拆卸的变压器，基于电磁感应的原理来实现电能的无线传输。当初级线圈接入交流电源后，在磁芯内会产生变化的磁场，而这个变化的磁场会在次级线圈中激发出感应电动势，进而完成供电过程。这种可拆卸的变压器有效地实现了交流电源与负载之间的隔离，相较于直接供电方式，在潮湿天气里减少了漏电或短路的风险，从而提升了用电的安全性和可靠性。虽然这种变压器在应用上具有一定的灵活性，但其结合部位存在间隙。这些间隙不仅提升了磁路的磁阻和初级线圈的励磁电流，还导致漏电感增加，使得线圈的耦合度下降。因此，它的效率不如普通变压器，但通过提升工作频率或调整线圈的设计，仍然可以提高分离式变压器的效率。

  3 数据中心与风能互补供电系统的性能分析

  3.1 风能储存效能

  针对太阳能和风能的间歇性与不稳定性，这两种能源在光照和风力不足时会使得电力输出出现短缺。在运用风能互补供电系统时，有多套方案可供选择，其中包括动态电压频率调整（DVFS）技术、任务延迟调度法、任务迁移策略以及能量存储技术。其中，DVFS技术和任务延迟策略是两种典型的调整工作负载以适应可再生能源供给的节能方法。通过动态电压频率调整技术，能够实时改变运行中的电压和频率，以实现性能与功耗之间的平衡。降低电压和频率可以在减少能耗的同时牺牲一定的性能，而提升电压和频率则会提高性能，同时伴随着功耗的提升。储能系统的引入能够确保数据中心的稳定运行，提升新能源的利用效率，并降低高峰期的能耗，进而减少数据中心建设与运营的成本。

  ISwitch技术针对风能互补供电系统开发了一套启发式算法以优化能源配置。该策略的核心是最大限度地保持负载在风能互补供电系统的服务器群组中运行，同时减少非必要的任务迁移，以达成提高风能、太阳能使用率和降低运营成本的目标。该技术的具体实施是依据风力波动的幅度采用一种迟滞的跟随策略：在风力波动剧烈时，避免紧跟风力变化（这会导致部分风能资源的浪费），而在风力较为稳定时，则对负载波动进行调节。然而，iSwitch将储能系统仅作为备用电源，错失了进一步优化系统性能的潜在机会。若能妥善运用储能系统，iSwitch便能将不稳定的电能储存起来，以便在需要时使用，进而实现更佳的负载均衡效果。

  3.2 节能效能

  目前，风能在数据中心的运用主要集中于通过风力驱动发电机产生电能，具体是通过风力使大型风力机的叶片进行旋转，进而经过增速装置提高转速，以此推动发电机进行电能生产。我国东南沿海地区、内蒙古、新疆以及甘肃等地，风力资源十分充沛。在实际应用层面，风能发电可与太阳能发电搭配，打造混合型发电体系，在数据中心内部构建太阳能、风能和商业电力三维供应体系，提升数据中心电力供应的可靠性。全球各地数据中心供电系统已广泛采用风力发电技术，以河北省张北数据中心为例，该地风电装机容量已突破233万千瓦，太阳能光伏发电容量达到14万千伏安，年发电量达到600亿千瓦时，实现了数据中心电力供应的全面绿色化。

  4 未来风能互补供电系统应用于数据中心的机遇与挑战

  风能互补供电系统在数据中心领域的应用或许将引领一场变革，它使得数据中心在供电极为有限的情况下也能实现服务器群的横向扩充；再如，当前流行的集装箱模块化数据中心，若整合高效的储能单元和环保能源系统，则能打造出可移动的数据处理单元。除此之外，风能互补供电系统还极大地促进了数据中心与未来智能化电网的无缝对接。就风能互补供电系统本身而言，未来数据中心将有机会运用多种类型和规模的风能互补供电系统，包括探索复合型风能互补供电系统或异构风能互补供电系统等。但随着风能互补供电系统在数据中心中应用的规模不断扩大，其重要性日益凸显，同时也带来了新的挑战。数据中心在整合风能互补供电系统和服务器的过程中，将面临一系列设计上的新问题，这些问题主要集中在三个方面：空间紧凑、容量受限以及规模庞大。

  为了适应风能互补供电系统与服务器设备空间距离的缩短，计算机系统与储能装置之间必须构建一座适宜的桥梁。这座桥梁不仅要实现计算机系统对风能互补供电系统的主动调用，还要便于风能互补供电系统对服务器能耗的自主调节。在平衡储能单元与服务器能耗的过程中，应确保不与数据中心现有的计算机能耗管理体系产生抵触。同时，鉴于风能互补供电系统与服务器设备距离的缩短，服务器散热对电池化学反应及其效率的潜在影响也不容忽视。另外，鉴于风能互补供电系统普遍存在容量不足的问题，对其充放电过程的监管需更为严格，以防出现电力枯竭的状况。若不幸出现此类状况，数据中心需开发出对应的总体电源调控策略，确保本地服务器能够向周边的供电系统临时调配能源。

  5 结语

  鉴于太阳能和风能系统对气候条件的依赖性，以及气候的多变性可能对系统稳定性带来的影响，整合这两种能源变得尤为重要。由于太阳与风能的波动特性大体上是相反的，它们之间存在着天生的互补关系。通过将两者结合，可以显著增强数据中心电力供应的灵活性和预见性。同时，太阳能与风能的互补供电系统，在经济效益和技术性能方面，也明显优于单一的太阳能或风能系统。