数据中心HVDC发展的十年,应该来说是HVDC奋进与辉煌的十年,也是国内电力电子产业进步的十年。评估一项颠覆性技术的现状优势和发展的新趋势,用量增长、用户增长、标准数量三个数据是黄金标准。本文将从数据中心HVDC的用量增长、用户增长、有关标准与保障体系、产业协同等维度阐述数据中心HVDC的优势、产业生态成熟度与未来趋势。

  数据中心HVDC发展的十年,应该来说是HVDC奋进与辉煌的十年,也是国内电力电子产业进步的十年。评估一项颠覆性技术的现状优势和发展的新趋势,用量增长、用户增长、标准数量三个数据是金标准。本文将从数据中心HVDC的用量增长、用户增长、有关标准与保障体系、产业协同等维度阐述数据中心HVDC的优势、产业生态成熟度与未来趋势。

  首先,第一个金指标是用量增长,也是判断HVDC在数据中心应用优势的充分条件。通过图1能够准确的看出:数据中心HVDC从2013年装机容量约30万安培,到2018年新装机400万安培,五年时间年增长率为1233.3%,年复增长率67.87%;如果按2A带一台IT主设备,则最近一年装机容量可承担约200万台IT设备的电力容量。

  其次,第二个金指标是用户增长(客户类别与推进速度),也是HVDC在数据中心应用必要条件。从表1的数据能够准确的看出,最先推进的电信运营商从试点HVDC到规模推进HVDC耗时5年,大型云计算公司耗时4年,大型政企客户耗时3年,从行业拓展速度来看,新进入行业要快于最先进入行业,行业渗透速度依次提升20%以上,一方面符合电力电子科技类产品的行业属性,可靠性一定要通过实际验证来支撑决策;另一方面能预见产业的生态逐渐顺畅。从横向和纵向的拓展时间速度来预测,后期选择HVDC的行业拓展速度会明显提速。中国移动另辟蹊径,厚积薄发,从现阶段的设备采购数量信息来看发展迅猛。

  第三个金标准是规范与标准建设量,也是HVDC在数据中心应用基础保证。HVDC相关国家标准和行业标准缺失,一直是一些用户的制约点,十年来各行各业专家与政府机构的大力推进,已经制订相关国标4项,发布3项,通信行业标准7项,发布7项,标准从整体机房、产品设计、验收规范、到后端IT设备的PSU电源全方面覆盖,有力支撑HVDC在各行各业数据中心应用的渗透,见表2。

  最后,HVDC技术卓越提升促进产业泛在高压直流(见图2)。数据中心HVDC技术平台带来了大功率全数字化变换与控制技术、三相有源功率因数校正变换与控制技术等领先的电力电子技术,十年时间功率密度提升1.9倍、效率提升3%,损耗减少66%,同时,也奠定了电动汽车充电设施关键技术路线、电力行业设施升级、城市照明行业电能替代等,也给5G的网络建设提供了绝佳的能源平台(见图3)。

  综上所述,HVDC是广泛而深刻的技术革命也是认知革命,在数据中心用量增长、用户增长、标准数量、产业协同四个维度十年时间取得骄人的成绩,必将扬帆远航,有序进行产业电能替代(HVDC颠覆替代UPS和交流配电),开创泛在高压直流时代。

  数据中心HVDC十年发展的如此迅猛,无论是站在支持者的角度还是站在反对者的角度来审视,都是一个伟大的奇迹。从直流电的认知革命、无标准、无生态到泛在HVDC时代,从商业决策到构建商业竞争环境,培育产品及生态都可以堪称电力电子行业变革及产业链的典范,十年的峥嵘岁月,看不见的艰辛,看得见的无限风光。

  理解HVDC在数据中心的产生及带来的价值感知是一场认知革命,HVDC是属于电类范畴,电是看不见摸不着的不透明事物,如果没有系统而专业的电力电子知识,仅靠日常的经验感知或者类比法,这就很容易让应用者对用电设备的物理形态和电气属性错位对待、容易纠结、也容易困惑。

  对于同样的事物为什么看法不同?这一个话题深入思考一下是非常有意思的,如果只就事论事,这个容易回答,但也只能解决一个点的问题。但如果能针对世界的万千类似问题寻找一个通用模型来作答,那就是掌握如何开启创新和变革的之门的金钥匙。把人的认知提炼出来,借助图4所示的认知奇点模型来回答这个解释问题。

  可见,每个人对一件事情的判断,都是基于一个认知的基础。不同的认知奇点,所带来的视野会不同,采取的动作、行为和收获也不会一样。所有的创新和变革,实际上的意思就是打破认知。要想准确的理解业内为何积极地推进电能替代(直流替交流)的本源力量,唯一的方法是理解背后的认知奇点迭代关系。

  1理解时代对电需求的认知奇点,时代给予不间断电源广阔天地 (图5和图6)

  电的发明让人类从蒸汽时代进入电气时代,对整个社会生产力带来了爆炸式提升,现在的人类没办法想象假如没有了电,该如何生活下去。

  在电气时代,人类最开始对电的需求认知是能满足自己的生产和生活,其本质是提供私有的供能服务,所以人类一开始建设私有电厂,采取最简单的直流供电给照明、生产设施等,可想而知每建一个新房子、每建一个工厂就要建立一个私有电厂,是多么荒度时间和成本。人类很快意识到这样的一个问题,认知奇点出现下移,电应该是联合起来统一建设的公共基础设施,形成一种公共的供能服务,以后每个家庭和工厂只需要接入即可,这样电的基础设施投入成本将会最低。

  人类进入信息时代之后,发现要满足时代的需求,特别是通信、互联网和云计算的到来,一些生产关系将需要永久不断电的服务,可想而知第一阶段只能采用公共电网和私有不间断电源的方式来保障需求。对于私有不间断电源将产生一个时代的发展机遇,将会是泛在的,至于不间断电源采取什么样的物理形态和接口,会根据逐步的探索和变革达成共识。

  在电气时代,很多人的认知是在公有电网的接口下,在家里和工厂就应该购买匹配公网接口的设备接口即可。但在信息时代,有些生产关系要实现不间断电源供电,认知再次被打破,认为设备输入接口和公有电网接口没必要完全匹配,进而将带来架构的优化与精简,这也是电源(电力)从业者不断推动电能替代的源动力之一。

  从电的本质需求认知奇点,让人类特别是电行业的专家们认知到虽然电的本质是一种服务,但不同时代的服务本质是不同的,实现的形态和方式应该变也必须变,只有改变才能提升生产力。

  为满足信息(数据)时代永久不断电的生产关系,在用户侧第一阶段想改变公网的架构的可能性几乎为零,所以更多的将会选择公共电网和私有不间断电源组合的方式来满足并提升生产关系。下面通过公有电网与生产工具的简化模型来分析公有电网和私有不间断电源组合的提升策略。

  基于以上模型，能够最终靠三个认知维度分析存在的方案、措施和留给后续的空间。其中，所采取的措施能否留给后续改进的空间和基础是一个很重要的认知，也是稳健可持续进步的基本要求。

  前面从公用电网和私有不间断电源的组合的顶层认知做了剖析,摆在面前的是该选择什么样的改革方案,该考虑什么样的推进策略,该选择从哪里进行突破。改革的目的是要提升生产力,提升效益。但改革的成功需要通常要的以下四个因素(图8):

  行业从业人员的认知基础和洞察力。这样的领域需要聚集大量的专业人才,并且具备较强的洞察力,改革保障;

  从以上的分析可知,能具备四个因素的行业将会是变革先锋,而不完全具备四个因素的行业只能是变革的跟随者,只要变革先锋尝到甜头,必然将带动社会的整个生产关系。

  纵观国内各行各业,通信信息领域率先变革将是最佳选择的领域,问题大多有以下几点:

  通信运营商从业人员积累了大批的电(力)专家,无论是认知还是洞察力都是非常深刻;

  通信信息领域的数据中心耗电量太吓人,占全球的百分之三,并且随着数据时代到来只会更大;

  通信信息领域经过三十多年的发展,产业生态完善,但竞争也激烈,有创新性差异化竞争机遇,是产业生态链厂家愿意跟进的动力;

  4通信信息领域数据中心对能源变革的响应,确定HVDC将是泛在不间断电源的最佳选择

  1999年,在21届INTELEC99(哥本哈根)会议上,提出了HVDC(变革私有不间断电源和接口)是比较实际的变革方案。自2003年起,几乎每届国际电信能源会议均安排了高压直流系统有关的专题讨论会,但更多的是在讨论HVDC的物理实现形式和价值论证。

  国内2007年,中国电信率先在国内开启HVDC试点与论证,借鉴48V通信电源和UPS二十多年的运维和设计经验,也具有全国最优秀的电源供应商,如中恒、维谛、台达等。中国电信定义了一款HVDC产品物理形态和接口标准,采取的推进策略是小开大合,兼容并取的推进策略。

  变革私有不间断电源物理形态,选取HVDC(240Vdc)作为私有不间断电源接口,兼容现有生产工具(IT设备),在应用场景上选择现有小机房,改造机房试点和验证价值。

  变革生产工具物理形态,匹配私有不间断电源,新采购IT设备要完全兼容电力接口,在应用场景上选择大型数据中心,彰显价值。

  应该来说,中国电信采取的小开大合的推进策略是HVDC立身之本。2009年开始,国内互联网巨头开始打造互联网和云计算,投入顶尖人才、财力、物力去研究数据中心基础设施,通过多年实测比对不同的私有不间断电源方案、架构和价值,最终腾讯、阿里、百度不谋而同均选择HVDC作为数据中心不间断电源来保障生产业务,通信运营商、互联网巨头、大型政企均纷纷跟进。

  十年期间勇者开拓，HVDC已是时代所需。大道之史，回首十年，致敬为社会进步发声和推进的人。

  胥飞飞:杭州中恒电气股份有限公司通信电源BD产品总监,《信息通信用240V 336V直流供电系统技术方面的要求和试验方法》国家标准牵头制定人,主导过多款通信网络电源系统的产品规划、开发设计工作。曾获2012年浙江省杭州市科学进步三等奖,参与起草的《数据中心和通信机房基础设施能效测评及节能技术指南》等10项国际标准、行业和协会标准,荣获中国通信标准化协会科学技术一等奖。