芝能智芯出品
隨著人工智能（AI）的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心如雨后春筍般涌現(xiàn)，其巨大的電力需求對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成了前所未有的壓力。不良諧波現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)表明，電網(wǎng)的電能質(zhì)量正受到嚴(yán)重影響，甚至威脅到家用電器和老化電力設(shè)備的運(yùn)行安全。
我們根據(jù)彭博社《AI Needs So Much Power, It’s Making Yours Worse》一文展開(kāi)分析，并將分為兩個(gè)部分進(jìn)行深入探討：
第一部分聚焦AI數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的電能質(zhì)量挑戰(zhàn)及其解決方案；
第二部分分析英偉達(dá)將鋰電BBU（備用電池單元）作為新一代服務(wù)器標(biāo)配的策略。
Part1AI數(shù)據(jù)中心電能質(zhì)量挑戰(zhàn)與解決方案
人工智能的繁榮使得數(shù)據(jù)中心如雨后春筍般涌現(xiàn)，美國(guó)目前是全球最大的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商，且其他國(guó)家也在競(jìng)相建設(shè)。
數(shù)據(jù)中心作為城市規(guī)模的大用戶，其建設(shè)速度遠(yuǎn)超電網(wǎng)規(guī)劃的常規(guī)節(jié)奏。以美國(guó)為例，未來(lái)五年電力需求將因新數(shù)據(jù)中心推動(dòng)而激增近 16%，是一年前估計(jì)的三倍多，而電網(wǎng)幾十年來(lái)電力使用量基本持平，現(xiàn)有的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施難以快速適應(yīng)這種爆發(fā)式增長(zhǎng)，導(dǎo)致電力供應(yīng)緊張，電壓穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。
數(shù)據(jù)中心多集中在大城市附近以利用更大電網(wǎng)和光纖網(wǎng)絡(luò)解決延遲問(wèn)題，但也給本已脆弱的城市電網(wǎng)增添巨大壓力。
在農(nóng)村地區(qū)，靠近重要數(shù)據(jù)中心活動(dòng)的傳感器也出現(xiàn)電力失真，說(shuō)明電網(wǎng)在城鄉(xiāng)都面臨著因數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的壓力，且這種壓力還因基礎(chǔ)設(shè)施老化、極端天氣以及電動(dòng)汽車等更多電氣化設(shè)備的興起而加劇。
數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模用電以及其用電的不穩(wěn)定性（如人工智能的能源消耗像鋸齒圖，而非平滑線），會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)。
當(dāng)數(shù)據(jù)中心用電高峰時(shí)，可能會(huì)拉低電網(wǎng)電壓，而在用電低谷時(shí)，又可能使電壓升高，超出正常范圍的電壓波動(dòng)會(huì)影響各類電器設(shè)備的正常運(yùn)行，降低其使用壽命，甚至損壞設(shè)備，對(duì)電壓敏感的電子設(shè)備，如精密儀器、醫(yī)療設(shè)備等，可能會(huì)因電壓不穩(wěn)而出現(xiàn)測(cè)量誤差、故障甚至報(bào)廢。
●諧波失真的直接后果包括：
◎設(shè)備損壞：電器發(fā)熱、噪音增加甚至失靈，嚴(yán)重影響設(shè)備壽命。
◎火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)：電壓波動(dòng)或諧波積累可能引發(fā)電氣火災(zāi)。
◎經(jīng)濟(jì)損失：全球范圍內(nèi)的諧波相關(guān)損失可能高達(dá)數(shù)十億美元。
數(shù)據(jù)中心快速建成并上線的速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃，給本已老化的電網(wǎng)設(shè)施帶來(lái)了前所未有的沖擊。
此外，電動(dòng)汽車普及、家庭電氣化程度提高等趨勢(shì)進(jìn)一步加劇了電力需求。這些因素疊加，使電網(wǎng)變得更加脆弱，難以應(yīng)對(duì)超大規(guī)模負(fù)載。
AI數(shù)據(jù)中心對(duì)電能質(zhì)量的沖擊既是技術(shù)挑戰(zhàn)，也是優(yōu)化電網(wǎng)的契機(jī)。
Part 2英偉達(dá)電能質(zhì)量解決方案的有效性與啟示
英偉達(dá)計(jì)劃在新一代服務(wù)器 GB3800 中將 BBU（Battery Backup Unit，備用電池單元）列為標(biāo)配，其中采用鋰電池技術(shù)的 BBU 更具競(jìng)爭(zhēng)力。
相比傳統(tǒng) UPS 和柴油發(fā)電機(jī)，BBU 具備響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)）、體積小、布局靈活等優(yōu)勢(shì)，可有效銜接超級(jí)電容啟動(dòng)與柴油發(fā)電機(jī)供電的過(guò)渡階段。
在新型 AI 數(shù)據(jù)中心采用的高壓直流配電系統(tǒng)中，高倍率 BBU 可表現(xiàn)出更高的電力轉(zhuǎn)換效率，有助于優(yōu)化數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本結(jié)構(gòu)。鋰電 BBU 的 5 - 10 年的使用壽命和快充特性能顯著降低全生命周期成本。
雖然中國(guó)電網(wǎng)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，對(duì) BBU 需求不如海外迫切，但隨著 AI 對(duì)數(shù)據(jù)安全要求提升，加之 BBU 相較 UPS 在成本和空間利用上的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也將逐步向 BBU 方向演進(jìn)，甚至有觀點(diǎn)認(rèn)為 BBU 隨著技術(shù)迭代有成為應(yīng)急電源標(biāo)配的可能。
●方案優(yōu)勢(shì)：鋰電BBU響應(yīng)速度快、體積小、布置靈活，適用于高壓直流配電系統(tǒng)，提升電力轉(zhuǎn)換效率。長(zhǎng)使用壽命和快充特性降低全生命周期成本，增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性。
●解決問(wèn)題：提升供電可靠性，避免因電力中斷導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失或業(yè)務(wù)中斷。優(yōu)化運(yùn)營(yíng)成本，通過(guò)高效電力轉(zhuǎn)換減少電力損耗，節(jié)省電費(fèi)支出。
●設(shè)計(jì)影響：推動(dòng)電源系統(tǒng)架構(gòu)變革，結(jié)合超級(jí)電容和柴油發(fā)電機(jī)構(gòu)建更完善的應(yīng)急供電體系。改變空間布局與散熱設(shè)計(jì)，使數(shù)據(jù)中心更加緊湊高效。提高智能化管理水平，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。
英偉達(dá)推出的針對(duì)數(shù)據(jù)中心的諧波優(yōu)化方案，引入了AI算法來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與優(yōu)化電力使用效率，可以自動(dòng)識(shí)別并調(diào)整數(shù)據(jù)中心內(nèi)各個(gè)組件的功耗，從而減少不必要的能耗，并提高整體的能源利用效率。通過(guò)這種方式，不僅能降低運(yùn)營(yíng)成本，還能減小對(duì)環(huán)境的影響。
為了減輕主電網(wǎng)的壓力，英偉達(dá)建議將部分計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移至靠近數(shù)據(jù)源或用戶的邊緣節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。這種方法能夠降低傳輸延遲、減少帶寬占用，同時(shí)也能分散瞬時(shí)電力需求，防止電網(wǎng)過(guò)載。
此外，分布式供電策略鼓勵(lì)采用本地化的能源生產(chǎn)方式，如太陽(yáng)能板等可再生能源，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的自給能力和環(huán)保性能。
●對(duì)于未來(lái)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的影響體現(xiàn)在幾個(gè)關(guān)鍵方面：
隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)的數(shù)據(jù)中心將更加靈活多變，允許快速部署新服務(wù)和技術(shù)升級(jí)。
智能管理系統(tǒng)使得這些設(shè)施能夠在幾乎無(wú)需人工干預(yù)的情況下自我調(diào)節(jié)和優(yōu)化�？紤]到環(huán)境保護(hù)的重要性，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心開(kāi)始探索如何更廣泛地應(yīng)用清潔能源。光伏和風(fēng)能等可再生能源的使用比例預(yù)計(jì)會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，幫助實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
云-邊協(xié)同的概念促進(jìn)了計(jì)算資源的最優(yōu)分配，而區(qū)域節(jié)點(diǎn)布置則保證了即使在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)也能維持基本的服務(wù)水平。這種架構(gòu)不僅提高了系統(tǒng)彈性，也為用戶帶來(lái)了更好的體驗(yàn)。
從硬件到軟件層面的全面優(yōu)化，意味著不僅要改進(jìn)物理基礎(chǔ)設(shè)施，還要不斷提升算法的效率。新型濾波設(shè)備的應(yīng)用配合強(qiáng)化后的能效監(jiān)控與優(yōu)化算法，可以確保數(shù)據(jù)中心始終處于最佳工作狀態(tài)。
英偉達(dá)的實(shí)踐強(qiáng)調(diào)了電網(wǎng)管理需要變得更加智能與彈性化。借助AI、電力工程和數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代技術(shù)，可以更好地預(yù)測(cè)負(fù)載需求、調(diào)度能源資源，最終達(dá)成提升電能質(zhì)量和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的雙重目標(biāo)。這不僅是對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)管理模式的一種革新，也預(yù)示著一個(gè)更加清潔、高效且可靠的電力未來(lái)。
小結(jié)
AI數(shù)據(jù)中心的崛起帶來(lái)了前所未有的電網(wǎng)壓力，也為電能質(zhì)量的技術(shù)升級(jí)提供了新的動(dòng)力。芝能智芯認(rèn)為，應(yīng)以多元技術(shù)手段提升電能質(zhì)量，通過(guò)跨行業(yè)協(xié)作實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化轉(zhuǎn)型。
