数据中心需求旺盛，或面临电力短缺问题
当前，人工智能正以前所未有的速度融入人们的生活与工作，在带来便捷与高效的同时，其背后隐藏的庞大能源消耗却较少被人 留意。国际能源署发布的《能源与AI》报告，揭示了AI能耗的真实数据。 当用户与AI完成一次对话，云端服务器便会消耗2瓦时电能，约等于开灯十分钟的耗电量；若使用AI生成一段视频，所需电量则升 至50瓦时，足够一台电风扇持续运转约1小时。 然而，在全球科技巨头竞逐大模型赛道的算力竞赛中，能源消耗的代价远超公众想象。报告以OpenAI的GPT-4为例，该数据模型 在持续14周的数据模型训练中消耗了42.4吉瓦时电力，日均耗电0.43吉瓦时，这堪比2.85万户欧美家庭的日均用电量。但这仅仅是 AI能耗的冰山一角—— 放眼全世界，2024年全球数据中心耗电达415太瓦时，占据全球总用电量的1.5%，与英国全年用电量相当。其中，美国数据中心耗 电量180太瓦时占全球45%的份额，其次是占据25%的中国和占据15%的欧洲。过去十年，美国数据中心用电量增长迅猛，2015至 2024年间以年均约12%的速度增长，2024年耗电量达180太瓦时，超过美国全社会用电量的4%。同时，中国的数据中心行业自2015 年起也显著扩张，2015至2024年间电力需求年均增长15%，而同期中国全社会用电量年均增速仅为7%，目前中国数据中心年耗电量 约100太瓦时，大致相当于国内电动汽车的年用电量。 未来AI能源消耗图景更具冲击力，报告预测，到2030年，全球数据中心用电将升至945太瓦时，逼近日本当前全国用电规模。
人工智能数据中心的能源消耗速度大约是电网新增电力速度的四倍，这为发电地点、人工智能数据中心建设地点，以及更高效的 系统、芯片和软件架构的根本性转变奠定了基础。 这对正在竞相建设人工智能数据中心的美国和中国来说，这些数字尤其引人注目。美国能源部委托撰写的一份2024年报告显示， 2023年美国数据中心消耗的电量约占美国总发电量的4.4%，约为176太瓦时。预计到2028年，这一数字将增至325至580太瓦时，分 别占美国总发电量的6.7%至12%。
国际能源署预计中国2025年的能源消耗量将达到400太瓦时。到2030年，我国数据中心用电负荷将达1.05亿千瓦，总用电量约为 5257.6亿千瓦时，占全社会总用电量的4.8%。 虽然这些数字看起来与美国的消耗量相当，但国际能源署指出，中国公民的能源消耗量远低于美国公民。在全球范围内，能源消 耗率每年以30%的速度增长，这主要归因于人工智能，其中美国和中国占了约80%的增量。
数据中心功率日渐增长，能源消耗显著
在全球电能质量治理市场蓬勃发展的背景下，数据中心正成为驱动行业增长的核心引擎。根据Precedence Research的统计与预测， 全球电能质量治理市场规模有望从2024年的386亿美元增至2030年的563亿美元，复合年增长率（CAGR）达到6.5%。伴随着国内外 互联网巨头及云厂加大资本开支投入，AIDC（AI数据中心）建设的提速，全球数据中心IT侧新增装机功率预计将从2024年的 10.5GW激增至2030年的40.3GW。 英伟达GPU产品路线图的快速迭代进一步加剧了这一挑战。其GPU升级周期从两年缩短至一年，TDP（热设计功耗）从H100的 700W提升至B300的1400W，再到VR300的3600W。运算能力的飞跃性提升直接导致服务器功耗激增，现有48-54低压服务器架构 已接近物理极限。当前主流服务器机架难以实现100kW以上的高功率密度部署，电源插座、线缆设计等基础设施亟需升级，可扩 展性瓶颈日益凸显。
数据中心的交流供电系统
数据中心交流供电系统为用电设备提供安全可靠的电能供应，通常包括AC1OkV配电、AC1OkV转AC380V变电，以及UPS、馈线柜、PDU等低压配电环节 (国外的电压标准不同，电压数值会有差异，但整体架构类似)。数据中心供电系统的核心要求是能够保障数据中心中ICT设备全年无休不间断工作，既包括 直接向ICT设备提供电能，也包括向为ICT设备正常工作提供稳定环境的其它辅助设备提供电能，如空调、监控等设备用电。 UPS作为交流供电系统的核心设备由整流器、逆变器、电池组、静态转换开关等组成，正常情况下，整流器把输入的交流电变换成稳定的直流母线电压，同 时给电池充电，逆变器再把直流母线电压变换成交流电，经过交-直-交变换起到净化输入电源的作用。如果市电中断或异常，UPS会不间断转由电池逆变输 出，电池供电时间的长短取决于负载大小及电池容量。在电池供电期间，如果电池电压下降到终止电压市电还没有恢复正常，而此时UPS旁路电源正常，则 自动转到旁路继续供电。市电恢复正常时，整流器自动开启，重新回到交-直-交的供电模式，整个过程负载供电不会中断。 随着市电品质的提升以及数据中心对供电效率的更高追求，行业内也在尝试UPS平时由静态旁路供电，市电异常时转为逆变器供电的经济模式(ECOmodel)。 基于UPS设备的交流供电系统改善了电力品质，做到了负载供电不中断，但是因为供电链路长，节点设备多，所以占地面积比较大、建设周期比较长、供电 效率也不高。
数据中心的直流供电系统
高压直流(HVDC)供电系统是在电信行业的-48V直流供电系统基础上发展而来的，引入DC240V或者DC336V标称电压的供电制式后，取得了更高的供电效率， 扩大了供电半径。该技术因没有逆变环节，蓄电池组距离末端负荷更近，成为了与传统UPS并行发展的可替代方案，在互联网、运营商、超算、金融等领域 的大型数据中心具有一定应用。HVDC诞生和进入数据中心供电的初始动力是电池直挂输出，不会受到逆变器状态的影响，便于维护，并且服务器最终使用 的也是直流。数据中心接受DC240V供电的现实基础主要有两个，一是传统服务器能够直接接入DC240V，二是原有的AC220V供电线路和设备能够直接适用 DC240V，而DC336V的规格推广就遇到了阻力。 在实际应用中，电池直挂确实能够提升供电系统的可靠性，但是HVDC还是需要DC/DC电路进行隔离和调压，并且它的输入跟UPS一样也是低压交流，所以 设备效率并没有比UPS有明显的提升。加上数据中心设备还无法完全使用直流供电，有的租赁客户仍然倾向于传统的交流供电，所以HVDC主要在互联网、 运营商、超算、金融等领域的自用机房中使用，全行业来看占比不高。 10kV交流输入的直流不间断电源系统是在HVDC基础上进一步集成，将上游的中置柜和变压器也包括其中，实现供电系统的预制化和集成化。主要特色是用 移相变压器替代了传统的降压变压器，移相的同时进行负载分组，可以有效降低系统的电流谐波含量并提升输入功率因数。与传统低压输入的HVDC系统相 比，10kV交流输入的直流不间断电源系统体积更小、效率更高。系统的输出电压可以是DC240V或DC336V，也可以根据需要进一步提升，并可兼顾AC220V 输出，具有一定的进步性。但是由于该设备中AC10kV移相变压器采用铜线绕制，所以还稍显笨重，成本也受到铜材的硬性限制难以下降。
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