伟创力关键电源与嵌入式电源事业部总裁Christopher Butler

对于计划扩容的数据中心运营商而言，确保电网接入无疑是首要任务。毕竟，无电则无数据中心是行业共识。然而，人工智能（AI）和高性能计算（HPC）对电网带来的超高需求，正使另一个问题迅速凸显：电力质量。尽管运行传统工作负载的数据中心已在很大程度上解决了电力质量问题，但随着计算性质的变化，AI/HPC应用正带来全新挑战。

数据中心依赖持续、不间断的电力来保障运行时间、保护设备并维持运营效率。确保高电力质量是电力公司和数据中心运营商共同的责任。本文将探讨影响电力质量的关键因素，以及运营商在AI时代可采取哪些措施来保护其设施、降低财务风险，并成为电网共享体系中的好邻居。

电力质量特性及其后果

电力质量指的是供应至数据中心电力的可靠性、稳定性与洁净度。计算密集、时间敏感的AI处理与推理任务尤其易受电压波动、频率偏差、谐波、断电及瞬态（突发）事件等电力异常的影响，其后果可能立竿见影且极为严峻。

劣质电力可能会引发一系列问题：

• 处理器报错、内存不稳定及存储系统故障，进而造成数据访问中断与结果损毁
• 训练结果既不可靠也不可复现，延迟大幅攀升和系统超时，最终影响模型与算法的完整性
• 节点故障波及跨多服务器运行的大型AI工作负载
• 电压骤降引发系统重置或活动会话丢失
• 高密度AI机柜中电源单元或转换器过热
• 系统为保护组件而触发热降频甚至热关断
• 变压器故障——其停机代价尤为高昂，目前新变压器的交付周期可达两至四年，即便对采用冗余系统的运营商亦是重大风险

电网本非因此而建

电网的设计初衷是应对典型的供需周期，平滑峰谷、适应波动。尽管将能源转化为可用电力并可靠配送的过程本质复杂，电网在多数情况下仍能良好履行这一职责。

然而，全球多数电网基础设施建于20世纪六七十年代，那个时期的用电需求更易预测与管理。当时主流的白炽灯、交流电机和模拟设备所产生的电力负载呈线性特征，不会破坏电力质量，且设备消耗的电流与施加的电压呈正比。

现代数字环境则截然不同。以服务器、LED照明和变频暖通空调为例，它们产生非线性、尖峰式负载，需要更精细的电力质量管理。与过去规律的日峰和季节性特征不同，由于AI数据中心、加密货币挖矿及“万物电气化”趋势带来的需求波动，电力尖峰可能随时发生。

此外，电网自身还需应对太阳能、风能等可再生能源的不可预测性——其波动远甚于化石燃料或水电。系统因此充斥着更多不确定性，而传统的公用事业规划框架并未将这些因素纳入考量。

数据中心与共享资源之争

理解AI时代数据中心的电力消耗，可以这样此喻：每次开关操作都会扰动能量流动——开、关、开、关。

这本质正是微芯片的工作方式，只是当今先进芯片每秒开关电流数十亿次，且在此过程中消耗巨大电能。考虑到单个超大规模数据中心可能部署数百万GPU、CPU、NPU和TPU，电力公司面临的挑战可见一斑。

根源何在？ 因为电网是共享资源。电力工程师基于三大技术考量——电力质量、可靠性及供需平衡——来设计与维护电网，服务于从家庭、小型企业到庞大科技园区和大型制造工厂的所有用户。任一用户造成的扰动都会影响全局。

“脏电”：数据中心是元凶吗？

简而言之，有时确实是。通常，电压呈现为平滑周期性振荡的滚动波——即正弦波（图1中绿线）。上世纪90年代中期确立的关于谐波电流、电压闪变等因素的稳态负载国际标准，曾为数据中心运营商提供良好指引，部分运营商甚至为自身设施设定了更严苛的标准。

但AI模型导致用电量出现大规模骤增，使得数据中心内安置服务器、存储及网络设备的“白空间”成为失真源。快速、不均匀的电力脉冲会产生谐波，扭曲电压波形（蓝线与黄线）。

这如同持续向小池塘投入大小不一的石子，涟漪在从岸边反弹时相互碰撞扭曲。服务器中用于稳压的高频开关更增添了额外电气噪声。而极端天气（如热浪）会进一步放大谐波——当变频驱动器（VFD）调节供应至冷却风扇（位于数据中心配电、冷却系统和发电机所在的“灰空间”）的电力频率与电压时。借用一句名言：“我们已经遇到了敌人，那就是我们自己。”

若未经过恰当滤波，这片混沌将回馈至电网本身，不仅干扰数据中心自身供电，更波及电网上的所有用户。电力质量问题可能损坏医院、工厂、电信网络等处的敏感设备，变压器故障甚至可能导致整个区域断电。

含有大量谐波、电压失真、瞬变、三相不平衡及其他异常的“脏电”，还会加剧能量损耗，其根源在于发电与输电效率的同步下降。谐波会导致电气设备发热，进而引发连锁效应，对数据中心的电能使用效率（PUE）产生显著负面影响：能损攀升、能效下降、额外冷却需求上升、功耗激增。

图1.谐波失真

真实案例与次谐波新解

尽管以AI为核心的数据中心仍属少数，麦肯锡公司预测，到2030年，约70% 的新增数据中心容量将用于支持先进AI工作负载。Uptime Institute调研亦显示，74%的托管服务提供商已投资基础设施升级以满足客户AI需求。AI与HPC应用的需求催生机遇，但也因新挑战的出现让运营商按下“暂停键”。

例如，某超大规模运营商告知，其数据中心的建设可能导致周边200英里半径内的电力扰动。类比而言，若该数据中心位于巴黎，其影响范围将远至布鲁塞尔和伦敦郊区 [图2]。另一运营商则表示，其今年计划采购的发电机总量足以支撑芝加哥全市（270万人口）的用电。

图2. 法国巴黎周边200英里半径示意图

伟创力正与超大规模客户携手开发解决方案，以应对AI/HPC计算带来的诸多挑战。其中一项突破性技术便是电容储能系统（CESS）。这项新技术能在电力负载突变引发大幅功率瞬变（如电压或电流浪涌）时，为电力供应提供支撑并维持其稳定性。

测试发现，虽然AI工作负载引发的谐波问题可通过多种方式缓解，但次谐波问题尤为突出——这并非电源系统自身导致，而是负载波形通过电源反射形成。次谐波是频率低于基频的振荡，负载脉冲会加剧其产生。尽管听似无害，次谐波不仅会降低电力质量、引发本地发电机故障，还可能引起 DC/DC转换器不稳定、导致过热及设备过早损坏——而现有解决方案如有源谐波滤波器、谐波抑制变压器和UPS系统均无法解决此问题。

Flex CESS能有效抑制次谐波，且不会放大电力和冷却需求，或缩短运行AI/HPC工作负载的芯片寿命 [图3]。这不仅解决了数据中心内部的电力质量和可靠性问题（如文初所述），更能防止次谐波对电网本身造成负面影响。

图3. 输入功率谐波分析 — 0.1 Hz脉冲/占空比=20%

伟创力还与Comsys合作，利用其有源动态解决方案（ADF系列）监控数据中心供电，每秒数千次补偿电气缺陷，以降低电压扰动、稳定电网。

净化电力，方能轻装前行

运行AI/HPC工作负载的运营商必须找到合适的方式，在不影响其他所有用户电力供应稳定性的前提下开展业务。随着数据中心负载不断攀升，电力公司正在更新并网规则，部分甚至要求提交经验证的负载模型。

在算力激增、数据中心遍布的当下，“防患于未然”是公认的金科玉律。一般而言，电网是脏电的接收端。若电网基础设施过时或超载，扰动将回传至源头及其他用户，这不仅构成财务与运营风险，更危及企业声誉。

数据中心运营商净化电能、履行责任，符合自身根本利益，具体措施包括：

• 开展谐波前瞻咨询：在系统设计阶段提前评估谐波可能带来的影响，前瞻性规避潜在问题，并制定易于扩展升级的敏捷策略
• 统筹次谐波治理：不仅关注谐波，更将次谐波纳入考量，并采用如Flex CESS等方案予以抑制
• 部署智能滤波器：配置可持续监控电流、在检测到谐波时注入抵消信号的“智能”有源谐波滤波器，阻止谐波注入电网
• 应用功率因数校正：使用电容器组或动态补偿系统等功率因数校正设备，减少电气“溢泄”，提升系统能效
• 安装隔离变压器：通过隔离变压器将噪声与谐波限制在数据中心内部
• 携手电力公司：通过智能电网协调，预测并平滑大型AI负载
• 严守并网标准：遵循IEEE 519（美标）、EN 50160（欧非中东）等对谐波失真水平设限的并网标准（未达标可能导致经济处罚），以及涵盖电磁干扰（EMI）发射与接收的IEC 61000系列标准

系统级挑战，系统级解决

高质量电力供应如同无名英雄——当电力质量良好时一切如常：灯亮了，设备运转。但自电力质量开始下降那一刻起，问题便接踵而至。它们可能悄然而至，如未被察觉却导致远端设备莫名故障的谐波；它们也可能以更明显的方式现身，如引发即时（有时不可逆）业务中断的电压骤降或变压器熔毁；它们也可能以另一种形式出现——一家知识丰富、积极主动的电力公司，努力在所有利益相关方之间实现平衡。

电力质量是系统级问题，需要系统级解决方案。伟创力与领先芯片公司及数据中心客户紧密合作，针对产品路线图与架构演进，前瞻性地应对可预见的电力质量挑战。凭借涵盖关键电源、嵌入式电源产品及直触芯片冷却解决方案的完整产品组合，我们独到的视角贯穿从电网到芯片的全链路，为客户提供宝贵洞察，助力构建复杂问题的全面解决之道。