近年來,隨著互聯網和計算機技術的發展,基于互聯網提供的各種服務也變得越來越多。作為這些互聯網應用服務載體的數據中心,其建設需求也在不斷增加。特別是近幾年來,我國三大通信運營商都投入了大量的資金用于數據中心的建設。

目前,全國已經形成了至少數百家大小不一的數據中心。各運營商為了節約成本、便于管理、形成規模化效益,數據中心的建設規模逐漸變得越來越大,巨大的用電容量給數據中心建設和運營都帶來了巨大的壓力,如何合理配置資源、提高數據中心供電的安全性、降低運營成本,成為各大運營商在機房建設中重點考慮的因素。

1 數據中心對供電系統的要求

數據中心對供電系統的要求主要包括以下幾方面:

(1)安全可靠

一般要求電源供電系統的可用度A≥99.999%。因此,必須合理進行配置,達到系統供電安全最優化。

(2)節能環保

在能源緊缺、重視環保的今天,綠色、節能的電源系統備受關注。UPS在綠色、節能方面的表現主要體現在輸入功率因數、輸入電流諧波以及整機效率等方面。一般要求輸入功率因數大于0.95、輸入電流諧波小于5%、效率大于92%。

(3)可維護性

UPS供電系統應維護方便,便于管理。這樣不但可以節省系統的維護成本,更為重要的是可以盡量避免因人為維護或者管理不當而引發的系統故障。

(4)建設成本

要求系統配置可擴容,這樣既能有效節省系統建設初期的投資費用,又能使UPS在整個數據中心的建設過程中始終保持在安全而又高效的工作狀態下,提高了系統性價比。

因此,建設合理的數據中心供電系統,不是一味追求某一項指標的最優化,而是應該根據實際的需要,在保證安全可靠性、節能環保、維護管理方便、降低建設成本這4個要點中找出一個平衡點,建設出既節能環保,又安全可靠、經濟適用的系統。

2 數據中心常用的供電解決方案

(1)集中式供電方案

由一臺UPS組成單機供電系統、多臺UPS組成并聯供電或雙總線供電系統,再通過配電集中給負載供電,這種供電方案一般情況下UPS系統與機房用電設備是分開的。該供電方案一般UPS的單機容量在200～400kVA較多,供電示意圖如圖1所示。

(2)分布式供電方案

在機房各列服務器加入單獨的電源供電,形成整體機房的分布式供電解決方案,電源產品一般以高頻機為主,功率容量一般在10～100kVA合適,如圖2所示。

分布式供電方案的優點:

①供電方式選擇拓展性好、配置靈活,同時可以有效地解決數據機房分批建設投資問題。特別是單機架(柜)配套的UPS,每上一個柜子直接投資一個柜子的UPS即可。

②空間經濟效益明顯:充分利用現有機柜內部的剩余空間,有效地減少了集中電源的配電屏及大功率UPS的安裝位置,為現在寸土寸金的中心機房節約空間成本。

③系統比較分散,單設備故障影響面小:

分布式供電方案的缺點:

①運維工作量加大,動力與IT維護界面不清晰,存在交****地方。

②系統造價較高:單體電源總和及配電線會多一些,有可能會導致總體成本高。

③工程施工難度較大,供電布線復雜,不便于集中管理。

3 電源產品解決方案

(1)傳統UPS供電解決方案

①工頻機UPS供電解決方案

采用傳統相控整流UPS組成“1+1”雙總線供電方案,解決單點故障瓶頸,具有很好的容錯能力,提高供電系統的可靠性。一般運用UPS的單機功率容量在200～400kVA較多。

工頻機UPS供電解決方案的優點:因工頻機功率器件承受的電壓應力較小,器件的可靠性高,且控制相對簡單,因此,系統的可靠性相對較高。

工頻機UPS供電解決方案的缺點:整機體積大、重量大、功耗大、效率低和輸入功率因數低等不利因素大大影響了數據中心供電的可靠性及經濟指標。一般情況下工頻機的效率在92%左右;12脈沖機型的輸入功率因數及電流諧波在0.8及10%;要滿足供電的高指標要求需要增加相應的濾波器,這樣會導致成本、體積、重量的增加。

②高頻機UPS供電解決方案

采用IGBT整流型UPS組成“1+1”雙總線供電方案,解決單點故障瓶頸,具有很好的容錯能力,提高了供電系統的可靠性。

高頻機UPS供電解決方案的優點:輸入功率因數高,可達到0.99;電流諧波小,小于5%;系統效率高,可達到94%～95%;整機體積小、重量輕,有效減少現場工程施工的難度及建設成本;與工頻機UPS比較,整機體積可減少20%～30%。

高頻機UPS供電解決方案的缺點:地線耦合產生較多的高頻諧波,造成負載端零地電壓較高,很難滿足IBM、HP等服務器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。高頻機UPS的功率器件工作電壓較高,使得器件承受的電壓應力大,器件可靠性相對工頻機UPS較低。

(2)模塊化UPS供電系統解決方案

該方案采用模塊化UPS組成“1+1”雙總線供電系統,解決單點故障瓶頸,一般單機容量在200～480kVA比較合適。供電方案如圖3所示。

模塊化UPS供電系統解決方案的優點:

①擴展性:模塊化UPS具有N+X的架構特性,可根據負載增加或成本預算實現隨需擴容,前提是系統總容量需預先明確。

②運維簡便高效:更換維修時無需停機等待修復,無需專業技術人員在場,用戶可以在線狀態下對故障模塊進行更換。

③物理空間投資:模塊化UPS在物理尺寸整機重量比傳統機型有絕對優勢,為用戶節省大量的機房投資和承重加固投資。

④高效、節能:輸入指標好、效率高,減少用戶的運行成本。輸入功率因數可達0.99;輸入電流諧波小于5%;系統效率94%～95%。

模塊化UPS供電系統解決方案的缺點:

①模塊的故障率高:因系統并聯的模塊數多,模塊間相互協調及通信量大,導致系統的故障率高;從可靠性模型統計,系統的MTBF降低。

②模塊間的環流控制較難:因系統模塊數多,且不同模塊間的內阻差別,使得各模塊間的環流控制困難,容易引起因控制不力導致系統故障。

(3)高壓直流供電系統解決方案

高壓直流(HVDC)供電系統示意圖如圖4所示。

HVDC供電系統解決方案的優點:

①可靠性好:HVDC供電系統采用的是并聯型供電模式,后備電源蓄電池直接掛在負載設備前端,沒有任何中間電路,徹底消除供電系統中不可預見、突發性的故障對負載的威脅。

②節約能耗:因其采用模塊化結構,可根據負載的大小,由監控系統或現場值守人員靈活控制模塊的開機運行數量,還可啟動模塊休眠管理功能,提高模塊的負載率,也可大大提高系統的效率;現有的HVDC供電系統效率可達95%。但其直流傳輸的損耗會增大。

③輸入指標高:HVDC整流器模塊大都采用有源功率因數校正,輸入功率因數可以達到0.99,輸入電流諧波小于5%,有效消除電源對電網的污染。

④零地電壓*小:采用高頻變壓器將輸入與輸出完全隔離,直流輸入沒有零線,因此,也就不存在“零地”電壓,有效減少一些因零地電壓引起的負載供電問題。

⑤割接改造方便:對于采用UPS供電的設備來說,除非其采用雙電源供電,或專門配置有STS設備,否則通常只能采用停電方式割接。對于現代機房供電要求,這是不可接受的。直流電源只要做到輸出電壓和極性相同即可連接到一起,從而實現不停電的割接。

HVDC供電系統解決方案的缺點:

①適用度:數據中心機房多年來為交流配電模式,現在輸出端改為直流模式,涉及到配電系統、用戶的使用及維護能力、責任界面、負載設備長期直流運行的可靠性等問題。包括早期數據中心機房的改造問題。

②系統長期的穩定可靠性:目前高壓直流僅在國內大力推廣和采用,為新生產品、新的電源系統模式,其長期運行的穩定可靠性還需進一步地實際驗證。

(4)交、直流兩種供電系統優劣對比

交、直流兩種供電系統優劣對比見表1。

4 結束語

隨著時代的進步,對數據中心供電系統的要求不斷發生變化。但總的趨勢是安全可靠、擴容方便、配置靈活。因此,環保高效的高頻機UPS及高功率密度的模塊化UPS、HVDC將逐步在數據中心機房推廣;同時傳統的相控型整流的UPS因可靠性高的特點,在數據中心機房的使用會再持續一定時間。

作者簡介

林藝成(1980-),男,本科,漳州科華技術有限公司,工程師。主要研究方向為不間斷電源技術。

蘇先進(1969-),男,本科,漳州科華技術有限公司,高級工程師。主要研究方向為不間斷電源技術。

編輯：Harris

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