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    數據中心高壓直流技術解析

    • 作者:成都新海力
    • 發布時間:2020-02-26
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    近年來,中國電信與中國移動相繼提出了以240V和336V直流電源代替傳統220V交流UPS電源向數據中心負載供電的應用,這就是近期數據中心領域比較關注的高壓直流電源技術,簡稱HVDC或DC UPS。

    一、高壓直流電源技術原理

    如關于IT負載電源的分析,90%以上的數據設備電源普遍采用ATX和SSI拓撲架構,其典型的原理框圖如圖 1 所示。在交流UPS供電時,IT內部的電源總是將外部供給的交流電通過整流器變換成直流電,然后再經DC-DC變換成不同的等級給IT負載內部的數據部件供電。
    圖1 IT設備內部電源

    國內交流數據設備采用的供電電壓等級為220V AC。數據設備PSU一般是110VAC、220VAC和50Hz、60Hz自適應,各廠家數據設備內配置的PSU設計指標一般滿足下表的指標要求??梢?,在交流供電時,PSU最高輸入電壓為264V,最低輸入電壓為90V,其最高、最低電壓峰值分別為:
    最高電壓峰值:264V×1.414= 373.3V;
    最低電壓值:  90V×1.414 =127.3V。
     
    表1

    如果僅從允許的電壓輸入范圍來看,只要直流母排工作電壓不高于350V,低電壓不低于150V,數據設備一般可以正常工作。這就產生了是否可以將相應的直流電壓直接向數據設備供電的問題,實際應用表明采用240V制式的直流電源直接向數據設備負載供電,絕大部分的數據設備負載不用做任何改造,就能正常工作,這就是目前240V HVDC供電的基本原理。但是對于336V制式的直流電源,其原理是完全一樣的,只是數據設備內部的PSU需要定制化,來適應336V DC供電的需要,這也是目前直流336V 制式沒有240V制式應用廣泛的最主要制約因素。目前,240V制式高壓直流在應用時,用電設備基本不做任何改造,經過簡單測試驗證后即可投入應用。國內已有多個數據中心運行在 240V 高壓直流供電環境下。

    采用UPS供電與采用HVDC供電的基本拓撲架構如下圖所示。從圖中可以看到,UPS電源和HVDC電源都是先經過整流器把AC整流成DC,它們是一樣的原理;在第二級,UPS是經過逆變器把DC逆變成AC,而HVDC是經過DC-DC變換器來把DC轉換成另一電壓的DC(實際在DC-DC變換器內部,需要把直流先逆變成高頻交流,然后經高頻變壓器降壓后,再整流成DC),來實現對數據設備的供電。從電力電子的變換級看,HVDC電源本身比UPS實際是多了一個變換級,但是由于ZCZS等技術的采用,盡管多了一個變化級,變換效率還是可以達到很高的水平,與高頻UPS基本相當。


    圖 2 UPS設備的變換級與高壓直流設備的變換級比較

    高壓直流電源在數據中心的應用架構
    圖3 高壓直流電源在數據中心的應用架構圖
     
    從圖3可見,高壓直流在數據中心的供電架構與UPS基本相同,由交流輸入配電屏、高壓直流電源柜、直流總輸出屏、直流列頭柜、數據設備機柜內直流PDU、備用蓄電池組等環節組成。

    與UPS供電系統一樣,高壓直流電源根據數據中心的重要性等級,可選擇如下三種供電方式:

    1、高壓直流單電源系統雙路供電


    2、高壓直流雙電源系統雙路供電

     
    3、高壓直流電源與市電直供構成的雙路供電

     
    二、高壓直流技術的應用優勢

    1、模塊化設計
    高壓直流系統通常采用模塊化設計,目前最為常用的HVDC模塊容量為40A和50A,可根據需要靈活組成集中式供電系統或分布式供電系統。

    對于集中式系統,通常數據中心單系統容量最大選擇在1000A或1200A。

    對于分布式供電系統,可以組成小容量一體柜,也可以直接將高壓直流系統放置在列頭柜位置(當然,此時蓄電池也需要擺放在列頭柜底部或旁邊),無須設立配套的獨立電源室,可節省機房空間。相對于集中式供電,分布式供電故障影響面小,只影響一小區域。

    由于模塊化設計,高壓直流系統不僅各個子系統供電設備可以分期建設,而且每個子系統內部還可隨著 IT 設備上架量不斷增加HVDC模塊,逐步按需配置模塊個數。

    2、可靠性提高
    與UPS供電系統比較,高壓直流系統的可靠性在以下三個方面占有優勢:

    一是高壓直流模塊并機技術,由于沒有頻率和相位同步的問題,只需要負荷均分就可以了,因此并機技術相對簡單,穩定性與可靠性都得以相應提高;

    二是高壓直流系統通常采用多模塊系統構成,如對于由20個50A模塊構成的1000A系統,在負載較輕時可以自然組成N+M冗余系統,這里N是所帶負荷需要的模塊數(最大為20),M是系統冗余備份的模塊數(最大為20),這樣在電源模塊故障時,通過模塊冗余方式來提高系統運行的可靠性;

    三是高壓直流的備用蓄電池系統直接并接在高壓直流電源與數據設備負載之間,這樣當高壓直流系統即使出現完全“崩坍”時,備用蓄電池系統仍然可以不受限制地支持數據設備的供電。

    3、高效節能
    目前高壓直流模塊的效率大約在95%左右,與IGBT整流UPS(俗稱高頻整流UPS)基本一樣。但是相對于傳統相控整流UPS(俗稱相控整流UPS),尤其是相對于12脈沖相控整流UPS而言,具有明顯的效率優勢。

    而且高壓直流系統通常都具備模塊休眠功能,可以根據實時負載需求開啟合適的工作模塊個數,一方面提高工作模塊的負載率,另一方面讓多余的模塊處于休眠狀態,從而保證在全負載范圍和機房全生命周期都可實現高效率。當然,目前部分IGBT整流UPS也具備了這一模塊休眠功能。

    此外,目前一些通信運營商的高壓直流系統不再采用 2N 配置,而是采用單高壓直流電源系統的雙母線供電方案;或者采用一路高壓直流供電一路市電直供的供電方案。從而省去了第二套高壓直流電源系統的損耗,來實現進一步的節能效果。

    4、可維護
    高壓直流系統的最大優勢是可維護。由于其模塊化設計和模塊可插拔功能。

    使數據中心維護人員的維護能力得到了極大提高,在日常的維護或模塊故障時,不再依賴廠家的技術支持,可自行獨立完成模塊的更換與系統的維護。如果發現了故障模塊,需要做的只是熱插拔更換故障模塊,象更換塊服務器硬盤一樣簡單,一線的現場人員即可處理,非常便捷。

    其次,由于高壓直流系統內部的 N+M 配置方式,即便壞了一個高壓直流模塊,對系統的可靠性幾乎沒有影響。而且電池作為另外一個備份單元,也可給運維人員提供充足的割接改造等騰挪時間。

    三、高壓直流技術的應用問題

    在中國通信運營商和BAT的努力與推動下,雖然高壓直流電源在數據中心的應用取得了很大的成就,但是仍然不可避免的存在以下問題:

    1、數據設備的直流適應性問題。對于將原來交流220V供電的數據設備,直接采用高壓直流供電,根據公開報道的數據,有的說90%以上設備沒問題,也有的說97%以上的設備沒問題,但是不管是90%還是97%,有一點是肯定的,就是不是100%的數據設備都能采用高壓直流供電。這就帶來那些余下的不能用高壓直流供電的數據設備怎么辦的問題,目前常用的做法是加逆變器來解決,當然這部分的供電可靠性就會顯得薄弱。

    2、數據設備在高壓直流供電時發生故障的法律問題。盡管前面說90%的數據設備可以接受高壓直流供電,但是從法律意義上來說,直流供電畢竟不是這一數據設備規定的標準供電方式,相當于改變了這一設備的規定使用條件。這樣,從法律角度看,設備故障廠家可以自動免除保修責任。(在中國通信運營商和BAT的不懈努力下,據報道,目前部分以高壓直流作為標準供電方式的數據設備已經在一些數據中心得到了推廣與應用)。

    3、市電的備用問題。對于高壓直流電源系統而言,當高壓直流電源出現系統性故障時,由備用電池來支持數據設備的供電,但是通常標配的時間是15min。如果在備用電池放完的時間內,系統還不能恢復,即使外部市電和柴油發電機正常,也會面臨數據設備斷電的風險。因為高壓直流后邊都是直流配電,市電無法直接接入。

    4、電池短路故障問題。某些權威報道顯示,數據中心電源系統的故障90%是由蓄電池系統引起的,如果這一數據是真的,那就很危險了。高壓直流系統的蓄電池系統是直接接在數據設備的前面的,萬一電池短路故障,可能就會引起后端數據設備系統的瞬斷事故。
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