數(shù)據(jù)中心高壓直流UPS供電系統(tǒng)的分析

摘要：以前的很多數(shù)據(jù)中心機(jī)房都是采用UPS供電系統(tǒng)來進(jìn)行供電的，但是隨著網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)量大大增加，越來越多的數(shù)據(jù)信息使得傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足使用要求。長期以來，數(shù)據(jù)機(jī)房使用UPS供電系統(tǒng)供電，但傳統(tǒng)的UPS供電系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性差、成本高、效率低、維護(hù)困難以及不易拓展等問題。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，IT行業(yè)將增加大量新服務(wù)器，UPS設(shè)備應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致使用UPS供電系統(tǒng)存在的問題變得越來越明顯。在通信行業(yè)節(jié)能降耗的背景下，高可靠性和低運(yùn)行成本的高壓直流供電系統(tǒng)將取代傳統(tǒng)UPS電源為數(shù)據(jù)中心供電。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;高壓直流;UPS;供電系統(tǒng)

1高壓直流UPS供電系統(tǒng)特點(diǎn)分析

首先，常規(guī)UPS供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中存在DC/AC逆變器，因此功耗大大增加，占總功耗的5%左右。高壓直流UPS供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不需要DC/AC逆變器、靜態(tài)開關(guān)以及濾波器等設(shè)備，不僅能有效提高電源效率和供電設(shè)備運(yùn)行效率，而且有效降低了設(shè)備成本。其次，在數(shù)據(jù)中心使用的過程中，由于輸入的是直流電，所以不會產(chǎn)生諧波以及功率因數(shù)的問題，這樣就不會讓諧波電流污染電網(wǎng)以及系統(tǒng)，從而維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)以及電網(wǎng)的環(huán)境。在設(shè)備中，由于使用相對來說比較穩(wěn)定的直流電作為負(fù)載電流，所以會有效降低輸入諧波的成分。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般都會配備開關(guān)電源，所以使用穩(wěn)定的直流電可以將30%的諧波成分降低至零，這樣就不會產(chǎn)生諧波干擾設(shè)備的情況。同時(shí)，由于沒有諧波的干擾和影響，負(fù)載端也就很少甚至不會出現(xiàn)零地電壓的問題。再次，高壓直流UPS供電系統(tǒng)提高了運(yùn)行效率，主要是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通信技術(shù)更加先進(jìn)，且可以并聯(lián)多個(gè)模塊，最大程度地利用了每個(gè)設(shè)備，避免了資源浪費(fèi)。常規(guī)的UPS供電系統(tǒng)通常使用2N或N+1冷卻系統(tǒng)，因此常規(guī)UPS供電系統(tǒng)中任何UPS設(shè)備都可能具有高壓，而且每個(gè)UPS設(shè)備都需要增加容量以滿足負(fù)荷增加的容量，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。最后，常規(guī)的UPS供電系統(tǒng)中，存在單點(diǎn)故障可能會給將來的維護(hù)帶來困難。高壓直流的UPS供電系統(tǒng)不存在這樣的問題，而且總體控制非常有效，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。另外，大型直流供電系統(tǒng)采用數(shù)字化模塊存儲系統(tǒng)，出現(xiàn)故障時(shí)可用相應(yīng)的模塊替換。

2高壓直流UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1分布式鋰電源系統(tǒng)

分布式鋰電源系統(tǒng)是專門為數(shù)據(jù)中心機(jī)房開發(fā)的分散型電源系統(tǒng)，利用磷酸鐵鋰電池新技術(shù)改變了傳統(tǒng)集中式的供電系統(tǒng)架構(gòu)，并在每個(gè)機(jī)架中安裝電源系統(tǒng)。分布式鋰電池系統(tǒng)體積小、重量輕，安全可靠，并節(jié)能環(huán)保。磷酸鐵鋰電池相比閥控密封鉛酸電池具有諸多優(yōu)勢，如使用壽命為鉛酸電池的2-3倍，重量輕，而且體積小。磷酸鐵鋰電池可直接插入標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架中，因?yàn)閱悠骶哂休^大的啟動電流，所以可以快速深度放電，污染相對較小。隨著磷酸鐵鋰電池價(jià)格的下跌，它已逐漸成為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的通用儲能設(shè)備。系統(tǒng)使用磷酸鐵鋰電池作為儲能電源，電源模塊安裝在服務(wù)器機(jī)柜頂部的3U機(jī)房內(nèi)，支持兩路網(wǎng)絡(luò)輸入和兩路網(wǎng)絡(luò)輸出的工作模式。系統(tǒng)供電處理過程中，如果電網(wǎng)輸入正常，則直接從電網(wǎng)供電;如果電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障或市電中斷，則分布式鋰電源系統(tǒng)會自動切換到高壓直流模式，由儲能鋰電池供電，確保數(shù)據(jù)中心不間斷運(yùn)行。基于分散供電技術(shù)的分布式鋰電源系統(tǒng)可以提高數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的可靠性，少數(shù)設(shè)備的故障不會破壞整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)在輸入功率損失后會自動切換到高壓直流模式，不再需要逆變器，進(jìn)一步提高了能效。

2.2分布式電源架構(gòu)

越接近末端服務(wù)器主板的電源系統(tǒng)，電池分布越分散，相應(yīng)的IT系統(tǒng)分布也更加分散。越靠近末端，對IT設(shè)備性能和電池的控制要求越高。電池從網(wǎng)絡(luò)到服務(wù)器主板末端的距離越近，功率路徑中的能量轉(zhuǎn)換級數(shù)越少，轉(zhuǎn)換效率越高，但低壓側(cè)傳輸損耗增加。電源架構(gòu)的選擇對供電系統(tǒng)的可靠性、能效、成本及靈活性具有重大影響。將供電電源架構(gòu)從集中式轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑹?，?shù)據(jù)中心設(shè)備供電使用240V高壓直流供電系統(tǒng)+磷酸鐵鋰電池。該體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)想是去掉電力室，供電系統(tǒng)分散到機(jī)架間，而高壓直流電源和儲能鋰電池取代常規(guī)的列頭柜。系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的實(shí)際布置進(jìn)行堆疊。磷酸鐵鋰電池配合高壓直流電源供電，供電結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)位于負(fù)載中間的深處，縮短了直流配電的距離。相比與直掛12V電池方案，該體系結(jié)構(gòu)不需要安裝大容量電池供電設(shè)備，在維護(hù)和經(jīng)濟(jì)方面具有更多優(yōu)勢。該方案是集中式和分布式結(jié)合的產(chǎn)物，在集中式供電架構(gòu)和分散式供電架構(gòu)間找到了平衡點(diǎn)。大多數(shù)分布式清潔能源通常都是被動供給，因此需要轉(zhuǎn)換為電能為數(shù)據(jù)中心供電。

2.3高壓直流UPS供電系統(tǒng)斷路器設(shè)計(jì)

基于電弧電壓技術(shù)原理開發(fā)一種新型機(jī)械+固態(tài)的混合式直流斷路器作為輸出開關(guān)，用于數(shù)據(jù)中心中高壓直流供電系統(tǒng)的整體配電，結(jié)構(gòu)如圖1。

首先，機(jī)械開關(guān)接收中斷信號，斷開活動觸點(diǎn)的過程產(chǎn)生電弧電壓，在固態(tài)開關(guān)上形成正陽極電壓，向其提供觸發(fā)脈沖使其成功導(dǎo)通。其次，由于動態(tài)觸點(diǎn)和靜態(tài)觸點(diǎn)間直流電弧的等效電阻大于電力電子設(shè)備的電阻，因此電流從機(jī)械開關(guān)的分支電路流向固態(tài)開關(guān)的分支電路。電流傳輸完成時(shí)機(jī)械開關(guān)被中斷，且在觸點(diǎn)移除后立即斷開半導(dǎo)體開關(guān)點(diǎn)之間的固態(tài)開關(guān)。最后，整個(gè)電源中斷過程伴隨著能量的吸收和釋放。這種自然的切換方法結(jié)構(gòu)簡單，不需要使用強(qiáng)制切換的振蕩裝置，同時(shí)對機(jī)械開關(guān)電弧放電的能力要求不高，只需建立正向電壓使固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通，傳輸后幾乎實(shí)現(xiàn)零斷流。

3結(jié)語

綜上，隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的發(fā)展，為滿足降低運(yùn)營成本、節(jié)約能源以及減少排放的需求，數(shù)據(jù)中心機(jī)房可運(yùn)用高壓直流供電系統(tǒng)，有效解決常規(guī)UPS系統(tǒng)可靠性低、效率低以及維護(hù)困難的問題。可以預(yù)見，未來高壓直流UPS供電系統(tǒng)的應(yīng)用會快速普及開來，數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電模式必然以高壓直流UPS供電系統(tǒng)作為主流。

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[3]陳碧寒，楊勝廣.高壓直流供電在數(shù)據(jù)中心的作用及影響[J].中國新通信.2019，（21）.

作者介紹：

劉春暖（1992.4.2—）;性別：男;籍貫：山東乳山;民族：漢;學(xué)歷：本科;職稱：助理級工程師;研究方向：直流輸電、變電運(yùn)維、電力系統(tǒng)相關(guān);單位名稱：國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司。