數(shù)據(jù)中心高壓直流UPS供電系統(tǒng)研究

董 浩

（上海金融期貨信息技術(shù)有限公司，上海 200122）

0 引 言

隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速發(fā)展，視聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等基于互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)模塊不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)份額穩(wěn)步增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心機(jī)房中通信設(shè)備類型越來(lái)越多，供電容量不斷增大。長(zhǎng)期以來(lái)，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(wèn)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(wèn)題變得越來(lái)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。

1 新舊UPS供電系統(tǒng)比較

常規(guī)UPS供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括AC/DC整流器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、濾波器、變壓器、DC/AC逆變器、電池組、濾波器以及其他電氣設(shè)備[1]。

高壓直流UPS供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括電池組、AC/DC整流器、配電柜和其他電氣設(shè)備。

通過(guò)比較上述兩種UPS供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可得，UPS供電系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，高壓直流UPS供電系統(tǒng)在成本和系統(tǒng)上具有更大的優(yōu)勢(shì)[2]。不僅結(jié)構(gòu)可靠，而且功耗低，同時(shí)適用性更好。

2 高壓直流UPS供電系統(tǒng)特點(diǎn)

圖1 常規(guī)UPS供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（1）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[3]。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(kāi)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。

圖2 高壓直流UPS供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（2）將相對(duì)穩(wěn)定的直流電源用作設(shè)備中的負(fù)載電流，可有效減少諧波輸入分量，將諧波含量從30%降低到0%，不僅不會(huì)污染電網(wǎng)系統(tǒng)，而且有效保護(hù)了整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常配備開(kāi)關(guān)電源，使用穩(wěn)定的直流電源，避免對(duì)通信設(shè)備造成諧波干擾。負(fù)載末端的零接地電壓幾乎不出現(xiàn)。

（3）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(jiǎn)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，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)[4]。

（4）常規(guī)的UPS供電系統(tǒng)中，存在單點(diǎn)故障可能會(huì)給將來(lái)的維護(hù)帶來(lái)困難。高壓直流的UPS供電系統(tǒng)不存在這樣的問(wèn)題，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(chǔ)系統(tǒng)，出現(xiàn)故障時(shí)可用相應(yīng)的模塊替換。傳統(tǒng)的UPS供電系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確確定發(fā)生故障的原因，通常需要廠家修復(fù)。因此，與傳統(tǒng)的UPS供電系統(tǒng)相比，高壓直流UPS供電系統(tǒng)在檢錯(cuò)方面更加高效。

3 高壓直流UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)由集中式交流UPS逐漸發(fā)展為分布式直流UPS，從電力室中集中放置的鉛酸電池逐漸發(fā)展為機(jī)柜中分散放置的鋰電池。UPS供電技術(shù)是數(shù)據(jù)中心不間斷供電的關(guān)鍵。供電體系結(jié)構(gòu)的類型取決于電池在供電系統(tǒng)中的位置。供電體系結(jié)構(gòu)主要分為集中型和分散型兩種，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)通常使用集中型供電系統(tǒng)。電池位于電力室中統(tǒng)一監(jiān)視和控制，系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致大范圍停電。集中型供電系統(tǒng)需要在機(jī)房?jī)?nèi)配備配電柜。分散型供電系統(tǒng)在負(fù)載中心安裝電源設(shè)備，降低了能耗，提高了應(yīng)用效率。鉛酸電池由于功率密度低，在高溫下具有爆炸性，因此不適合與IT設(shè)備一起使用。鋰電池具有高功率密度和高溫穩(wěn)定性，因此可以直接放置于機(jī)房機(jī)架甚至是服務(wù)器內(nèi)。

3.1 分布式鋰電源系統(tǒng)

分布式鋰電源系統(tǒng)是專門(mén)為數(shù)據(jù)中心機(jī)房開(kāi)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(shì)，如使用壽命為鉛酸電池的2～3倍，重量輕，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?dòng)器具有較大的啟動(dòng)電流，所以可以快速深度放電，污染相對(duì)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(chǔ)能設(shè)備。系統(tǒng)使用磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能電源，電源模塊安裝在服務(wù)器機(jī)柜頂部的3U機(jī)房?jī)?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(guò)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(huì)自動(dòng)切換到高壓直流模式，由儲(chǔ)能鋰電池供電，確保數(shù)據(jù)中心不間斷運(yùn)行?；诜稚⒐╇娂夹g(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(huì)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(huì)自動(dòng)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。此外，分布式鋰電源系統(tǒng)不需要放置在電力室中，也不需要額外配備空調(diào)，降低了初始建設(shè)成本和隨后的運(yùn)行與維護(hù)成本。

3.2 服務(wù)器主板直掛電池系統(tǒng)

谷歌建議在IT設(shè)備中嵌入12 V電池，并使用分布式電源和電池作為備用能量存儲(chǔ)，這樣每個(gè)服務(wù)器都有電源和電池供電。如果市電正常，則服務(wù)器直接供電，且電池充滿電；如果市電中斷，幾分鐘內(nèi)電池將放電，直到切換為柴油供電。12 V電池直接連接到IT設(shè)備，主要是為了減少傳輸損耗，但是電池和電源的數(shù)量大、成本高且效率低。

3.3 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(duì)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(jí)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(duì)供電系統(tǒng)的可靠性、能效、成本以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剑瑪?shù)據(jù)中心設(shè)備供電使用240 V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(chǔ)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(jiǎn)單，系統(tǒng)位于負(fù)載中間的深處，縮短了直流配電的距離。與直掛12 V電池方案相比，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(shì)。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(dòng)供給，因此需要轉(zhuǎn)換為電能為數(shù)據(jù)中心供電。在這個(gè)方面，240 V高壓直流供電系統(tǒng)具有相對(duì)較大的優(yōu)勢(shì)。

3.4 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(kāi)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(kāi)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3所示。

圖3 新型混合式直流斷路器

高壓直流配電系統(tǒng)的輸出功率大，不再適合使用常規(guī)機(jī)械直流斷路器。設(shè)備制造商提出使用直流熔斷器或雙極斷路器，但大大降低了供電系統(tǒng)的靈活性和安全性?；旌现绷鲾嗦菲麟娐返幕驹?，如圖3所示。首先，機(jī)械開(kāi)關(guān)接收中斷信號(hào)，斷開(kāi)活動(dòng)觸點(diǎn)的過(guò)程產(chǎn)生電弧電壓，在固態(tài)開(kāi)關(guān)上形成正陽(yáng)極電壓，向其提供觸發(fā)脈沖使其成功導(dǎo)通。其次，由于動(dòng)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(kāi)關(guān)的分支電路流向固態(tài)開(kāi)關(guān)的分支電路。電流傳輸完成時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)被中斷，且在觸點(diǎn)移除后立即斷開(kāi)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)點(diǎn)之間的固態(tài)開(kāi)關(guān)[5]。最后，整個(gè)電源中斷過(guò)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(jiǎn)單，不需要使用強(qiáng)制切換的振蕩裝置，同時(shí)對(duì)機(jī)械開(kāi)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通，傳輸后幾乎實(shí)現(xiàn)零斷流。直流斷路器的拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

機(jī)械開(kāi)關(guān)傳導(dǎo)正常可以減少斷路器的損耗，可使用高速開(kāi)關(guān)。固態(tài)開(kāi)關(guān)由單個(gè)IGBT組成，中斷快速且易受控制。壓力和能量釋放電路由RC吸收電路和ZnO避雷器并聯(lián)組成。鑒于現(xiàn)有電力電子設(shè)備的低過(guò)載能力，且限流器已添加到斷路器拓?fù)渲校訧GBT斷開(kāi)后直流電路中的電感電流減小，斷路器的兩端產(chǎn)生很大的過(guò)電壓。此時(shí)，RC吸收電路吸收系統(tǒng)能量，降低斷路器的電壓，提高壓擺率，并保護(hù)IGBT免受過(guò)壓損壞。

4 結(jié) 論

綜上所述，隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的發(fā)展，為滿足降低運(yùn)營(yíng)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(wèn)題。用高壓直流供電系統(tǒng)為IT設(shè)備供電，整個(gè)生命周期平均節(jié)省的能量為20%～30%，因此將逐漸成為未來(lái)數(shù)據(jù)中心主要的供電方式。