近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,基于互聯(lián)網(wǎng)提供的各種服務(wù)也變得越來越多。作為這些互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)載體的數(shù)據(jù)中心,其建設(shè)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(shù)據(jù)中心的建設(shè)。

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

1 數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)的要求

數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)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(tǒng)的可用度A≥99.999%。因此,必須合理進(jìn)行配置,達(dá)到系統(tǒng)供電安全最優(yōu)化。

(2)節(jié)能環(huán)保

在能源緊缺、重視環(huán)保的今天,綠色、節(jié)能的電源系統(tǒng)備受關(guān)注。UPS在綠色、節(jié)能方面的表現(xiàn)主要體現(xiàn)在輸入功率因數(shù)、輸入電流諧波以及整機(jī)效率等方面。一般要求輸入功率因數(shù)大于0.95、輸入電流諧波小于5%、效率大于92%。

(3)可維護(hù)性

UPS供電系統(tǒng)應(yīng)維護(hù)方便,便于管理。這樣不但可以節(jié)省系統(tǒng)的維護(hù)成本,更為重要的是可以盡量避免因人為維護(hù)或者管理不當(dāng)而引發(fā)的系統(tǒng)故障。

(4)建設(shè)成本

要求系統(tǒng)配置可擴(kuò)容,這樣既能有效節(jié)省系統(tǒng)建設(shè)初期的投資費用,又能使UPS在整個數(shù)據(jù)中心的建設(shè)過程中始終保持在安全而又高效的工作狀態(tài)下,提高了系統(tǒng)性價比。

因此,建設(shè)合理的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng),不是一味追求某一項指標(biāo)的最優(yōu)化,而是應(yīng)該根據(jù)實際的需要,在保證安全可靠性、節(jié)能環(huán)保、維護(hù)管理方便、降低建設(shè)成本這4個要點中找出一個平衡點,建設(shè)出既節(jié)能環(huán)保,又安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)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(jī)供電系統(tǒng)、多臺UPS組成并聯(lián)供電或雙總線供電系統(tǒng),再通過配電集中給負(fù)載供電,這種供電方案一般情況下UPS系統(tǒng)與機(jī)房用電設(shè)備是分開的。該供電方案一般UPS的單機(jī)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(jī)房各列服務(wù)器加入單獨的電源供電,形成整體機(jī)房的分布式供電解決方案,電源產(chǎn)品一般以高頻機(jī)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(yōu)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(shù)據(jù)機(jī)房分批建設(shè)投資問題。特別是單機(jī)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(jīng)濟(jì)效益明顯:充分利用現(xiàn)有機(jī)柜內(nèi)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(xiàn)在寸土寸金的中心機(jī)房節(jié)約空間成本。

③系統(tǒng)比較分散,單設(shè)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(hù)界面不清晰,存在交****地方。

②系統(tǒng)造價較高:單體電源總和及配電線會多一些,有可能會導(dǎo)致總體成本高。

③工程施工難度較大,供電布線復(fù)雜,不便于集中管理。

3 電源產(chǎn)品解決方案

(1)傳統(tǒng)UPS供電解決方案

①工頻機(jī)UPS供電解決方案

采用傳統(tǒng)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(tǒng)的可靠性。一般運用UPS的單機(jī)功率容量在200～400kVA較多。

工頻機(jī)UPS供電解決方案的優(yōu)點:因工頻機(jī)功率器件承受的電壓應(yīng)力較小,器件的可靠性高,且控制相對簡單,因此,系統(tǒng)的可靠性相對較高。

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

②高頻機(jī)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(tǒng)的可靠性。

高頻機(jī)UPS供電解決方案的優(yōu)點:輸入功率因數(shù)高,可達(dá)到0.99;電流諧波小,小于5%;系統(tǒng)效率高,可達(dá)到94%～95%;整機(jī)體積小、重量輕,有效減少現(xiàn)場工程施工的難度及建設(shè)成本;與工頻機(jī)UPS比較,整機(jī)體積可減少20%～30%。

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

(2)模塊化UPS供電系統(tǒng)解決方案

該方案采用模塊化UPS組成“1+1”雙總線供電系統(tǒng),解決單點故障瓶頸,一般單機(jī)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(tǒng)解決方案的優(yōu)點:

①擴(kuò)展性:模塊化UPS具有N+X的架構(gòu)特性,可根據(jù)負(fù)載增加或成本預(yù)算實現(xiàn)隨需擴(kuò)容,前提是系統(tǒng)總?cè)萘啃桀A(yù)先明確。

②運維簡便高效:更換維修時無需停機(jī)等待修復(fù),無需專業(yè)技術(shù)人員在場,用戶可以在線狀態(tài)下對故障模塊進(jìn)行更換。

③物理空間投資:模塊化UPS在物理尺寸整機(jī)重量比傳統(tǒng)機(jī)型有絕對優(yōu)勢,為用戶節(jié)省大量的機(jī)房投資和承重加固投資。

④高效、節(jié)能:輸入指標(biāo)好、效率高,減少用戶的運行成本。輸入功率因數(shù)可達(dá)0.99;輸入電流諧波小于5%;系統(tǒng)效率94%～95%。

模塊化UPS供電系統(tǒng)解決方案的缺點:

①模塊的故障率高:因系統(tǒng)并聯(lián)的模塊數(shù)多,模塊間相互協(xié)調(diào)及通信量大,導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高;從可靠性模型統(tǒng)計,系統(tǒng)的MTBF降低。

②模塊間的環(huán)流控制較難:因系統(tǒng)模塊數(shù)多,且不同模塊間的內(nèi)阻差別,使得各模塊間的環(huán)流控制困難,容易引起因控制不力導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

(3)高壓直流供電系統(tǒng)解決方案

高壓直流(HVDC)供電系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

HVDC供電系統(tǒng)解決方案的優(yōu)點:

①可靠性好:HVDC供電系統(tǒng)采用的是并聯(lián)型供電模式,后備電源蓄電池直接掛在負(fù)載設(shè)備前端,沒有任何中間電路,徹底消除供電系統(tǒng)中不可預(yù)見、突發(fā)性的故障對負(fù)載的威脅。

②節(jié)約能耗:因其采用模塊化結(jié)構(gòu),可根據(jù)負(fù)載的大小,由監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場值守人員靈活控制模塊的開機(jī)運行數(shù)量,還可啟動模塊休眠管理功能,提高模塊的負(fù)載率,也可大大提高系統(tǒng)的效率;現(xiàn)有的HVDC供電系統(tǒng)效率可達(dá)95%。但其直流傳輸?shù)膿p耗會增大。

③輸入指標(biāo)高:HVDC整流器模塊大都采用有源功率因數(shù)校正,輸入功率因數(shù)可以達(dá)到0.99,輸入電流諧波小于5%,有效消除電源對電網(wǎng)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(fù)載供電問題。

⑤割接改造方便:對于采用UPS供電的設(shè)備來說,除非其采用雙電源供電,或?qū)ｉT配置有STS設(shè)備,否則通常只能采用停電方式割接。對于現(xiàn)代機(jī)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(xiàn)不停電的割接。

HVDC供電系統(tǒng)解決方案的缺點:

①適用度:數(shù)據(jù)中心機(jī)房多年來為交流配電模式,現(xiàn)在輸出端改為直流模式,涉及到配電系統(tǒng)、用戶的使用及維護(hù)能力、責(zé)任界面、負(fù)載設(shè)備長期直流運行的可靠性等問題。包括早期數(shù)據(jù)中心機(jī)房的改造問題。

②系統(tǒng)長期的穩(wěn)定可靠性:目前高壓直流僅在國內(nèi)大力推廣和采用,為新生產(chǎn)品、新的電源系統(tǒng)模式,其長期運行的穩(wěn)定可靠性還需進(jìn)一步地實際驗證。

(4)交、直流兩種供電系統(tǒng)優(yōu)劣對比

交、直流兩種供電系統(tǒng)優(yōu)劣對比見表1。

4 結(jié)束語

隨著時代的進(jìn)步,對數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的要求不斷發(fā)生變化。但總的趨勢是安全可靠、擴(kuò)容方便、配置靈活。因此,環(huán)保高效的高頻機(jī)UPS及高功率密度的模塊化UPS、HVDC將逐步在數(shù)據(jù)中心機(jī)房推廣;同時傳統(tǒng)的相控型整流的UPS因可靠性高的特點,在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的使用會再持續(xù)一定時間。

作者簡介

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

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

編輯：Harris

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