数据中心的高压直流之路.doc

资料 数据中心的高压直流之路 引言 传统的数据中心大都通过UPS来实现掉电保护，通常所有IT负载都要经过UPS来供电，假定实际运行UPS的平均效率为90%（虽然目前UPS最高效率是可以达到95%以上，但我们知道UPS的效率和负载率有关，如左下图所示，随着负载率的提升，效率才会变高，那么正常情况20%-40%负载率下很难会达到最高效率点。根据在运行UPS的实际测试数据，绝大多数情况下的效率不高于90%），那么每100度电，经过UPS这个环节就白白损耗掉10%。不仅如此，我们还需要考虑UPS散发出来的热量需要额外的空调带走，按数据中心典型PUE为1.8来算，那么UPS环节带来的总能耗达18%，很不节能。 （a）UPS效率和负载率的关系 （b）传统机房的能耗分布 我们还知道UPS设备的拓扑结构比较复杂，因此其单机可靠性一直不是很高。为了解决单点故障问题，通常会引入2N，甚至2*（N+1）的冗余配置，那么这种情况下，虽然一定程度上提升了整个系统的可靠性，但带来的问题其实不少。首先，投资成本双倍增加，而且占用了很多机房的宝贵空间，并增加了运维的复杂度。其次，同前面解释过的一样，UPS系统的负载率在2N情况下会比较低，此时UPS的效率也很低，额外增加了不少电费开销并浪费了很多宝贵的能源。最后，单机UPS的容量可能不够大，那么往往会采用并机模式，同样由于UPS自身结构的复杂性，且并机要求幅度、频率、相位等同，加上并机板自身也为单故障点，并机风险较大。 很多实际发生的案例表明在市电电网正常情况下，但因UPS自身故障引起机房掉电情况。UPS是大容量危险设备，其内部电容等元件寿命只有五年，因此电容击穿、漏液短路等危险也时有发生，轻则造成系统宕机，重则导致机房着火，而且出了事故，第一时间现场无法处理，严重依赖厂商响应速度。综上所述，传统的UPS供电方案，可靠性也不是很高。或者说为了达到较高可靠性，需要把系统做得很复杂，且投资很大。 这里再补充一点关于模块化UPS的看法，虽然模块化UPS部分解决了分期投资以及可调负载率从而效率更高等问题，但同样存在多模块设计并机复杂引起的可靠性问题仍没很好解决，而且由于电池挂接在逆变器之前，也无法实现轻载下的节能休眠等功能，因此不是很好的解决办法。 （c） UPS配电的复杂性 （d） UPS故障引发机房燃烧事故 高压直流技术初探 笔者作为国内较早从事高压直流产品开发，并进行后续应用研究的同行，在这里和大家一起探讨发掘，以便让此技术得到更好应用。本文主要分析比较240V高压直流解决方案的一些特点。 上图是高压直流的简单拓扑结构，很直观得展现了240V高压直流的一些特点：1、减少变化级数，整体效率更高；2、电池直挂在输出母线上，相当于提供另外一路备份，可靠性更高；3、兼容现有绝大多数IT设备的高频开关电源，用电设备几乎不用任何更改，推广非常容易；4、拓扑非常简单，可靠性提高；5、高压直流系统为模块化热插拔设计，运维非常方便。 关于240V高压直流兼容现有绝大多数IT设备的高频开关电源可行性分析，可参考拙作《交流电源的高压直流直供可行性分析》一文。鉴于此，该技术的推广门槛非常低，用电设备基本不用任何改造，经过简单测试验证后即可投入应用。国内已有多个数据中心跑在240V高压直流供电环境下，一直工作稳定可靠，因此也从理论和实际都证明了该方案可行。而且由于电池直挂母线，可作为很大的一个滤波池，滤除电网串过来的毛刺以及其它供电支路谐波的影响，给用电设备提供一个很好的供电电源。电信行业几万台设备，及多年的应用数据表明，采用240V高压直流给IT设备供电，电源的可靠性不仅没有降低，而且还提升一倍以上。 高压直流技术的一些优点 1、高压直流系统的模块化设计。如下图，高压直流系统采用模块化设计，可大容量并机集中式供电也可小容量一体柜分布式供电，供电方式非常灵活。采用分布式供电的高压直流系统可以直接放置在列头柜位置，无须配套的独立电力室，大大节省机房空间。而且分布式供电故障影响面小，只影响一小区域，不像UPS出故障则影响一大片区域的供电。高压直流系统不仅供电设备可以分期建设，而且设备内部还可随着IT设备上架量不断增加，逐步按需配置模块个数。而且直流并机没有频率和相位相同的需求，因此并机非常简单可靠，同样系统扩容也非常容易。 模块化设计的另外一个重大好处是运维得到了大大解放，而且不再依赖于UPS厂家的支持。如果发现了故障模块，需要做的