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技術手冊數據中心的高壓直流之路1

2019年05月03日 栏目:法律

傳統的數據中心大都通過UPS來實現掉電保護,通常所有IT負載都要經過UPS來供電,假定實際運行UPS的平均效率為90%(雖然目前UPS效

傳統的數據中心大都通過UPS來實現掉電保護,通常所有IT負載都要經過UPS來供電,假定實際運行UPS的平均效率為90%(雖然目前UPS效率是可以到達95%以上,但我們知道UPS的效率和負載率有關,如左下圖所示,隨著負載率的提升,效率才會變高,那么正常情況20%-40%負載率下很難會達到效率點。根據在運行UPS的實際測試數據,絕大多數情況下的效率不高于90%),那么每100度電,經過UPS這個環節就白白損耗掉10%。不僅如此,我們還需要考慮UPS散發出來的熱量需要額外的空調帶走,按數據中心典型PUE為1.8來算,那么UPS環節帶來的總能耗達18%,很不節能。

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,乃至2*(N+1)的冗余配置,那末这种情况下,虽然一定程度上提升了整个系统的可靠性,但带来的问题其实很多。首先,投资本钱双倍增加,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的效力也很低,额外增加了不少电费开销并浪费了很多宝贵的能源。,单机UPS的容量可能不够大,那末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、相位同等,加上并机板本身也为单故障点,并机风险较大。

很多实际发生的案例表明在市电电正常情况下,但因UPS本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,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发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。

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,整体效力更高;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,用电设备几近不用任何更改,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,该技术的推广门坎非常低,用电装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1倍以上。

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