高壓直流UPS在數(shù)據(jù)中心機房建設的應用研究

不間斷電源是保障數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的重要設備。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心不間斷電源一般采用交流UPS，由于其在可靠性、安全性、經(jīng)濟性及設備維護等方面顯現(xiàn)出越來越多的問題，因而高壓直流UPS作為新型的不間斷電源設備逐漸被應用于大型數(shù)據(jù)中心。目前針對數(shù)據(jù)中心高壓直流UPS的研究較少，尤其是在與交流UPS在可靠性、維護性、兼容性以及不同供電架構占地和經(jīng)濟性的比較分析方面。本文通過對高壓直流UPS在數(shù)據(jù)中心的應用進行分析與研究，期望為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)規(guī)劃設計提供理論基礎和參考數(shù)據(jù)。一、高壓直流技術高壓直流UPS(以下簡稱“高壓直流”)技術是由整流模塊將交流電變換成直流電后為IT負載供電，同時對蓄電池組進行充電，在市電停電后，由蓄電池組直接為IT負載供電。高壓直流系統(tǒng)一般由交流柜、整流柜和直流柜組成，如圖1所示。圖1高壓直流系統(tǒng)框架高壓直流將轉(zhuǎn)換成的直流電直接對服務器供電，而交流UPS設備則是將整流的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后為服務器供電。與交流UPS相比，高壓直流無需逆變器，串聯(lián)部件少，故障點減少，效率提高，并且備用蓄電池直接掛在負載上，可靠性提高。從整個供電架構來看，高壓直流供電架構由交流輸入配電柜、高壓直流電源柜、直流總輸出柜、直流列頭柜、服務器機柜內(nèi)直流PDU和備用蓄電池組等環(huán)節(jié)組成，與交流UPS基本相同。二、技術分析1.可靠性交流UPS采用整流和逆變的雙變換模式，交流電需要分別經(jīng)過整流和逆變過程后才能為負載供電。而高壓直流系統(tǒng)只需經(jīng)過整流后直接給負載供電。從設備內(nèi)部元器件來看，高壓直流設備串聯(lián)器件比交流UPS少，故障點減少，可靠性提高。高壓直流系統(tǒng)采用模塊化設計，可靈活組成集中式供電系統(tǒng)或分布式供電系統(tǒng)，并且具有智能模塊休眠技術，根據(jù)負載啟用模塊數(shù)量，形成N+M冗余系統(tǒng)，通過模塊冗余方式提高供電系統(tǒng)的可靠性。高壓直流的控制模塊采用雙控制模塊冗余設置，保證高壓直流系統(tǒng)的可靠性。高壓直流在并機方面沒有頻率、相位和幅值同步的問題，只需要負荷均分，因而并機技術相對簡單，穩(wěn)定性和可靠性相應提高。而交流UPS采用交流電供電，在并機時需要頻率、相位和幅值的同步，控制系統(tǒng)復雜。為了保證系統(tǒng)的可靠性，交流UPS并機數(shù)量受到限制。高壓直流的備用蓄電池系統(tǒng)直接并接在高壓直流電源與服務器之間，無需逆變器。當高壓直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，備用蓄電池系統(tǒng)不受高壓直流電源的影響，仍然可以為服務器進行供電，保障系統(tǒng)的可靠性。在架構上，備用蓄電池系統(tǒng)與高壓直流系統(tǒng)形成冗余系統(tǒng)，高可用的備用電池從根本上隔離了市電和供電系統(tǒng)的故障。對于交流UPS系統(tǒng)，備用蓄電池系統(tǒng)受交流UPS的限制，若交流UPS出現(xiàn)故障，備用蓄電池無法為服務器供電。高壓直流系統(tǒng)相比交流UPS系統(tǒng)的備用蓄電池系統(tǒng)更為可靠。從供電設備方面，高壓直流在內(nèi)部元器件、設計、并機和備用電池可靠性等方面具有一定的優(yōu)勢，可靠性比交流UPS高。2.可用性根據(jù)文獻數(shù)據(jù)，交流UPS的可用性為0.9999，平均無故障時間MTBF為122991小時，平均故障修復時間MTTR為7小時。市電的可用性為0.999，平均故障修復時間MTTR為8.2小時。高壓直流設備把備用電池直接接在IT設備的前端，即將備用電池與交流UPS供電系統(tǒng)形成冗余系統(tǒng)，高可用的備用電池從根本上隔離了市電和供電系統(tǒng)的故障，整個系統(tǒng)的可用性可提高2個9到3個9，因此，高壓直流設備可用性約為0.999999。目前，數(shù)據(jù)中心A級機房常用供電架構有2N交流UPS、2N高壓直流、市電直供+交流UPS以及市電直供+高壓直流等方式。結(jié)合各組件的可用性數(shù)據(jù)，可以計算出數(shù)據(jù)中心各供電架構的可用性(見表1)。表1數(shù)據(jù)中心各供電架構可用性從表1可以看出，高壓直流高于交流UPS的可用性，特別是2N高壓直流系統(tǒng)的可用性遠高于2N交流UPS系統(tǒng)。3.維護性高壓直流系統(tǒng)采用模塊化設計，整流模塊、控制模塊和監(jiān)控模塊等都具有在線熱插拔功能，可在線維護。運維人員可以及時快速更換故障模塊，操作簡單，不影響其他模塊和系統(tǒng)的工作，大幅縮短平均修復時間，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。交流UPS具有維修旁路，保證系統(tǒng)的可靠性，同時，交流UPS也有相應的模塊化交流UPS，實現(xiàn)功率模塊的在線熱插拔，但是由于并機同步問題，模塊化交流UPS并機數(shù)量受到限制。高壓直流系統(tǒng)采用對地懸浮，只有當一極絕緣降低或者接地，觸碰另一極或者電源端子，或者同時觸碰到兩極，才會造成電擊事故，而交流電若觸碰到任意一極都會導致電擊事故。并且，直流電的感知電流和擺脫電流都高于交流電，因此，直流電更為安全。同時，高壓直流設備內(nèi)置絕緣檢測功能，通過對母線絕緣檢測和支路絕緣檢測，排除系統(tǒng)中單點或多點接地故障，提高系統(tǒng)運行的安全性。值得注意的是，高壓直流設備的絕緣檢測功能不能熱插拔，需停機維護。4.安裝占地交流UPS系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)供電架構，如圖2的(a)和(b)所示。從供電系統(tǒng)來看，高壓直流設備自身包括交流柜、整流柜和直流柜，而交流UPS需要單獨設置UPS輸入柜、UPS輸出柜、并機柜和支路配電柜。單獨從設備角度考慮交流UPS和高壓直流占地空間還不夠全面，從整個供電系統(tǒng)比較高壓直流和交流UPS的占地空間則更為準確。圖2交流UPS系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)供電架構如圖3所示，以IT設備容量3300kVA為例，針對數(shù)據(jù)中心A級機房常見供電架構占地面積的比較可以得出，與2N塔式高頻UPS和2N微模塊化UPS相比，市電直供+高壓直流系統(tǒng)占地面積節(jié)省61%，市電直供+微模塊化UPS系統(tǒng)占地面積節(jié)省41%，2N高壓直流系統(tǒng)占地面積節(jié)省40%，由此來看，高壓直流系統(tǒng)可以大幅減少數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的占地面積，提高機房資源利用率。圖3不同供電架構占地面積比較5.兼容性傳統(tǒng)的服務器設備通常采用交流電，通過服務器內(nèi)部的整流器和DC/DC變換成不同等級的直流電壓為服務器組件進行供電。國內(nèi)傳統(tǒng)服務器采用的供電電壓等級為220VAC，服務器內(nèi)部的PSU輸入電壓一般為90V~264V。高壓直流提供的240V符合交流服務器供電電壓的要求，因此，絕大部分的交流服務器可以不用做任何改造就能正常工作。部分少量網(wǎng)絡設備不兼容240V高壓直流輸入，目前常用的做法是加逆變器來解決。對于部分服務器(如磁盤機、高端服務器等)采用380V三相供電，不能采用高壓直流供電。三、能效分析塔式高頻UPS在50%以上負載率的情況下效率可以達到96%。但是，由于系統(tǒng)冗余及超前規(guī)劃，常見工況下塔式高頻UPS負載率在10%~40%左右，塔式高頻UPS在此工況下效率僅為94%左右。模塊化UPS由于具有模塊智能休眠功能，供電效率可以達到96%以上。而高壓直流則省掉了逆變器，并且采用模塊化設計，具有模塊智能休眠功能，供電效率在全負載范圍內(nèi)可達到97%以上。四、經(jīng)濟性分析1.投資成本分析如圖4所示，以IT設備容量3300kVA為例，針對2N塔式高頻UPS、2N微模塊化UPS、市電直供+高壓直流、市電直供+微模塊化UPS和2N高壓直流等數(shù)據(jù)中心A級機房常用的供電架構的投資成本比較分析，可以看出，與2N塔式高頻UPS和2N微模塊化UPS相比，市電直供+高壓直流的投資成本節(jié)省52%，市電直供+微模塊化UPS的投資成本節(jié)省33%，2N高壓直流的投資成本節(jié)省37%?？梢姡邏褐绷飨到y(tǒng)可以大幅節(jié)省數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的投資成本。圖4不同供電架構投資成本比較2.運行成本分析如圖5和圖6所示，以IT設備容量3300kVA為例，對2N塔式高頻UPS、2N微模塊化UPS、市電直供+高壓直流、市電直供+微模塊化UPS和2N高壓直流等數(shù)據(jù)中心A級機房常用的供電架構運行成本比較分析，可以看出，與2N塔式高頻UPS相比，2N微模塊化UPS年運行成本節(jié)省33%、十年TCO成本節(jié)省14%，市電直供+高壓直流系統(tǒng)年運行成本節(jié)省71%、十年TCO成本節(jié)省60%，市電直供+微模塊化UPS系統(tǒng)年運行成本節(jié)省67%、十年TCO成本節(jié)省48%，2N高壓直流系統(tǒng)年運行成本節(jié)省42%、十年TCO成本節(jié)省39%。可見，高壓直流系統(tǒng)可以大幅節(jié)省數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的運行成本和十年TCO成本，同時降低數(shù)據(jù)中心的PUE。圖5不同供電架構年運行