中國儲能網(wǎng)訊：由于海量數(shù)據(jù)和巨大算力的需求驅(qū)動,近年來數(shù)據(jù)中心在數(shù)量、規(guī)模上迅速擴(kuò)大,機(jī)柜功率密度與實(shí)際承載率也急劇提升,巨大的電耗使與碳排放、PUE、TCO密切相關(guān)的供電制式變革成為國家、行業(yè)和數(shù)據(jù)中心三級體系關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將基于中國電網(wǎng)供電品質(zhì)現(xiàn)狀和IT設(shè)備電源技術(shù)的發(fā)展,討論與分析當(dāng)前中國數(shù)據(jù)中心行業(yè)幾種主要供電制式的應(yīng)用局限性，提出基于“零級變換”概念的數(shù)據(jù)中心交流直供供電新制式。
一 數(shù)據(jù)中心供電制式發(fā)展的前提與必要條件
1、中國電網(wǎng)的發(fā)展與供電穩(wěn)定性
根據(jù)國家能源局2019年的數(shù)據(jù):中國的年發(fā)電量為71118億千瓦時,占全球的1/4,比美國多50%以上,大約是歐盟的2倍,相當(dāng)于美國、日本、俄羅斯三國的總和;其次,中國電網(wǎng)規(guī)模全球第一,擁有35kV及以上輸電線路回路長度189萬千米,相當(dāng)于繞赤道47圈,并在全球唯一擁有11/22/33/50/75/100/110萬伏各種供電電壓等級的國家;第三,中國電網(wǎng)的供電能源的多樣化與規(guī)模全球第一,目前水電、核電、太陽能、風(fēng)能等綠色清潔能源已經(jīng)占到了30%;中國城市客戶380V等級的供電可靠率達(dá)99.955%(數(shù)據(jù)來源:國家電網(wǎng)報(bào))。
對大型A/B級數(shù)據(jù)中心來說,如果采用來自兩路不同源110kV變電站的10kV2N供配電架構(gòu),即使基于單路380V電網(wǎng)99.955%的供電可靠率,可近似算得2s冗余架構(gòu)的電網(wǎng)供電可靠率為99.998%,一年最大也僅有約631s的累加停電時間。外部電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性是數(shù)據(jù)中心可靠供電的前提,也是驅(qū)動數(shù)據(jù)中心供電制式變革的保證。
2IT負(fù)載電源的發(fā)展與供電適應(yīng)性
傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為IT類設(shè)備對供電質(zhì)量非常敏感，但事實(shí)上包括普遍使用的X86服務(wù)器在內(nèi)的現(xiàn)代IT設(shè)備對供電質(zhì)量并不敏感，參數(shù)指標(biāo)比想象中要寬泛得多。
典型的IT設(shè)備內(nèi)嵌電源PSU工作原理如圖1所示(最新的IT設(shè)備電源已經(jīng)采用了LLC電路和輸出同步整流技術(shù),使效率更高)。當(dāng)220V/50Hz的外部交流電源進(jìn)入IT設(shè)備后,首先進(jìn)入IT設(shè)備的PSU電源模塊,經(jīng)EMI、AC/DC整流、PFC、帶高頻隔離變壓器的DC-DC變換器、輸出濾波等環(huán)節(jié)變成DC12V后(部分IT還有5V和3V),才向IT設(shè)備的芯片、電路板及風(fēng)扇等供電。這一過程通常有高達(dá)±20%以上的輸入電壓/頻率運(yùn)行范圍(目前很多此類電源還兼容直流輸入)、近0.95的輸入PFC和小于3%的THDi(參數(shù)來源IntelServerSystemH2000WPfamily),并會過濾掉輸入電壓中存在的諸如電壓失真、噪聲干擾、沖擊電壓等供電質(zhì)量問題。同時IT設(shè)備電源還有一定的輸入斷電耐受時間,如ATX標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)輸入斷電時,12V輸出Hold-up時間最小為17ms,而SSI標(biāo)準(zhǔn)則要求超過20ms,而IntelServer標(biāo)準(zhǔn)要求這一時間為13ms。IT設(shè)備對輸入電壓、頻率、電流的寬泛要求,為數(shù)據(jù)中心供電制式的變革提供了第二個必要的前提。
二 當(dāng)前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心供電制式的現(xiàn)狀與問題
1UPS雙級變換供電制式
早期的IT負(fù)載對供電品質(zhì)要求較高,是UPS雙變換供電制式成為目前數(shù)據(jù)中心使用時間最長、應(yīng)用最廣、認(rèn)知最深的供電制式的價(jià)值所在。其供電系統(tǒng)圖及工作路徑如圖2所示。
正常路徑:在市電供電正常時,UPS經(jīng)過AC/DC和DC/AC的“兩級變換”給數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)載供電,提供凈化供電功能,也因此得名“雙變換供電”;
后備路徑:在市電供電中斷時，蓄電池經(jīng)UPS的DC/AC逆變器給數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)載供電，提供后備供電功能;
應(yīng)急路徑:當(dāng)UPS故障時,UPS將不間斷地轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路,市電經(jīng)由UPS內(nèi)置的旁路電子開關(guān)給數(shù)據(jù)設(shè)備供電,提供應(yīng)急供電功能。
這一供電制式的優(yōu)勢是具有可不間斷相互切換的三條供電路徑來保證IT負(fù)載的安全供電;其次是采用全交流供電,可適應(yīng)數(shù)據(jù)中心全域負(fù)載的供電需求且輸配電結(jié)構(gòu)簡單。不足之處是,正常運(yùn)行時能量需要經(jīng)過兩級變換輸出,對于目前的電網(wǎng)供電品質(zhì)和IT負(fù)載適應(yīng)力來看,這一雙變換導(dǎo)致的能效損失在99.998%的時段內(nèi)是完全沒有必要的。但令人慶幸的是,隨著UPS高頻化技術(shù)的發(fā)展,多電平變換技術(shù)及SiC等新器件的采用,目前UPS雙變換的最高效率已經(jīng)達(dá)到97.5%;其次,早期的UPS因?yàn)槎疾捎梅悄＝M化架構(gòu),其維修服務(wù)響應(yīng)長也是廣受非議的問題之一。
2HVDC高壓直流供電制式
①HVDC供電制式的應(yīng)用背景
2010年左右,由于當(dāng)時中國通信行業(yè)機(jī)房的負(fù)載率普遍較低,又大都采用效率較低的工頻UPS供電,導(dǎo)致UPS的運(yùn)行效率低下(大約在80%左右),這與當(dāng)時國家已經(jīng)開始倡導(dǎo)的節(jié)能減排政策相悖;其次是工頻UPS幾乎全是分立功率器件的塔式一體機(jī),其故障定位與維修時間都較長,這也給數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)際運(yùn)行帶來了一定的負(fù)面影響。
為此,通信行業(yè)的電源專家開始探索是否可以采用240V的直流來給IT設(shè)備供電,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn),絕大部分之前由AC220V供電的數(shù)據(jù)設(shè)備可以直接用直流240V供電,而無需改變IT設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)誕生了中國數(shù)據(jù)中心的第二種供電制式,即HVDC(高壓直流)供電制式。這是國內(nèi)電源專家第一次對數(shù)據(jù)中心供電制式的有益探索,值得尊重。
②HVDC供電制式的定義及其工作原理
由于相對于通信電源的DC24V/48V制式,DC240V(或336V)電壓較高,所以被定義為HVDC(與電網(wǎng)的100萬伏HVDC同名,但沒有關(guān)聯(lián)),如圖3,其供電路徑分述如下:
正常路徑:在市電供電正常時,HVDC經(jīng)過AC/DC及DC/DC變換輸出直流電(276V或380V)給數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)載供電,提供凈化電源功能;
后備路徑:在市電供電中斷時,蓄電池經(jīng)直接給IT負(fù)載供電,提供后備電源功能;
應(yīng)急路徑:無(因?yàn)榻恢绷鳠o法不間斷切換而無法設(shè)置。當(dāng)直流系統(tǒng)故障后,無法提供旁路供電路徑)。
③HVDC供電制式的早期應(yīng)用優(yōu)勢與現(xiàn)狀
HVDC的成功推出相比于早期的工頻UPS,確實(shí)提高了電源的運(yùn)行效率大約10%以上,簡化了故障定位并縮短了維修時間,電池放電也不再受UPS逆變器故障的影響。同時,很多數(shù)據(jù)中心早期通過一路市電、一路HVDC的“準(zhǔn)2N”架構(gòu),也確實(shí)節(jié)省了建設(shè)投資。
這些都有益地推動了數(shù)據(jù)中心的發(fā)展,尤其是在得到BAT的“創(chuàng)新應(yīng)用”青睞后,HVDC供電制式安裝數(shù)量得到較快增長,成為僅次于UPS雙變換的第二大供電制式。
但是,隨著高頻模組化和模塊化UPS的應(yīng)用普及,目前HVDC相對于UPS的應(yīng)用優(yōu)勢如運(yùn)行效率、故障定位、維修時間等的傳統(tǒng)優(yōu)勢開始喪失,但其直流供電帶來的應(yīng)用缺陷卻開始顯現(xiàn);其次,在數(shù)據(jù)中心建設(shè)與改造中,由于其顯而易見的問題與隱患,原先的“準(zhǔn)2N”架構(gòu)正在普遍被“真2N”HVDC架構(gòu)所淘汰,原先的節(jié)省投資功能也隨之消失。
④HVDC供電制式的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用局限
HVDC“三級變換”的節(jié)能問題
HVDC在初期推廣宣傳時非常強(qiáng)調(diào)其“一級變換”理論,宣稱比UPS效率高的原因是只需要AC/DC的一級變換,而不象UPS需要AC/DC和DC/AC的兩級變換,所以具有更高的運(yùn)行效率,其常用的比較拓?fù)淙鐖D4和圖5所示。
事實(shí)上,HVDC的DC240V并不能通過一級變換來得到。根據(jù)YD/T2378—2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求“交流輸入應(yīng)與直流輸出電氣隔離”。這意味著在HVDC電源中還必須有隔離變壓器,而這一變壓器又不可能采用體積龐大的工頻變壓器,所以采用如圖6所示的“AC/DC、DC/AC、高頻變壓器、DC/AC”的三級變換拓?fù)?便是HVDC電源必然的選擇。如果與UPS等同的變換級來比較,那HVDC應(yīng)該是“三級變換”。公開資料顯示,最新的HVDC典型模塊效率僅達(dá)94%～96%,而當(dāng)前高頻UPS普遍已將整機(jī)效率做到了97%以上;在實(shí)際運(yùn)行時,HVDC與模塊架構(gòu)的高頻UPS,都可以通過模塊休眠技術(shù)來提高低負(fù)載率時的運(yùn)行效率。所以與現(xiàn)代高頻UPS相比,HVDC已經(jīng)不再是節(jié)能產(chǎn)品了。
HVDC正常運(yùn)行時能量需要經(jīng)過“三級變換”輸出,對于目前的電網(wǎng)供電品質(zhì)和IT負(fù)載適應(yīng)力來看,與雙變換UPS供電制式一樣,不僅沒有必要,反而造成更大的能源浪費(fèi)。
多元化客戶數(shù)據(jù)中心的供電局限
很多大型Colo數(shù)據(jù)中心都是多用戶群租的,由于用戶的多元化帶來了其IT機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器與通信設(shè)備品類的復(fù)雜化,HVDC的直流供電很難保證能適應(yīng)所有各類用戶IT服務(wù)器供電需求,所以,通常這樣的數(shù)據(jù)中心都無法采用HVDC來供電。
原先采用HVDC供電的客戶遷移退租后的數(shù)據(jù)中心設(shè)備改造問題
原先采用HVDC供電的數(shù)據(jù)中心,3～5年租約滿后原客戶遷移退租更換新用戶,而新用戶又不接受或無法采用HVDC供電,導(dǎo)致需要更換原先整條供電鏈路的所有設(shè)備,如HVDC電源、直流配電系統(tǒng)、列頭柜、PDU、蓄電池和電纜,導(dǎo)致巨大的Capex損失。
無法帶數(shù)據(jù)中心全域負(fù)載的問題
數(shù)據(jù)中心負(fù)載不僅有服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信設(shè)備等IT負(fù)載,更有保障IT設(shè)備制冷需求的水泵、風(fēng)機(jī)等動力負(fù)載,所有這些設(shè)備都是不能停電的。目前HVDC還不能保證能給所有的IT負(fù)載供電,更無法給動力系統(tǒng)負(fù)載。這意味著以HVDC供電為主的數(shù)據(jù)中心,同時需要配置交流UPS來供電,這導(dǎo)致交流、直流供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心供電和IT端供電的混用,使電源品類管理與運(yùn)維復(fù)雜化。
無應(yīng)急供電路徑的局限
受制于交流電和直流電不能并存來實(shí)現(xiàn)不間斷切換的現(xiàn)實(shí),HVDC無法提供象UPS靜態(tài)旁路這樣的第三條應(yīng)急供電路徑。當(dāng)主輸入配電線路或電源柜系統(tǒng)故障時,后備電池(通常15min)放電截止后,負(fù)載將直接面臨斷電風(fēng)險(xiǎn)又束手無策的尷尬境地。
電池直掛負(fù)載母線問題
電池直掛母線是把雙刃劍,既有好處也有壞處。好處是沒有如UPS的逆變器故障無法供電的問題,其壞處是HVDC的電池直掛負(fù)載母線,電池放電電流不可控,無UPS所具備的共享放電測試功能,蓄電池的健康狀況難以判斷;其次是當(dāng)電池出現(xiàn)故障(如漏液或短路)或電池系統(tǒng)性失效時,與電池直接相連的負(fù)載供電必然受到影響,甚至于出現(xiàn)斷電事故,這在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)有慘痛的教訓(xùn)。
配電開關(guān)、按鈕、PDU等的選型操作及拉弧問題
實(shí)驗(yàn)表明,HVDC的240V直流供電系統(tǒng)在開關(guān)、按鈕、插拔等操作分?jǐn)嚯娏鲿r,出現(xiàn)拉弧、起火或燒毀等現(xiàn)象的嚴(yán)重程度及概率會遠(yuǎn)高于交流220V系統(tǒng);其次,目前直流配電開關(guān)單極分段的額定電壓等級只有250V,HVDC的276V應(yīng)用已經(jīng)超過了其安全范圍。
310kV交流輸入的直流供電制式級
為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率,業(yè)界對HVDC在效率與可交付性上進(jìn)行了創(chuàng)新發(fā)展,推出了10kV交流輸入的直流供電不間斷電源系統(tǒng)(MVDC電源),下文簡稱巴拿馬電源。
巴拿馬電源供電制式的主要創(chuàng)新可總結(jié)為三點(diǎn):首次把10kV中壓變壓器、HVDC組合成一體的供電系統(tǒng);通過采用36脈沖中壓移相變壓器,優(yōu)化了HVDC的拓?fù)?將HVDC模塊的變換級從原先的三級變?yōu)閮杉?使AC10kV輸入端到DC276V輸出端的多級變換電源系統(tǒng)效率提升至97%(99%變壓器效率*97%優(yōu)化的HVDC效率);同時將單系統(tǒng)的交付能力從原先HVDC的1200A提升到1.2MW。
巴拿馬電源稍顯復(fù)雜的是使原先單繞組的變壓器變成了六繞組如圖7所示,使變壓器設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)工作量增大;其次,MVDC電源的輸出直流電壓制式與原HVDC一致,HVDC所面臨的直流供電困惑同樣會體現(xiàn)在MVDC供電制式上。
三 交流直供供電制式
1、數(shù)據(jù)中心交流直供供電制式及其優(yōu)勢
綜合前面的分析可見,當(dāng)前數(shù)據(jù)中心供電制式最大的問題是,在電網(wǎng)的供電品質(zhì)完全超越IT負(fù)載安全供電需求的時段內(nèi),依然采用能耗浪費(fèi)嚴(yán)重又導(dǎo)致電源設(shè)備自身故障率升高的“多級變換”交流或直流供電制式,來實(shí)現(xiàn)對IT負(fù)載的供電是否仍有必要的問題。正是基于對這一問題的正視,本文提出了基于“零級變換”理論的交流直供供電制式。
在市電供電良好的99.955%時間內(nèi),UPS通過靜態(tài)旁路運(yùn)行在交流市電直接向IT負(fù)載供電的狀態(tài)下,來實(shí)現(xiàn)高達(dá)99%的效率,因此得名為“交流直供”,以凸顯它的交流供電架構(gòu)和與HVDC直流供電的區(qū)別;其次,由于它同時還具有不間斷的雙變換和電池逆變兩種后備電源供電路徑,所以它與無后備電源的“市電直供”完全不同。
交流直供供電制式采用具有“單機(jī)或并機(jī)系統(tǒng)雙變換回路在線休眠功能、逆變器無間斷啟動與切換功能、旁路快速鎖止功能功能、雷暴偵測與鎖止功能、逆變器的反向有源濾波功能、負(fù)載短路設(shè)部與鎖止功能、交直流濾波器的實(shí)時接入功能”的特定UPS來實(shí)現(xiàn),其主電路拓?fù)渑c雙變換UPS完全相同,如圖8所示。其工作原理說明如下:
在市電供電良好的99.955%時間內(nèi),單機(jī)或并機(jī)系統(tǒng)的整流器和逆變器處于在線休眠狀態(tài),系統(tǒng)效率可達(dá)99%。此時,整流器與市電接通、逆變器與輸出接通但保持在線休眠,能量通過整流器/逆變器IGBT反向二極管構(gòu)成的雙全橋整流電路維持直流母線電壓,UPS的控制系統(tǒng)及同步跟蹤功能保持運(yùn)行,確保市電不正常時能實(shí)現(xiàn)逆變器的“不間斷”投入;逆變器前后的EMI電路、交直流濾波電路參與對市電諧波、高頻干擾和瞬時過壓脈沖的吸收與濾波處理,以改良交流直供模式下的供電品質(zhì)。
當(dāng)市電超限(±10%、±15%可設(shè)定)或斷電時轉(zhuǎn)到逆變模式，快速切換專利技術(shù)確保短時間內(nèi)由市電經(jīng)雙變換或電池逆變放電向負(fù)載供電，這一切換的典型時間不到2ms(如果不考慮波形畸變,實(shí)際可為0ms)，充分滿足負(fù)載“不間斷”的供電要求。在市電回復(fù)后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間和滯回值，不間斷返回交流直供模式。
交流直供模式下控制電路的主控DSP實(shí)時產(chǎn)生追蹤旁路市電的PWM驅(qū)動信號,但在最后施加到IGBT時被鎖止;當(dāng)需要提供逆變輸出時PWM驅(qū)動信號可以在極短時間內(nèi)驅(qū)動IGBT實(shí)現(xiàn)輸出帶載。相關(guān)控制單元及檢測電路(如面板顯示,電壓檢測,電流檢測、同步信號等)保持實(shí)時運(yùn)行,確保系統(tǒng)能快速切換。
2、電網(wǎng)適應(yīng)性和IT負(fù)載適應(yīng)性評估
交流直供供電制式下的供電品質(zhì)是否能滿足IT負(fù)載的輸入電源需求,是交流直供制式能否作為數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)供電制式來推廣的前提,為此,本文基于當(dāng)前IT負(fù)載的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做了下列比較(綜合ATX/SSI/Intel標(biāo)準(zhǔn)為例),詳見表1。
從表1可見,在正常市電供電及交流直供相關(guān)功能的支持下,交流直供完全可以滿足數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載的全時域供電需求。
3、交流直供制式的技術(shù)優(yōu)勢
①運(yùn)行效率(PUE)與可靠性優(yōu)勢
相對于前文提到的其它供電制式,交流直供制式在保IT負(fù)載安全供電的前提下,革命性地采用高效的“零級變換技術(shù)”,使99.955%的時間內(nèi)電源系統(tǒng)的效率高達(dá)99%,即使與幾種供電制式中效率最高的巴拿馬電源中HVDC的98%效率相比,也要高1%的效率(假設(shè)兩者的10kV變壓器效率相同);基于變換級的供電制式,效率通常隨負(fù)載率的升高而升高,而交流直供模式的效率基本不受負(fù)載率的影響,實(shí)現(xiàn)了全生命周期、全時態(tài)的99%效率。對于20MW的數(shù)據(jù)中心來說,相對于傳統(tǒng)HVDC供電模式,預(yù)估10年節(jié)省電費(fèi)在7000萬以上。
由于交流直供電源基本處于在線休眠模式狀態(tài),相比于其它運(yùn)行在多級變換供電制式的電源而言,由于關(guān)鍵的器件如IGBT、電容、電感都在靜態(tài)休眠狀態(tài),減少了發(fā)熱和電磁作用,其工作壽命與實(shí)時可靠性都大幅提高。
②全交流供電輸配電架構(gòu)優(yōu)勢
相對于前文提到的數(shù)據(jù)中心直流供電局限與問題,交流直供采用交流輸配電架構(gòu),完全適應(yīng)數(shù)據(jù)中心全域負(fù)載的供電需求。
4、交流直供運(yùn)行安全性保證
①切換安全性及其實(shí)踐驗(yàn)證
采用UPS交流直供制式供電,用戶最大的擔(dān)心是,能否在市電停電時快速切換到逆變輸出以保證負(fù)載供電的連續(xù)性,而且這一切換安全性是否得到了長期運(yùn)行實(shí)踐的驗(yàn)證。
要實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換需滿足兩個條件：UPS開啟逆變器的速度足夠快、關(guān)閉旁路靜態(tài)開關(guān)的速度足夠快。以伊頓公司的9395產(chǎn)品的技術(shù)為例來說明：伊頓9395內(nèi)置的交流直供技術(shù)可以保證逆變器快速啟動并達(dá)到滿載輸出條件；續(xù)流二極管組成的整流電路維持著直流母線電壓，所消耗的輸入功率很小，都包含在1%的損耗內(nèi)；直流電壓恒定存在，為逆變器的瞬時啟動創(chuàng)造了條件；因逆變輸出保持閉合,逆變器始終處于“就緒狀態(tài)”；PWM脈沖寬度調(diào)制信號與市電始終保持同步；逆變器退出“就緒狀態(tài)”并正常輸出所需的唯一步驟是對IGBT進(jìn)行驅(qū)動導(dǎo)通，該過程640μs左右就能完成。
交流直供模式下旁路靜態(tài)開關(guān)處于閉合狀態(tài),市電異常時必須將其快速斷開以確保將負(fù)載從電網(wǎng)脫離,從而隔離來自電網(wǎng)的干擾等不利因素。伊頓專利的靜態(tài)旁路快速切換技術(shù)(SCR反向電壓激勵技術(shù))可以確保靜態(tài)開關(guān)在600μs內(nèi)的快速關(guān)斷,而無需等待傳統(tǒng)關(guān)機(jī)技術(shù)需要下一次過零點(diǎn)的8ms時間。
交流直供運(yùn)行模式下市電出現(xiàn)斷電或異常時UPS系統(tǒng)需要一定的檢測時間,該檢測過程在320μs內(nèi)能夠完成;從旁路帶載到逆變輸出的切換過程還需要約320μs的反饋時間,加上前述的逆變器啟動時間(640μs)及靜態(tài)旁路的關(guān)斷時間(600μs),伊頓交流直供技術(shù)在旁路市電出現(xiàn)斷電等極端情況時切換到逆變滿載輸出的理論時間為1880μs(1.8ms),極端情況下的實(shí)測轉(zhuǎn)換時間小于2ms(如果不考慮波形畸變,這一時間為0ms)。根據(jù)前述,IT設(shè)備允許斷電時間為不超過13ms,這充分保證了切換期間的IT設(shè)備運(yùn)行安全。
目前,伊頓的交流直供技術(shù)已經(jīng)在全球7～12nm等級芯片產(chǎn)線上得到了5年以上的大規(guī)模運(yùn)行驗(yàn)證(目前也用在5nm產(chǎn)線),也在中國許多大型數(shù)據(jù)中心的動力系統(tǒng)得到了近5年以上的大規(guī)模實(shí)踐驗(yàn)證,證明了切換的高安全性和高可靠性。
②對惡劣供電環(huán)境下敏感負(fù)載的保護(hù)
交流直供技術(shù)具備智能的雷暴偵測功能,當(dāng)UPS偵測到在一定時間內(nèi)(默認(rèn)1h,可設(shè)定)持續(xù)出現(xiàn)3次市電異常,UPS將會推斷可能正遭遇雷暴等異常狀況,系統(tǒng)退出交流直供模式,并將負(fù)載鎖定在雙變換運(yùn)行狀態(tài)1h。若市電不再出現(xiàn)異常,UPS會解除鎖定,并再次自動進(jìn)入交流直供模式。
③具備對上下游故障的智能判斷能力
交流直供技術(shù)能智能判斷電源問題是來自輸入電源還是由負(fù)載短路引起。若電壓和電流急劇下降,則UPS上游進(jìn)線故障,UPS快速轉(zhuǎn)換為逆變器供電,以確保負(fù)載供電的連續(xù);若電壓急劇下降,但電流急劇增加,則UPS下游(負(fù)載側(cè))故障,UPS將保持在交流直供模式,通過旁路市電提供的足夠大的電流促使下游斷路器或熔斷器保護(hù)動作以分?jǐn)喙收匣芈贰?
④與傳統(tǒng)ECO方式在安全性方面質(zhì)的差異
出于對安全供電的擔(dān)心,ECO自推出幾十年來,少有人問津。傳統(tǒng)ECO模式下,市電正常時整流器和逆變器始終處于空載待機(jī)狀態(tài),整流器和逆變器的持續(xù)運(yùn)行不僅導(dǎo)致運(yùn)行效率的低下(一般僅為97%),而且長期運(yùn)行也抬高了系統(tǒng)的故障率,降低了系統(tǒng)壽命;ECO模式下的逆變器與輸出回路斷開,交直流濾波器都無法發(fā)揮凈化電網(wǎng)的作用,供電品質(zhì)變差;最為關(guān)鍵的是,市電中斷時需要在旁路徹底關(guān)斷后才接通逆變器回路,切換安全性變差。
交流直供模式下的逆變輸出始終保持聯(lián)通，解決了客戶最擔(dān)心的動態(tài)切換安全性問題，其工作原理見前面介紹。與傳統(tǒng)ECO模式相比，交流直供模式在效率、供電品質(zhì)、運(yùn)行可靠性、切換安全性方面都存在質(zhì)的不同。
四 結(jié)論
在保證數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載供電安全與電源品質(zhì)的前提下,采用近乎無損的“零級變換”技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的供電,一直是數(shù)據(jù)中心供電制式變革的目標(biāo)。通過采用零級變換的交流直供供電制式來代替當(dāng)前數(shù)據(jù)中心普遍采用的多級變換供電制式,不僅可以顯著降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行PUE,呼應(yīng)國家的碳中和、碳達(dá)峰戰(zhàn)略,還可以提高電源系統(tǒng)自身的可靠性。與目前部分?jǐn)?shù)據(jù)中心采用的直流供電制式相比,全交流供電架構(gòu)在保證數(shù)據(jù)中心客戶的連續(xù)性、供電負(fù)載的全域性方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。后續(xù)將會提供數(shù)據(jù)中心在交流直供模式下的安全運(yùn)行與PUE實(shí)測數(shù)據(jù),推動數(shù)據(jù)中心加速邁入更綠色的“交流直供”時代。
作者簡介
王偉:伊頓電能質(zhì)量業(yè)務(wù)大中華區(qū)應(yīng)用技術(shù)總監(jiān),電力電子學(xué)碩士,在數(shù)據(jù)中心動力系統(tǒng)行業(yè)有近三十年的技術(shù)與工程經(jīng)驗(yàn),在中國最早發(fā)現(xiàn)和糾正了“零地電壓概念”的巨大誤區(qū)與危害。CDCC《數(shù)據(jù)中心備用電源白皮書》主編,中國勘測設(shè)計(jì)協(xié)會電氣分會常務(wù)理事,本刊編委。
張健:天津江天數(shù)據(jù)科技有限公司總經(jīng)理。葉向陽:華信咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司,技術(shù)總監(jiān)、副總工程師兼能效研究院院長,高級工程師,在數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)、動力、節(jié)能技術(shù)咨詢、規(guī)劃、設(shè)計(jì)等方面有豐富項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),負(fù)責(zé)超過數(shù)十個國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)、項(xiàng)目的規(guī)劃、咨詢、設(shè)計(jì)，主編完成多項(xiàng)國家工程標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的編制工作。
