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IDC机房设备采用高压直流供电可行性探讨

发布时间: 2022-09-18 05:53:10 来源:华体会体育app官网 作者:华体会体育app官网入口
  • 型号:LDX-K3050
  • 输出电压:0-30V 输出电流:0-50A
  •   2019年6月6日工业和信息化部向四大运营商发放了5G商用牌照,意味着中国正式进入5G商用元年。
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  2019年6月6日工业和信息化部向四大运营商发放了5G商用牌照,意味着中国正式进入5G商用元年。5G高宽带、低延时、大连接的特点必然催生大量新兴产业,这必然会驱动中国IDC(Internet Data Center、互联网数据中心)市场的高速增长。2018年中国IDC业务市场总规模达1228亿元人民币,同比增长29.8%,2021年将达到2760亿元人民币,说明中国的IDC业务受互联网、云计算、5G等业务带动,市场空间后势增长强劲。现在国内已经出现的大型IDC园区里运行着数千台服务器,耗电功率更是达到了上千kW,如何安全可靠的为IDC机房设备供电已经成为IDC产业进一步发展的重要难点。

  一般的IDC服务器设备要求交流电源输入,即220V、50Hz的单相交流电源。IDC机房的服务器、路由器、磁盘阵列等网络设备的电源系统称为交流UPS系统,由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。在市电正常时,市电经整流器变换为直流电源,一路经PFC功率因数校正电路供给逆变器,逆变器将其变换为50Hz交流电供给负载,另一路经充电电路给蓄电池充电。另外输入的交流电源也可从包含有静态开关的旁路回路向负载供电。停电时蓄电池放出电能,通过(整流器、逆变器)变换为交流电供给负载。

  为了提高设备供电的可靠性,通常采取了多台UPS冗余并机的方式,一般分为两种供电方式,一种是单套(N+1)UPS系统,这种比较普遍,广泛用于各种数据中心机房,但供电回路中存在单点故障点,安全可靠性无法提高。另一种是两套(N+1)UPS系统并联冗余供电系统,这种方式安全可靠性非常高,适用于一些高端客户,但前提是服务器必须具有两个电源,可以两路输入。

  UPS电源难以实现独立维护。UPS系统的内部结构及其精密、复杂,大量的分立电子和电气元件存在着使用寿命长短不一的问题。由于使用环境的不同,导致元器件所引发的故障屡见不鲜,如典型的输出滤波电容老化、漏液所导致的系统瘫痪等。

  设备利用率低,资源浪费严重。由于并机的复杂性,在实际投产中UPS并机系统并机的台数都不会太多,一般1+1或者2+1,也就是2~3台。而为了保持系统的冗余,在一台机器出现故障时系统依然能够供电,这就要使得每台UPS在平时的负荷率保持很低的水平。如对于一套UPS(1+1)系统为50%,2+1系统为66%,如果再考虑到负荷的可能突变,同时减少设备的故障率,这时系统就必须要保持一定的裕度,按系统80%的容量计算,实际上每台UPS的负荷率只有40%~55%左右。而为了提高供电可靠性采用的两套(N+1)UPS系统,每台UPS的负荷率就更低,以两套1+1系统为例,为了保证冗余,实际每台的最大负荷率只有20%~25%[1]。

  供电安全存在弊端。大型UPS的输入均采用三相交流市电,为了保障供电安全,重要场合UPS很少有单机工作方式,并机冗余工作方式最为常见,两台以上UPS并联工作时,既要保证多台UPS都跟踪市电的相位、频率、幅值保持一致,同时还要求多台UPS间的相位、频率、幅值也相互跟踪、同步,实际工作中,随着市电的不断变化以及电子元器件参数的变化,尤其是电子器件的零点漂移,往往在切换供电时造成中断,这种中断会给IDC中心的设备运行带来了巨大的影响和损失。并机冗余的另一个特点是:并联中的所有UPS输出端均是以实线连接在一起的,若其中的一台出现故障,将直接影响所有UPS正常运行,单点引发的故障极易造成系统供电中断。

  采用高压直流供电的工作方式是在市电正常时,市电交流电源经整流模块变换为直流电源直接供给负载,另一路经充电电路给蓄电池充电。在停电时蓄电池放出电能直接供给负载。对于传统电信专用设备,采用直流48V开关电源供电的可靠性确实比交流UPS供电高很多,但为大型IDC机房供电时却存在功率、电流受到限制的不足,因此采用220V以上的高压直流电源为大型IDC机房供电的可行性迫切需要研究。

  现在IDC机房的服务器内部一般使用高频开关电源,把外部输入的交流电转化为内部电子电路所用的直流电。计算机设备的高频开关电源的基本工作原理简图如图1[2]。实际上在交流输入的时候,在正半周电流走向是从A—2—C—D—4—B,在负半周电流走向是从B—3—C—D—1—A,整流管1、3和2、4轮流导通。理论计算U0=0.9√2Ui,因此标称是220V交流输入的设备,在CD端输出的直流电压为280V。

  一般服务器的电源输入电压要求是220V±10%,U0的值为252V~308V。这个值是电源的标称电压,实际上CD后端的DC/DC变换器是通过调节开关脉冲的占空比即开关管的导通时间来控制输出直流电的电压的,因此电压范围是可以高于308V。当采用直流电压直接输入AB时,由于电压不变相,整流管2、4长期导通。这样电压从AB端直接传到CD端,若不考虑整流管的自身损耗,则Ui=U0。

  在交流输入时,作为整流的四只二极管可在一个周期内轮流导通一次,而在直流输入时,只有两只二极管长期导通,这样二极管的发热量大大增加,因此,如果要采用直流电压输入电压就不能太低,直流电压大约计算如下。

  根据功率恒定原则:U交×I交×0.9=U直×I直(0.9为功率因数);整流管发热W热=I2×R整流管×t,因为交流供电时四只二极管轮流导通,比直流供电时间少了一半。即W交热=I2*×R整流管×t/2,W直热=I2×R整流管×t,联立可得0.92×U交2=U直2×1/2。一般服务器最低交流输入电压是198V,由上式可得U直=252V。为确保电源能长期工作,一般建议直流电压尽量不要低于260V。

  一般服务器产品的额定电压都是220V,有些服务器的电源在设计时会有高电压保护线路,当输入电压太高时,电源就会保护而不起动,这样就使输入的直流电源电压不能太高。通常这种保护电压设置在280V左右。

  “低压”等级。220V直流电源已广泛使用,电池供电时电压范围为194~240V,2V蓄电池的放电终止电压1.8V。以这种方式供电给服务器,由于电压较低容易使整流管过热,长期使用易产生故障。因此必须在供电回路中增加升压装置,使输入电压符合服务器的要求,该升压装置串联在供电回路中,实时监测输出电压,并根据直流电源端的电压变化调整自身输出的电压,保持对负载端输入电压的恒定。该供电模式可以直接在现有的IDC机房使用,对服务器设备无需任何改造。缺点是在回路中增加了升压环节,增加了单点故障点。

  “中压”等级。考虑“低压”供电模式中存在升压装置的致命缺陷,结合整流管对最低电压的要求,采用标称电压276V的“中压”供电模式。该种供电模式下,平时电池处在浮充状态,供电电压为308V。在电池供电时最低电压为248V。这种供电电压基本符合CD端的电压U0=252V~308V,服务器能正常工作。但由于输入到服务器电源的电压可能高于280V,对于一些有输入电压检测保护的服务器电源可能会不能启动工作。

  “高压”等级。该供电模式采用标称电压380V或者以上,这种供电模式不适用现有的服务器设备,是对未来机房建设以及服务器设计的前瞻准备,因此,要采用这种供电模式需服务器厂商的配合。

  供电可靠性大大提高。一是采用直流供电,蓄电池可以作为电源直接并联在负载端,当停电时,蓄电池的电能可以直接供给负载,确保供电的不间断;二是直流供电只有电压幅值一个参数,各个直流模块之间不存在相位、相序、频率需同步的问题,系统结构简单很多,可靠性大大提高;三是交流UPS系统可以提高冗余度来提高安全系数[2]。

  工作效率提高。和交流UPS系统相比直流供电省掉了逆变环节,而一般逆变的损耗在5%左右,因此电源的效率得以提高。其次由于服务器输入的是直流电也就不存在功率因数及谐波的问题,降低了线损。最后由于并机技术简单,可采用大量的模块并联,使每个模块的使用率可达到70%~80%,比起交流UPS系统提高了很多[2]。

  系统可维护性增强。现在的交流UPS系统涉及到复杂的同步并机技术,整机的维护只能依靠厂家,更不要说是扩容问题。而采用直流供电就如一直使用的-48V直流系统一样,系统由模块组成,虽然电压增高了,但只要做好安全防护措施,维护人员是可以自己进行维护的[1]。

  扩容便捷。由于采用模块化结构,现在一个模块的容量一般在10kW左右,只要预留好机架位置,扩容是非常方便的。同时在建设时可根据服务器的数量逐渐增加模块数,使每个模块的负载率可尽量的提高,这对于节能也是非常有好处的。

  不存在“零地”电压等不明问题的干扰。因为是直流输入没有零线,也就不存在“零地”电压,避免了一些不明的故障,维护部门也无需再费时费力去解决“零地”电压的问题。

  对配电开关灭弧性能要求高。对于交流电,电流在周期内会有过零点,当短路时,过零点的存在使开关断开时产生的电弧容易灭弧。而如果是直流电就不存在过零点,灭弧相对困难。因此配电所需的开关性能要求更高,会相应增加建设成本。

  电缆线径的增加。按目前的配电结构,从UPS输出到楼层配电柜采用的是三相四线供电,如果采用高压直流供电则是一相两线供电,在相同电压下输送同等功率下电缆的消耗×量×将×会×有所增加:

  式中cosφ为功率因数、取0.9,从上式可知,在相同电缆数(4根)、相同电流下,直流供电电压高于296.2V,电缆耗铜量是不会比交流供电多的。因此对于“低压”模式,供电电压保持在270V左右,因此耗铜量增加10%左右;对于“中压”模式,平时正常运行电压308V左右,耗铜量基本相同,但是由于在电池放电时电压会降到250V,因此电缆需考虑加大,和交流供电相比增加15%左右。对于“高压”模式,运行的电压比较高,耗铜量可以减少20%左右。

  鉴于“低压”模式220V电压太低,需要升压装置,而高压模式380V电压太高,不适用现在的服器,所以“中压”等级、即270V是一种比较理想的选择。首先该种供电电压可以直接供给现有的服务器使用,蓄电池做为保障后备供电可直接供给负载,符合采用直流供电的初衷,从根本上改变了原有的UPS供电模式,中间无需再增加其他供电设备。如果从长远发展来看,选用380V以上的“高压”比较合适(可节省投资),但现在市面上的服务器都不能使用该种电压,因此在未推出适应“高压”直流的服务器之前,采用“中压”是比较合适的。

  采用高压直流供电可大大提高供电的可靠性。至于采用哪种电压等级比较理想,则需根据实际使用的服务器情况和未来服务器电源技术发展的趋势来确定。建议在目前的数据中心高压直流技术应用试点工程中采用270V电压等级为宜,但也应继续跟踪研究380V电压等级在数据机房的应用前景。相信随着5G时代的到来和科学技术的迅猛发展,IDC机房设备采用高压直流供电所面临的问题也会迎刃而解。

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