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数据中心基础设施工程师必知必会(5)-直流系统

来源:突破电气PM部 编辑: 时间:2020-10-13

本篇文章是本系列的第五篇文章,上一篇文章中我们已经基本了解直流数据中心结构,以及其优缺点和未来前景,通过这篇文章您将会对直流数据中心有进一步的掌握,了解到以下概念:

交直流数据中心配电方案。 电压等级在直流数据中心中的转化环节。 直流数据中心的重要特性。

1. 数据中心交流配电选项

a) 传统交流配电系统

传统的交流配电系统是将480V的交流电源转换成直流电源给蓄电池充电,再转换回交流电,在配电系统内降至208V,输送给IT设备。IT设备中的电源将电能转换回直流,并通过PSU将其降至较低电压,供处理器、内存和存储设备消耗,如下图1所示。

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图1:传统交流配电系统

b) 改良UPS的配电系统

近年来,制造商提高了组件的效率,并开发了新的操作模式,例如在一些UPS系统上应用了“节能模式”,以提高效率。图2显示了AC UPS在节能模式下的运行情况。绕过逆变器的转换,提高了效率;然而,这可能会降低系统的可靠性。临界载荷不再与电源隔离,也不受逆变器通常提供的严格电压调节,需要复杂的同步电路来确保可靠的电力传输。

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图2:改良UPS的交流配电系统

c) 去除中间变压器的配电系统

通过消除配电过程中的降压环节,从而向IT设备提供较高电压。如图3所示,从UPS获得277V的交流输出,并直接将其发送到服务器电源。这种方法在未来可能有潜力,但由于一些原因,目前不可行。首先,通过将负载相向中性连接,可能会引入额外的谐波电流,抵消部分预期的效率增益。其次,由于机架电压升高,在机架工作的IT人员对电弧闪的担心会增加。最后,在这个输入水平上没有商业可用的电源供应。总而言之,这个架构需要进一步的开发。

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图3:去除中间变压器的配电系统

2. 数据中心直流配电选项

对于今天寻求优化可靠性和效率的组织来说,48V直流电源可能被证明是480V/208V交流配电的最佳选择。48V直流电源在远程通信网络中有着悠久的历史。它本质上是简单和可靠的。通常来说,选择48V DC作为标准有两个原因:

i. 人们认为直流电比交流电更可靠,因为在断电时它可以直接连接备用电池;

ii. 48V被认为是传输距离和人的安全之间的最佳权衡,因为它在维修和意外暴露时被认为是安全的。

a) 常规直流配电方案

在大多数配直流配电中,48V直流电力系统被部署为三个不同的元素,如图4所示:

i.  480V交流-48V直流模块式电力系统

ii. 用于延长运行时间的电池组(至少8小时)

iii. 负载配电柜(BDFB/PDU)

这些元件与大型铜母线和电线连接在设备周围,直接将电力分配给设备。在电源使用点,电源降低内部使用的直流电压至12V。当应用到数据中心时,很容易看到这种方法的好处。在AC/DC整流器的下游,电源完全与主电源隔离,被认为是“安全特低电压”(SELV),提高了安全性的同时,电弧闪光也不再是一个问题。

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图4:常规直流配电系统

b) 行间UPS直流配电

传统的直流配电方案需要用大型铜母线将已经转换好的直流电源分配到机架。幸运的是,有了新的基于行的直流拓扑,这些配电过程不再是必要的,480V交流电源可以直接连接基于行间的数据中心UPS。在这种基于行的配置中,功率在非常接近使用点的地方由交流转换为直流,这降低了导线的尺寸和成本(见图5)。

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图5:基于行间UPS的直流配电系统

数据中心正在进入一个新的成熟阶段,重点在于以更低的成本和更低的功耗可靠地向组织交付更多的计算能力。基于行的直流电源为降低数据中心的复杂性、提高效率和实现增长提供了一种实用的、可承受的解决方案

3. 直流配电的特性分析

a) 效率

数据中心电源架构的直流方法使用的组件比当前的交流方法要少得多。更少的组件需要更少的时间来安装和服务,减少潜在的错误,提高系统的可靠性,减少安装和维护成本,这使得直流方法是一个经济有效的解决方案。根据日本电报电话公司(NTT)进行的一项研究,数据中心系统的可靠性有望提高10倍,这仅仅是因为它不那么复杂。此外,根据ABB等公司的计算和研究,服务器达到效率(supply-to-server efficiency)提高了约10%,减少基础设施投资成本约15%,同时减少了大约25%的所需的空间。

b) 谐波

谐波是通常由非线性负载传播的正常交流波形的失真。在数据中心,交流服务器中使用的开关电源代表了可以产生谐波的非线性负载。谐波电流积聚在中性线,造成配电损失和增加热量的产生。如果谐波的累积水平(即总谐波失真)过高,就会对敏感的电子器件造成损害并降低效率,可能需要设备降额才能克服。在复杂的交流配电系统中,这些损失很难预测,但可能相当大,而在直流系统中几乎不存在谐波。

c) 负载变化

许多数据中心在很多时候运行在设计负载的100%以下,实时负载经常变化。这种变化进一步使效率建模复杂化。由于服务器以不同的速度打开、关闭和使用,三相电力系统的每个阶段的负载都会发生变化,使得这三个阶段之间的一致性变得困难。不平衡的负载降低了整个系统的效率,产生了额外的热量。根据站点的复杂程度和可用工具的不同,跟踪在哪个阶段的不平衡负载是非常耗时和繁琐的。负载平衡问题也只针对三相交流电源,与直流无关。

d) 冷却

在IT设备本身之后,冷却系统是数据中心的第二大电力用户。不仅需要对IT设备产生的热量进行冷却,而且还必须抵消由功率转换损失产生的热量。由于需要的转换次数较少,整体效率更高,直流电力系统比交流系统产生的热量更少,从而降低了数据中心的冷却能耗。根据经验,数据中心产生的热量每减少1瓦,就可以节省1.4到2瓦的冷却能耗。

e) 可用性

在系统层面,直流电力系统提供高可用性的方式有两种。首先,直流功率转换系统比可比的交流系统有更少的组件,这有助于更高的平均故障间隔时间(MTBF)率和更多的正常运行时间。此外,直流UPS使用离散整流器阵列,并使用单独的电力分配总线。这些整流器提供内置冗余,使得该系统可以适应任何单个整流器的故障,而不会立即影响性能或容量。单个整流器可以安全地在现场热换出,而不会影响系统运行,从而最大限度地减少系统平均修复时间(MTTR),而MTTR是导致系统无法使用的主要原因。

f) 扩展性

随着设备和机架密度的稳步上升,电力系统将成为增长的制约因素。因此,数据中心设计和扩展的模块化方法越来越流行,“集装箱化”数据中心的趋势就是证明。通过将一个完整的数据中心电力和冷却基础设施集成到一个完全封闭的容器中,这些系统可以被传送到一个地点,并迅速接入电力、通信和冷冻水系统,从而实现额外的计算能力。由于其内置的冗余和紧凑的占用空间,直流UPS是这些应用程序的优秀解决方案。同样的理念也体现在基于行的设备上,这使得现有设施的模块化扩展或对高密度行的支持成为可能。交流和直流UPS系统都以行为基础的格式提供可扩展性,但直流UPS具有内建冗余的优点,而且与同类的基于行的AC系统相比,其占地面积至少要少50%。

4. 结语

直流电已经是IT基础设施的一个基本部分:关键负载消耗直流电源,所有备份电源产生直流电源。此外,交流电力由电网分配。因此,问题就变成了,在什么地方将交流电源转换成直流电源,同时提供适当的断电保护?如果转换发生得太早,直流电就必须远距离传输,这就需要大型导体来减少损耗。如果发生得太晚,则会在流程中引入额外的转换,这可能会降低效率和可靠性,并增加成本。

在许多应用中,功率转换和能量存储的理想点是尽可能接近负载。一个基于行间配电的直流配电系统允许在这些数据中心环境的有最佳效率,可靠性和灵活性。

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