本文基于中國(guó)電網(wǎng)和IT負(fù)載電源的發(fā)展,分析了當(dāng)前數(shù)據(jù)中心幾種主要供電制式的產(chǎn)生背景與利弊,提出了基于全新的“零級(jí)變換”概念的數(shù)據(jù)中心交流直供供電制式。
由于海量數(shù)據(jù)和巨大算力的需求驅(qū)動(dòng),近年來(lái)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(guó)家、行業(yè)和數(shù)據(jù)中心三級(jí)體系關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將基于中國(guó)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(guó)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(jí)變換”概念的數(shù)據(jù)中心交流直供供電新制式。
數(shù)據(jù)中心供電制式發(fā)展的前提與必要條件
1）中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展與供電穩(wěn)定性
根據(jù)國(guó)家能源局2019年的數(shù)據(jù):中國(guó)的年發(fā)電量為71118億千瓦時(shí),占全球的1/4,比美國(guó)多50%以上,大約是歐盟的2倍,相當(dāng)于美國(guó)、日本、俄羅斯三國(guó)的總和;其次,中國(guó)電網(wǎng)規(guī)模全球第一,擁有35kV及以上輸電線路回路長(zhǎng)度189萬(wàn)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(wàn)伏各種供電電壓等級(jí)的國(guó)家;第三,中國(guó)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(yáng)能、風(fēng)能等綠色清潔能源已經(jīng)占到了30%;中國(guó)城市客戶380V等級(jí)的供電可靠率達(dá)99.955%(數(shù)據(jù)來(lái)源:國(guó)家電網(wǎng)報(bào))。
對(duì)大型A/B級(jí)數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō),如果采用來(lái)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(shí)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(dòng)數(shù)據(jù)中心供電制式變革的保證。
2）IT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(duì)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(duì)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(guò)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(lái)源
IntelServerSystemH2000WPfamily),并會(huì)過(guò)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(wèn)題。同時(shí)IT設(shè)備電源還有一定的輸入斷電耐受時(shí)間,如ATX標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)輸入斷電時(shí),12V輸出Hold-up時(shí)間最小為17ms,而SSI標(biāo)準(zhǔn)則要求超過(guò)20ms,而IntelServer標(biāo)準(zhǔn)要求這一時(shí)間為13ms。IT設(shè)備對(duì)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(gè)必要的前提。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心供電制式的現(xiàn)狀與問(wèn)題
1）UPS雙級(jí)變換供電制式
早期的IT負(fù)載對(duì)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(shí)間最長(zhǎng)、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(shí),UPS經(jīng)過(guò)AC/DC和DC/AC的“兩級(jí)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(shí)，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(shí),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(kāi)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(shì)是具有可不間斷相互切換的三條供電路徑來(lái)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(jiǎn)單。不足之處是,正常運(yùn)行時(shí)能量需要經(jīng)過(guò)兩級(jí)變換輸出,對(duì)于目前的電網(wǎng)供電品質(zhì)和IT負(fù)載適應(yīng)力來(lái)看,這一雙變換導(dǎo)致的能效損失在99.998%的時(shí)段內(nèi)是完全沒(méi)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(zhǎng)也是廣受非議的問(wèn)題之一。
2）HVDC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(shí)中國(guó)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(shí)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)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(shí)間都較長(zhǎng),這也給數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)際運(yùn)行帶來(lái)了一定的負(fù)面影響。
為此,通信行業(yè)的電源專家開(kāi)始探索是否可以采用240V的直流來(lái)給IT設(shè)備供電,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(wú)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(guó)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(guó)內(nèi)電源專家第一次對(duì)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(duì)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(wàn)伏HVDC同名,但沒(méi)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(shí),HVDC經(jīng)過(guò)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(shí),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(wú)(因?yàn)榻恢绷鳠o(wú)法不間斷切換而無(wú)法設(shè)置。當(dāng)直流系統(tǒng)故障后,無(wú)法提供旁路供電路徑)。
③HVDC供電制式的早期應(yīng)用優(yōu)勢(shì)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(jiǎn)化了故障定位并縮短了維修時(shí)間,電池放電也不再受UPS逆變器故障的影響。同時(shí),很多數(shù)據(jù)中心早期通過(guò)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(dòng)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(zhǎng),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(duì)于UPS的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如運(yùn)行效率、故障定位、維修時(shí)間等的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)開(kāi)始喪失,但其直流供電帶來(lái)的應(yīng)用缺陷卻開(kāi)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(jiàn)的問(wèn)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(jí)變換”的節(jié)能問(wèn)題
HVDC在初期推廣宣傳時(shí)非常強(qiáng)調(diào)其“一級(jí)變換”理論,宣稱比UPS效率高的原因是只需要AC/DC的一級(jí)變換,而不象UPS需要AC/DC和DC/AC的兩級(jí)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(guò)一級(jí)變換來(lái)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(jí)變換拓?fù)?便是HVDC電源必然的選擇。如果與UPS等同的變換級(jí)來(lái)比較,那HVDC應(yīng)該是“三級(jí)變換”。公開(kāi)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(shí),HVDC與模塊架構(gòu)的高頻UPS,都可以通過(guò)模塊休眠技術(shù)來(lái)提高低負(fù)載率時(shí)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(shí)能量需要經(jīng)過(guò)“三級(jí)變換”輸出,對(duì)于目前的電網(wǎng)供電品質(zhì)和IT負(fù)載適應(yīng)力來(lái)看,與雙變換UPS供電制式一樣,不僅沒(méi)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(lái)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(wú)法采用HVDC來(lái)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(wèn)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(wú)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(wú)法帶數(shù)據(jù)中心全域負(fù)載的問(wèn)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(dòng)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(wú)法給動(dòng)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(shí)需要配置交流UPS來(lái)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(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)不間斷切換的現(xiàn)實(shí),HVDC無(wú)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(shí),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(wú)策的尷尬境地。
■電池直掛負(fù)載母線問(wèn)題
電池直掛母線是把雙刃劍,既有好處也有壞處。好處是沒(méi)有如UPS的逆變器故障無(wú)法供電的問(wèn)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(wú)UPS所具備的共享放電測(cè)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(shí),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(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)有慘痛的教訓(xùn)。
■配電開(kāi)關(guān)、按鈕、PDU等的選型操作及拉弧問(wèn)題
實(shí)驗(yàn)表明,HVDC的240V直流供電系統(tǒng)在開(kāi)關(guān)、按鈕、插拔等操作分?jǐn)嚯娏鲿r(shí),出現(xiàn)拉弧、起火或燒毀等現(xiàn)象的嚴(yán)重程度及概率會(huì)遠(yuǎn)高于交流220V系統(tǒng);其次,目前直流配電開(kāi)關(guān)單極分段的額定電壓等級(jí)只有250V,HVDC的276V應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)了其安全范圍。
3）10kV交流輸入的直流供電制式級(jí)
為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率,業(yè)界對(duì)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(jiǎn)稱巴拿馬電源。
巴拿馬電源供電制式的主要?jiǎng)?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(guò)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(jí)從原先的三級(jí)變?yōu)閮杉?jí),使AC10kV輸入端到DC276V輸出端的多級(jí)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(shí)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(huì)體現(xiàn)在MVDC供電制式上。
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(shì)
綜合前面的分析可見(jiàn),當(dāng)前數(shù)據(jù)中心供電制式最大的問(wèn)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(shí)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(jí)變換”交流或直流供電制式,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IT負(fù)載的供電是否仍有必要的問(wèn)題。正是基于對(duì)這一問(wèn)題的正視,本文提出了基于“零級(jí)變換”理論的交流直供供電制式。
在市電供電良好的99.955%時(shí)間內(nèi),UPS通過(guò)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(lái)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(shí)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(wú)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(wú)間斷啟動(dòng)與切換功能、旁路快速鎖止功能功能、雷暴偵測(cè)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(shí)接入功能”的特定UPS來(lái)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(shuō)明如下:
在市電供電良好的99.955%時(shí)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(shí),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(guò)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(shí)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(duì)市電諧波、高頻干擾和瞬時(shí)過(guò)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(shí)轉(zhuǎn)到逆變模式，快速切換專利技術(shù)確保短時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)產(chǎn)生追蹤旁路市電的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),但在最后施加到IGBT時(shí)被鎖止;當(dāng)需要提供逆變輸出時(shí)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以在極短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)IGBT實(shí)現(xiàn)輸出帶載。相關(guān)控制單元及檢測(cè)電路(如面板顯示,電壓檢測(cè),電流檢測(cè)、同步信號(hào)等)保持實(shí)時(shí)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(píng)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(lái)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(jiàn)表1。
從表1可見(jiàn),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(shí)域供電需求。
3）交流直供制式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
①運(yùn)行效率(PUE)與可靠性優(yōu)勢(shì)
相對(duì)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(jí)變換技術(shù)”,使99.955%的時(shí)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(jí)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(shí)態(tài)的99%效率。對(duì)于20MW的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō),相對(duì)于傳統(tǒng)HVDC供電模式,預(yù)估10年節(jié)省電費(fèi)在7000萬(wàn)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(jí)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(shí)可靠性都大幅提高。
②全交流供電輸配電架構(gòu)優(yōu)勢(shì)
相對(duì)于前文提到的數(shù)據(jù)中心直流供電局限與問(wèn)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(shí)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(zhǎng)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(gè)條件：UPS開(kāi)啟逆變器的速度足夠快、關(guān)閉旁路靜態(tài)開(kāi)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(lái)說(shuō)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(dòng)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(shí)啟動(dòng)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(hào)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(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，該過(guò)程640µs左右就能完成。
交流直供模式下旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài),市電異常時(shí)必須將其快速斷開(kāi)以確保將負(fù)載從電網(wǎng)脫離,從而隔離來(lái)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(lì)技術(shù))可以確保靜態(tài)開(kāi)關(guān)在600µs內(nèi)的快速關(guān)斷,而無(wú)需等待傳統(tǒng)關(guān)機(jī)技術(shù)需要下一次過(guò)零點(diǎn)的8ms時(shí)間。
交流直供運(yùn)行模式下市電出現(xiàn)斷電或異常時(shí)UPS系統(tǒng)需要一定的檢測(cè)時(shí)間,該檢測(cè)過(guò)程在320µs內(nèi)能夠完成;從旁路帶載到逆變輸出的切換過(guò)程還需要約320µs的反饋時(shí)間,加上前述的逆變器啟動(dòng)時(shí)間(640µs)及靜態(tài)旁路的關(guān)斷時(shí)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(shí)切換到逆變滿載輸出的理論時(shí)間為1880µs(1.8ms),極端情況下的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于2ms(如果不考慮波形畸變,這一時(shí)間為0ms)。根據(jù)前述,IT設(shè)備允許斷電時(shí)間為不超過(guò)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(jí)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(guó)許多大型數(shù)據(jù)中心的動(dòng)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(duì)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(cè)功能,當(dāng)UPS偵測(cè)到在一定時(shí)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(huì)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(huì)解除鎖定,并再次自動(dòng)進(jìn)入交流直供模式。
③具備對(duì)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(wèn)題是來(lái)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(guò)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(dòng)作以分?jǐn)喙收匣芈贰?/p>
④與傳統(tǒng)ECO方式在安全性方面質(zhì)的差異
出于對(duì)安全供電的擔(dān)心,ECO自推出幾十年來(lái),少有人問(wèn)津。傳統(tǒng)ECO模式下,市電正常時(shí)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(zhǎng)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(kāi),交直流濾波器都無(wú)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(shí)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(dòng)態(tài)切換安全性問(wèn)題，其工作原理見(jiàn)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。
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(wú)損的“零級(jí)變換”技術(shù)來(lái)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(guò)采用零級(jí)變換的交流直供供電制式來(lái)代替當(dāng)前數(shù)據(jù)中心普遍采用的多級(jí)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(guó)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(shì)。后續(xù)將會(huì)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(cè)數(shù)據(jù),推動(dòng)數(shù)據(jù)中心加速邁入更綠色的“交流直供”時(shí)代。
