一個典型的數據中心供電系統,由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及發電機等設備組成。其中,UPS的主要作用,是在市電電源中斷、發電機啟動之前,确保所帶的負載持續供電,因此,UPS系統包含了儲能設備,如蓄電池或飛輪;此外,傳統UPS還具有隔離市電側浪湧、電壓驟升驟降等作用。
UPS系統是數據中心供電連續性的重要保障,UPS系統的可靠性直接影響數據中心的可靠性,同時,在絕大多數數據中心,UPS系統的損耗可占IT設備能耗的10%以上。因此,提高UPS系統的可靠性,同時降低其損耗,就成為數據中心UPS系統架構演變的主旋律。
1. 傳統UPS供電系統
目前,數據中心内應用最廣的不間斷電源還是傳統UPS,它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜态旁路3部分電路組成,DC母線上挂接蓄電池,輸入AC正常時,經整流和逆變兩次轉換後為負載供電,同時為蓄電池浮充,輸入AC中斷時,蓄電池由浮充轉放電,經逆變器為負載供電,對負載來說,感受不到輸入端電源的中斷。
UPS設備的分類
從結構上看,UPS設備可以分為後備式、在線互動式、雙轉換在線式、Delta 轉換在線式等類型,其中前兩種主要用于小容量負載(≤5kVA),Delta轉換在線式技術受專利保護,因此,大型數據中心主要采用雙轉換在線式UPS設備。
傳統的雙轉換在線式UPS設備采用可控矽整流,主要的問題是諧波電流畸變率(THDi)高(10-30%),轉換效率低(85-92%)。
随着電力電子器件的發展,呈現出IGBT取代可控矽整流的趨勢,IGBT整流的優勢是取消變壓器,因而降低了成本,同時有比較好的輸入特性,在較寬的負載範圍内,可以将THDi控制在5-10%之間,最大的好處是效率的提升,通常在87-95%之間。目前,IGBT整流型UPS的可靠性比可控矽整流型略低。
UPS冗餘設計
由于UPS設備結構複雜,因此自身容易發生故障,設備冗餘可以提高可用性,UPS系統便有了N、N X、2N、”市電 U電“等架構。
2. 高壓直流(HVDC)不間斷電源系統
盡管所有國家的市電都是交流,但是IT設備内部都采用直流供電,這就為直流供電提供了可能。事實上,通信行業采用直流48V供電已經有幾十年的曆史,電力行業也長期采用直流220V作為斷路器等設備的操作和控制電源(直流屏)。
傳統UPS設備存在效率低、可靠性差、靈活性和擴展性差、故障後不易修複等問題,所以業内一直在尋找替換UPS的方案。
現有主流的高壓直流供電系統圖,與通信行業48V直流系統架構基本一緻。與傳統雙轉換在線式UPS系統的主要區别,是取消了逆變環節,蓄電池挂接在直流母線,與整流器并聯,同時為IT設備供電。由于直流電源拓撲簡單,因此故障率較UPS有所降低,因采用模塊化設計,可在線維護。
3. 分布式不間斷電源系統
UPS或HVDC通常采用集中式供電方案,集中式系統的優點是可以實現資源共享,降低成本,其缺點是系統故障範圍大,影響面廣。
UPS也有小型機分布式供電方案,但是多套分布式小型機系統與1套集中式大型UPS系統相比,小型機的數量多,故障點多,成本高,因此大中型數據中心不會采用分布式UPS系統。
盡管有如上問題,但是對于分布式不間斷電源系統的探索,從來沒有停止過。谷歌和Facebook都在探索分布式不間斷電源系統在IDC數據機房中的應用。
4. 未來發展趨勢
過去,計算機作為一種非常嬌貴的設備,雙轉換在線式UPS消除了市電電能質量問題,但帶來了6-10%的電能損失以及其自身可靠性低的問題。
通過冗餘可以提高系統可靠性,UPS發展出主備供電、N 1冗餘并機、雙總線、分布冗餘等方案,相應帶來的是成本和能耗的進一步增加。
為了避免UPS設備故障率高的問題,國内提出并已規模部署了直流240V電源系統,大部分IT設備可以直接兼容直流供電。
數據中心不間斷電源系統架構呈現如下三種趨勢:
第一,從在線到離線。UPS ECO模式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等本質上都是将電源離線,從而降低電源成本和運行損耗。
第二,從集中到分布。随着锂電池等新型儲能設備的發展以及大數據時代服務器快速部署、靈活擴展的需要,不間斷電源設備正在從集中到分布。
第三,未來數據中心供電發展的整體趨勢是由高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發展,由機房外集中式鉛酸電池向IT機櫃内分布式小(锂)電池方向發展,從化石能源向綠色能源方向發展。
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