一種新型數據中心服務器供電架構的設計

盧 敏，李海平

（萬國數據（成都）實業有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

2017年我國數據中心用電量達到1.2×1011kW·h，且目前中國數據中心的耗電量已連續8年以超過12%的速度增長，預計2020年總耗電量將達到2.962×1011kW·h。當前，數據中心的節能問題正引發包括政府在內的廣泛關注。本文提出一種新型的數據中心服務器供電架構，實現供電可靠、運行可靠、能耗低、初始投資省的目的，可作為數據中心服務器供電架構一種有效的補充參考。

1 新型服務器供電架構

1.1 供電架構組成

本供電架構由帶儲能高速可控硅切換單元和市電直供單元兩大部分組成，其中帶儲能單元高速可控硅切換單元主要包括小容量整流單元、儲能單元、逆變單元和高速切換單元4大組件，原理如圖1所示。

1.2 運行模式

圖1 供電架構組成原理圖

正常運行時，服務器由帶儲能高速可控硅切換單元和市電直供單元供電。由于市電直供回路的供電穩定性和可靠性依賴于外部供電部門，故服務器的供電可靠性核心在于帶儲能高速可控硅切換單元的供電可靠性。

（1）回路1正常工況：服務器由回路1供電，回路2給儲能單元充電，回路3停運，逆變單元待機。

（2）回路1斷電工況：服務器由回路2供電，高速切換單元保證回路1故障時快速切換至回路3且不斷電。

由于正常運行情況下，帶儲能高速可控硅切換單元運行在回路1，省去了整流和逆變的損耗，電能利用率極高，接近市電直供單元。

1.3 高速切換單元特性要求

根據1.2節分析，服務器供電可靠性要求回路1斷電情況下，高速切換單元需快速切換至儲能單元供電，此過程中對切換時間有極高要求。當前數據中心行業標準對A/B級數據中心服務器供電連續性要求如下。

（1）舊國標GB50174-2008對供電連續性的要求：A級數據中心服務器斷電時間＜4 ms，B級數據中心服務器斷電時間＜10 ms。

（2）新國標GB50174-2017對供電連續性的要求：A/B級數據中心服務器斷電時間＜10 ms，新國標相對于舊國標對斷電持續時間有所放寬。

根據文獻[1]的理論分析和現場實際運行經驗：切換時間4 ms，輸出電壓有效值最低為80%額定電壓；切換時間10 ms，輸出電壓有效值為70.7%額定電壓。服務器的額定電壓工作范圍為100～240 V AC（以220 V系統而言，為45.1%～109.1%）。由此可見，高速切換單元切換特性時間小于4 ms，可充分保證服務器不間斷供電。

1.4 高速切換單元切換時間要求可實現性

高可靠切換單元普遍采用可控硅切換，已應用于UPS電源、STS開關等。切換時間均可保證在10 ms以內且大部分產品保證值小于4 ms（實測值2～3 ms）。由此可見，現有可控硅切換裝置切換時間可完全滿足切換時間要求。

2 本架構與現有架構對比

本架構與現有架構的對比情況，如表1所示。

3 本配電架構拓展型式

本拓展模式僅為簡單并機模式，如圖2所示，更可衍生更多拓展模式，如共用一套整流單元、逆變單元、儲能單元或高速切換單元等。

表1 本架構與現有架構的對比

表2 某數據中心高效模式與正常模式損耗對比

圖2 拓展模式（簡單并機模式）

4 對在運雙UPS供電的運營調整建議

根據文獻[1]的理論分析和現場實際運行經驗，當前數據中心雙UPS供電的服務器或由UPS供電的其他動力設備，通過調整為ECO（高效節能）涉及動力用UPS，需參考文獻[1]進行相關現場驗證工作，充分保證設備供電連續性和可靠性。某數據中心高效模式與正常模式損耗對比情況，如表2所示。

需要指出的是，如果UPS還為動力類設備供電（尤其是帶變頻器的動力設備，變頻器的工作電壓范圍通常為±15%額定電壓），還需參考文獻[1]進行相關現場驗證工作。

5 結 論

根據分析，本低壓配電架構應用于數據中心服務器供電，相對于現有配電架構具有供電可靠、投資省、運維成本低、設備故障率低的特點，特別適用于市電供電質量穩定的電網系統。