數據中心高壓直流UPS供電系統研究

董 浩

（上海金融期貨信息技術有限公司，上海 200122）

0 引 言

隨著通信技術的不斷進步，數據業務迅速發展，視聽網絡、電子商務以及網絡通信等基于互聯網的業務模塊不斷擴大，數據通信市場份額穩步增長，數據中心機房中通信設備類型越來越多，供電容量不斷增大。長期以來，數據機房使用UPS供電系統供電，但傳統的UPS供電系統存在結構復雜、安全性差、成本高、效率低、維護困難以及不易拓展等問題。隨著數據業務的高速發展，IT行業將增加大量新服務器，UPS設備應用規模不斷擴大，導致使用UPS供電系統存在的問題變得越來越明顯。在通信行業節能降耗的背景下，高可靠性和低運行成本的高壓直流供電系統將取代傳統UPS電源為數據中心供電。

1 新舊UPS供電系統比較

常規UPS供電系統的結構如圖1所示，包括AC/DC整流器、靜態開關、濾波器、變壓器、DC/AC逆變器、電池組、濾波器以及其他電氣設備[1]。

高壓直流UPS供電系統的結構如圖2所示，包括電池組、AC/DC整流器、配電柜和其他電氣設備。

通過比較上述兩種UPS供電系統的結構可得，UPS供電系統的常規設計較為復雜，高壓直流UPS供電系統在成本和系統上具有更大的優勢[2]。不僅結構可靠，而且功耗低，同時適用性更好。

2 高壓直流UPS供電系統特點

圖1 常規UPS供電系統的結構

（1）常規UPS供電系統結構中存在DC/AC逆變器，因此功耗大大增加，占總功耗的5%左右[3]。高壓直流UPS供電系統結構中不需要DC/AC逆變器、靜態開關以及濾波器等設備，不僅能有效提高電源效率和供電設備運行效率，而且有效降低了設備成本。

圖2 高壓直流UPS供電系統的結構

（2）將相對穩定的直流電源用作設備中的負載電流，可有效減少諧波輸入分量，將諧波含量從30%降低到0%，不僅不會污染電網系統，而且有效保護了整個電網系統環境。網絡設備通常配備開關電源，使用穩定的直流電源，避免對通信設備造成諧波干擾。負載末端的零接地電壓幾乎不出現。

（3）高壓直流UPS供電系統提高了運行效率，主要是由于系統結構簡單，通信技術更加先進，且可以并聯多個模塊，最大程度地利用了每個設備，避免了資源浪費。常規的UPS供電系統通常使用2N或N+1冷卻系統，因此常規UPS供電系統中任何UPS設備都可能具有高壓，且每個UPS設備都需要增加容量以滿足負荷增加的容量，從而導致資源浪費[4]。

（4）常規的UPS供電系統中，存在單點故障可能會給將來的維護帶來困難。高壓直流的UPS供電系統不存在這樣的問題，且總體控制非常有效，提高了供電系統的可靠性。另外，大型直流供電系統采用數字化模塊存儲系統，出現故障時可用相應的模塊替換。傳統的UPS供電系統無法準確確定發生故障的原因，通常需要廠家修復。因此，與傳統的UPS供電系統相比，高壓直流UPS供電系統在檢錯方面更加高效。

3 高壓直流UPS供電系統設計

數據中心供電技術由集中式交流UPS逐漸發展為分布式直流UPS，從電力室中集中放置的鉛酸電池逐漸發展為機柜中分散放置的鋰電池。UPS供電技術是數據中心不間斷供電的關鍵。供電體系結構的類型取決于電池在供電系統中的位置。供電體系結構主要分為集中型和分散型兩種，現有的數據中心供電系統通常使用集中型供電系統。電池位于電力室中統一監視和控制，系統一旦發生故障，會導致大范圍停電。集中型供電系統需要在機房內配備配電柜。分散型供電系統在負載中心安裝電源設備，降低了能耗，提高了應用效率。鉛酸電池由于功率密度低，在高溫下具有爆炸性，因此不適合與IT設備一起使用。鋰電池具有高功率密度和高溫穩定性，因此可以直接放置于機房機架甚至是服務器內。

3.1 分布式鋰電源系統

分布式鋰電源系統是專門為數據中心機房開發的分散型電源系統，利用磷酸鐵鋰電池新技術改變了傳統集中式的供電系統架構，并在每個機架中安裝電源系統。分布式鋰電池系統體積小、重量輕，安全可靠，并節能環保。磷酸鐵鋰電池相比閥控密封鉛酸電池具有諸多優勢，如使用壽命為鉛酸電池的2～3倍，重量輕，且體積小。磷酸鐵鋰電池可直接插入標準機架中，因為啟動器具有較大的啟動電流，所以可以快速深度放電，污染相對較小。隨著磷酸鐵鋰電池價格的下跌，它已逐漸成為數據中心供電系統的通用儲能設備。系統使用磷酸鐵鋰電池作為儲能電源，電源模塊安裝在服務器機柜頂部的3U機房內，支持兩路網絡輸入和兩路網絡輸出的工作模式。系統供電處理過程中，如果電網輸入正常，則直接從電網供電；如果電源系統出現故障或市電中斷，則分布式鋰電源系統會自動切換到高壓直流模式，由儲能鋰電池供電，確保數據中心不間斷運行。基于分散供電技術的分布式鋰電源系統可以提高數據中心運行的可靠性，少數設備的故障不會破壞整個電源系統的穩定性。系統在輸入功率損失后會自動切換到高壓直流模式，不再需要逆變器，進一步提高了能效。此外，分布式鋰電源系統不需要放置在電力室中，也不需要額外配備空調，降低了初始建設成本和隨后的運行與維護成本。

3.2 服務器主板直掛電池系統

谷歌建議在IT設備中嵌入12 V電池，并使用分布式電源和電池作為備用能量存儲，這樣每個服務器都有電源和電池供電。如果市電正常，則服務器直接供電，且電池充滿電；如果市電中斷，幾分鐘內電池將放電，直到切換為柴油供電。12 V電池直接連接到IT設備，主要是為了減少傳輸損耗，但是電池和電源的數量大、成本高且效率低。

3.3 分布式電源架構

越接近末端服務器主板的電源系統，電池分布越分散，相應的IT系統分布也更加分散。越靠近末端，對IT設備性能和電池的控制要求越高。電池從網絡到服務器主板末端的距離越近，功率路徑中的能量轉換級數越少，轉換效率越高，但低壓側傳輸損耗增加。電源架構的選擇對供電系統的可靠性、能效、成本以及靈活性具有重大影響。

將供電電源架構從集中式轉變為分散式，數據中心設備供電使用240 V高壓直流供電系統+磷酸鐵鋰電池。該體系結構的構想是去掉電力室，供電系統分散到機架間，而高壓直流電源和儲能鋰電池取代常規的列頭柜。系統具有模塊化結構，根據數據中心機房的實際布置進行堆疊。磷酸鐵鋰電池配合高壓直流電源供電，供電結構簡單，系統位于負載中間的深處，縮短了直流配電的距離。與直掛12 V電池方案相比，該體系結構不需要安裝大容量電池供電設備，在維護和經濟方面具有更多優勢。該方案是集中式和分布式結合的產物，在集中式供電架構和分散式供電架構間找到了平衡點。大多數分布式清潔能源通常都是被動供給，因此需要轉換為電能為數據中心供電。在這個方面，240 V高壓直流供電系統具有相對較大的優勢。

3.4 高壓直流UPS供電系統斷路器設計

基于電弧電壓技術原理開發一種新型機械+固態的混合式直流斷路器作為輸出開關，用于數據中心中高壓直流供電系統的整體配電，結構如圖3所示。

圖3 新型混合式直流斷路器

高壓直流配電系統的輸出功率大，不再適合使用常規機械直流斷路器。設備制造商提出使用直流熔斷器或雙極斷路器，但大大降低了供電系統的靈活性和安全性。混合直流斷路器電路的基本原理，如圖3所示。首先，機械開關接收中斷信號，斷開活動觸點的過程產生電弧電壓，在固態開關上形成正陽極電壓，向其提供觸發脈沖使其成功導通。其次，由于動態觸點和靜態觸點間直流電弧的等效電阻大于電力電子設備的電阻，因此電流從機械開關的分支電路流向固態開關的分支電路。電流傳輸完成時機械開關被中斷，且在觸點移除后立即斷開半導體開關點之間的固態開關[5]。最后，整個電源中斷過程伴隨著能量的吸收和釋放。這種自然的切換方法結構簡單，不需要使用強制切換的振蕩裝置，同時對機械開關電弧放電的能力要求不高，只需建立正向電壓使固態開關導通，傳輸后幾乎實現零斷流。直流斷路器的拓撲如圖4所示。

圖4 直流斷路器拓撲結構

機械開關傳導正常可以減少斷路器的損耗，可使用高速開關。固態開關由單個IGBT組成，中斷快速且易受控制。壓力和能量釋放電路由RC吸收電路和ZnO避雷器并聯組成。鑒于現有電力電子設備的低過載能力，且限流器已添加到斷路器拓撲中，所以IGBT斷開后直流電路中的電感電流減小，斷路器的兩端產生很大的過電壓。此時，RC吸收電路吸收系統能量，降低斷路器的電壓，提高壓擺率，并保護IGBT免受過壓損壞。

4 結 論

綜上所述，隨著數據中心技術的發展，為滿足降低運營成本、節約能源以及減少排放的需求，數據中心機房可運用高壓直流供電系統，有效解決常規UPS系統可靠性低、效率低以及維護困難的問題。用高壓直流供電系統為IT設備供電，整個生命周期平均節省的能量為20%～30%，因此將逐漸成為未來數據中心主要的供電方式。