一种新型数据中心服务器供电架构的设计

卢 敏，李海平

（万国数据（成都）实业有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

2017年我国数据中心用电量达到1.2×1011kW·h，且目前中国数据中心的耗电量已连续8年以超过12%的速度增长，预计2020年总耗电量将达到2.962×1011kW·h。当前，数据中心的节能问题正引发包括政府在内的广泛关注。本文提出一种新型的数据中心服务器供电架构，实现供电可靠、运行可靠、能耗低、初始投资省的目的，可作为数据中心服务器供电架构一种有效的补充参考。

1 新型服务器供电架构

1.1 供电架构组成

本供电架构由带储能高速可控硅切换单元和市电直供单元两大部分组成，其中带储能单元高速可控硅切换单元主要包括小容量整流单元、储能单元、逆变单元和高速切换单元4大组件，原理如图1所示。

1.2 运行模式

图1 供电架构组成原理图

正常运行时，服务器由带储能高速可控硅切换单元和市电直供单元供电。由于市电直供回路的供电稳定性和可靠性依赖于外部供电部门，故服务器的供电可靠性核心在于带储能高速可控硅切换单元的供电可靠性。

（1）回路1正常工况：服务器由回路1供电，回路2给储能单元充电，回路3停运，逆变单元待机。

（2）回路1断电工况：服务器由回路2供电，高速切换单元保证回路1故障时快速切换至回路3且不断电。

由于正常运行情况下，带储能高速可控硅切换单元运行在回路1，省去了整流和逆变的损耗，电能利用率极高，接近市电直供单元。

1.3 高速切换单元特性要求

根据1.2节分析，服务器供电可靠性要求回路1断电情况下，高速切换单元需快速切换至储能单元供电，此过程中对切换时间有极高要求。当前数据中心行业标准对A/B级数据中心服务器供电连续性要求如下。

（1）旧国标GB50174-2008对供电连续性的要求：A级数据中心服务器断电时间＜4 ms，B级数据中心服务器断电时间＜10 ms。

（2）新国标GB50174-2017对供电连续性的要求：A/B级数据中心服务器断电时间＜10 ms，新国标相对于旧国标对断电持续时间有所放宽。

根据文献[1]的理论分析和现场实际运行经验：切换时间4 ms，输出电压有效值最低为80%额定电压；切换时间10 ms，输出电压有效值为70.7%额定电压。服务器的额定电压工作范围为100～240 V AC（以220 V系统而言，为45.1%～109.1%）。由此可见，高速切换单元切换特性时间小于4 ms，可充分保证服务器不间断供电。

1.4 高速切换单元切换时间要求可实现性

高可靠切换单元普遍采用可控硅切换，已应用于UPS电源、STS开关等。切换时间均可保证在10 ms以内且大部分产品保证值小于4 ms（实测值2～3 ms）。由此可见，现有可控硅切换装置切换时间可完全满足切换时间要求。

2 本架构与现有架构对比

本架构与现有架构的对比情况，如表1所示。

3 本配电架构拓展型式

本拓展模式仅为简单并机模式，如图2所示，更可衍生更多拓展模式，如共用一套整流单元、逆变单元、储能单元或高速切换单元等。

表1 本架构与现有架构的对比

表2 某数据中心高效模式与正常模式损耗对比

图2 拓展模式（简单并机模式）

4 对在运双UPS供电的运营调整建议

根据文献[1]的理论分析和现场实际运行经验，当前数据中心双UPS供电的服务器或由UPS供电的其他动力设备，通过调整为ECO（高效节能）涉及动力用UPS，需参考文献[1]进行相关现场验证工作，充分保证设备供电连续性和可靠性。某数据中心高效模式与正常模式损耗对比情况，如表2所示。

需要指出的是，如果UPS还为动力类设备供电（尤其是带变频器的动力设备，变频器的工作电压范围通常为±15%额定电压），还需参考文献[1]进行相关现场验证工作。

5 结 论

根据分析，本低压配电架构应用于数据中心服务器供电，相对于现有配电架构具有供电可靠、投资省、运维成本低、设备故障率低的特点，特别适用于市电供电质量稳定的电网系统。