数据中心高压直流UPS供电系统研究

2020-09-07董浩

通信电源技术 2020年11期

董浩

（上海金融期货信息技术有限公司，上海 200122）

0 引言

随着通信技术的不断进步，数据业务迅速发展，视听网络、电子商务以及网络通信等基于互联网的业务模块不断扩大，数据通信市场份额稳步增长，数据中心机房中通信设备类型越来越多，供电容量不断增大。长期以来，数据机房使用UPS供电系统供电，但传统的UPS供电系统存在结构复杂、安全性差、成本高、效率低、维护困难以及不易拓展等问题。随着数据业务的高速发展，IT行业将增加大量新服务器，UPS设备应用规模不断扩大，导致使用UPS供电系统存在的问题变得越来越明显。在通信行业节能降耗的背景下，高可靠性和低运行成本的高压直流供电系统将取代传统UPS电源为数据中心供电。

1 新旧UPS供电系统比较

常规UPS供电系统的结构如图1所示，包括AC/DC整流器、静态开关、滤波器、变压器、DC/AC逆变器、电池组、滤波器以及其他电气设备[1]。

高压直流UPS供电系统的结构如图2所示，包括电池组、AC/DC整流器、配电柜和其他电气设备。

通过比较上述两种UPS供电系统的结构可得，UPS供电系统的常规设计较为复杂，高压直流UPS供电系统在成本和系统上具有更大的优势[2]。不仅结构可靠，而且功耗低，同时适用性更好。

2 高压直流UPS供电系统特点

图1 常规UPS供电系统的结构

（1）常规UPS供电系统结构中存在DC/AC逆变器，因此功耗大大增加，占总功耗的5%左右[3]。高压直流UPS供电系统结构中不需要DC/AC逆变器、静态开关以及滤波器等设备，不仅能有效提高电源效率和供电设备运行效率，而且有效降低了设备成本。

图2 高压直流UPS供电系统的结构

（2）将相对稳定的直流电源用作设备中的负载电流，可有效减少谐波输入分量，将谐波含量从30%降低到0%，不仅不会污染电网系统，而且有效保护了整个电网系统环境。网络设备通常配备开关电源，使用稳定的直流电源，避免对通信设备造成谐波干扰。负载末端的零接地电压几乎不出现。

（3）高压直流UPS供电系统提高了运行效率，主要是由于系统结构简单，通信技术更加先进，且可以并联多个模块，最大程度地利用了每个设备，避免了资源浪费。常规的UPS供电系统通常使用2N或N+1冷却系统，因此常规UPS供电系统中任何UPS设备都可能具有高压，且每个UPS设备都需要增加容量以满足负荷增加的容量，从而导致资源浪费[4]。

（4）常规的UPS供电系统中，存在单点故障可能会给将来的维护带来困难。高压直流的UPS供电系统不存在这样的问题，且总体控制非常有效，提高了供电系统的可靠性。另外，大型直流供电系统采用数字化模块存储系统，出现故障时可用相应的模块替换。传统的UPS供电系统无法准确确定发生故障的原因，通常需要厂家修复。因此，与传统的UPS供电系统相比，高压直流UPS供电系统在检错方面更加高效。

3 高压直流UPS供电系统设计

数据中心供电技术由集中式交流UPS逐渐发展为分布式直流UPS，从电力室中集中放置的铅酸电池逐渐发展为机柜中分散放置的锂电池。UPS供电技术是数据中心不间断供电的关键。供电体系结构的类型取决于电池在供电系统中的位置。供电体系结构主要分为集中型和分散型两种，现有的数据中心供电系统通常使用集中型供电系统。电池位于电力室中统一监视和控制，系统一旦发生故障，会导致大范围停电。集中型供电系统需要在机房内配备配电柜。分散型供电系统在负载中心安装电源设备，降低了能耗，提高了应用效率。铅酸电池由于功率密度低，在高温下具有爆炸性，因此不适合与IT设备一起使用。锂电池具有高功率密度和高温稳定性，因此可以直接放置于机房机架甚至是服务器内。

3.1 分布式锂电源系统

分布式锂电源系统是专门为数据中心机房开发的分散型电源系统，利用磷酸铁锂电池新技术改变了传统集中式的供电系统架构，并在每个机架中安装电源系统。分布式锂电池系统体积小、重量轻，安全可靠，并节能环保。磷酸铁锂电池相比阀控密封铅酸电池具有诸多优势，如使用寿命为铅酸电池的2～3倍，重量轻，且体积小。磷酸铁锂电池可直接插入标准机架中，因为启动器具有较大的启动电流，所以可以快速深度放电，污染相对较小。随着磷酸铁锂电池价格的下跌，它已逐渐成为数据中心供电系统的通用储能设备。系统使用磷酸铁锂电池作为储能电源，电源模块安装在服务器机柜顶部的3U机房内，支持两路网络输入和两路网络输出的工作模式。系统供电处理过程中，如果电网输入正常，则直接从电网供电；如果电源系统出现故障或市电中断，则分布式锂电源系统会自动切换到高压直流模式，由储能锂电池供电，确保数据中心不间断运行。基于分散供电技术的分布式锂电源系统可以提高数据中心运行的可靠性，少数设备的故障不会破坏整个电源系统的稳定性。系统在输入功率损失后会自动切换到高压直流模式，不再需要逆变器，进一步提高了能效。此外，分布式锂电源系统不需要放置在电力室中，也不需要额外配备空调，降低了初始建设成本和随后的运行与维护成本。

3.2 服务器主板直挂电池系统

谷歌建议在IT设备中嵌入12 V电池，并使用分布式电源和电池作为备用能量存储，这样每个服务器都有电源和电池供电。如果市电正常，则服务器直接供电，且电池充满电；如果市电中断，几分钟内电池将放电，直到切换为柴油供电。12 V电池直接连接到IT设备，主要是为了减少传输损耗，但是电池和电源的数量大、成本高且效率低。

3.3 分布式电源架构

越接近末端服务器主板的电源系统，电池分布越分散，相应的IT系统分布也更加分散。越靠近末端，对IT设备性能和电池的控制要求越高。电池从网络到服务器主板末端的距离越近，功率路径中的能量转换级数越少，转换效率越高，但低压侧传输损耗增加。电源架构的选择对供电系统的可靠性、能效、成本以及灵活性具有重大影响。

将供电电源架构从集中式转变为分散式，数据中心设备供电使用240 V高压直流供电系统+磷酸铁锂电池。该体系结构的构想是去掉电力室，供电系统分散到机架间，而高压直流电源和储能锂电池取代常规的列头柜。系统具有模块化结构，根据数据中心机房的实际布置进行堆叠。磷酸铁锂电池配合高压直流电源供电，供电结构简单，系统位于负载中间的深处，缩短了直流配电的距离。与直挂12 V电池方案相比，该体系结构不需要安装大容量电池供电设备，在维护和经济方面具有更多优势。该方案是集中式和分布式结合的产物，在集中式供电架构和分散式供电架构间找到了平衡点。大多数分布式清洁能源通常都是被动供给，因此需要转换为电能为数据中心供电。在这个方面，240 V高压直流供电系统具有相对较大的优势。

3.4 高压直流UPS供电系统断路器设计

基于电弧电压技术原理开发一种新型机械+固态的混合式直流断路器作为输出开关，用于数据中心中高压直流供电系统的整体配电，结构如图3所示。

图3 新型混合式直流断路器

高压直流配电系统的输出功率大，不再适合使用常规机械直流断路器。设备制造商提出使用直流熔断器或双极断路器，但大大降低了供电系统的灵活性和安全性。混合直流断路器电路的基本原理，如图3所示。首先，机械开关接收中断信号，断开活动触点的过程产生电弧电压，在固态开关上形成正阳极电压，向其提供触发脉冲使其成功导通。其次，由于动态触点和静态触点间直流电弧的等效电阻大于电力电子设备的电阻，因此电流从机械开关的分支电路流向固态开关的分支电路。电流传输完成时机械开关被中断，且在触点移除后立即断开半导体开关点之间的固态开关[5]。最后，整个电源中断过程伴随着能量的吸收和释放。这种自然的切换方法结构简单，不需要使用强制切换的振荡装置，同时对机械开关电弧放电的能力要求不高，只需建立正向电压使固态开关导通，传输后几乎实现零断流。直流断路器的拓扑如图4所示。

图4 直流断路器拓扑结构

机械开关传导正常可以减少断路器的损耗，可使用高速开关。固态开关由单个IGBT组成，中断快速且易受控制。压力和能量释放电路由RC吸收电路和ZnO避雷器并联组成。鉴于现有电力电子设备的低过载能力，且限流器已添加到断路器拓扑中，所以IGBT断开后直流电路中的电感电流减小，断路器的两端产生很大的过电压。此时，RC吸收电路吸收系统能量，降低断路器的电压，提高压摆率，并保护IGBT免受过压损坏。