IDC机房交直流供电体制的分析

2021-05-25王瑞琦张彦坡

通信电源技术 2021年23期

刘浩，王瑞琦，张彦坡

（河南省信息咨询设计研究有限公司，河南郑州 450000）

0 引言

随着IT技术的不断进步，不同规模的数据中心陆续在各地区建立。局域网、广域网、互联网等形成了广阔的信息通道为人类信息传输工作提供了基础。在这些通道实际使用中IDC机房有着非常重要的意义。IDC机房可以完成大量数据的储存以及传输，为互联网提供高速宽带的增值业务。当前很多应用于IDC机房内部的计算机设备在供电时允许的瞬间中断时间范围仅为15～20 ms。IDC机房提供电能的UPS电源系统在应用的过程当中一旦由于某种因素的影响发生超过0.02 s以上的供电中断故障则会导致网络瘫痪，进而对人们的日常生活造成极为严重的影响。大量实践表明，网络一旦出现瘫痪，要想使其重新恢复正常工作往往需要消耗几十秒甚至几个小时的时间。

IDC机房设备时常是使用交流电源为其进行供电，能否将IDC机房设备改为直流供电？因为直流供电方式在应用的过程中更加安全，且需要投入的资金量非常小。文章从IDC机房设备的用电特性着手，对 UPS和开关电源的供电特性进行分析，最后得到IDC机房设备利用直流电源进行供电操作的条件。

1 计算机设备的用电特性

IDC机房内部的设备分为两大类型，即计算机设备以及非计算机类设备。计算机设备由于具有非常强大的分析计算能力，因此在IDC机房中占据的比例非常大，占整体比重的70%以上。考虑到这一点，在改变供电体制的过程当中，需要重点对计算机设备的用电特性进行研究。只有这样才能有效保障改变供电体制之后，IDC机房内部各类设备的功能发挥不受影响。

计算机作为一种最典型的容性负载，在实际应用的过程当中产生的功率因数一般比较低。一般而言，普通计算机的功率因数为0.6～0.7，而一些巨型计算机的功率因数大致在0.7～0.8。这些参数无不表明计算机类的设备在应用的过程当中，无需较大的无功功率便可以正常运作。如果说计算机在使用的过程当中经过综合考虑之后发现要想使其保持正常运转需要的有功功率为300 W，则输入的功率必须达到300 W/0.7=428.6 W。而对于计算机来说，要想使其内部各类元器件的正常使用则需要消耗大约为129 W的无功功率。通过这些数据的分析可知，计算机设备在实际使用的过程当中对于无功功率的需求相对比较大[1]。

计算机设备属于容性负载，在使用的过程中要求电流的波峰系数相对较高。波峰系数实际上指的是负载的峰值电流与方均根值电流的比值。一般为了维持计算机设备的使用，波峰系数值应当保持在1.44以上。而UPS在使用时波峰系数大致为2～3。由此可知，UPS设备可以为计算机提供其使用所需要的电流和电压。一旦计算机设备的上级电源在运行的过程中产生电压的波峰系数维持在计算机启动以及后续使用所需电源范围之内之后，计算机电源的实际使用效率会大幅度提高，且发热量大大降低[2]。

计算机内部集成了多种类型的元器件，不同类型的元器件对电压需求各有区别。计算机设备内部组成器件在使用中所需要供应的电压大致可以分为几个不同的等级，分别有12 V、5 V、3.3 V等。由此可见，计算机设备对于电源等级的要求相对较高，功耗相对较大，比过去经常使用的交换机消耗的电能更大[3]。

计算机在开启时为了保障其正常启动，需要为其供应比正常使用电流高1.2～1.5倍的电流值。启动电流维持时间非常短暂，因此为了保障计算机设备的正常启动，上一级电源应当具有良好的瞬间过载性。如果不具备此特性的话，很有可能在启动计算机的过程当中使得上级电源供电装置的内部元器件发生击穿烧坏等不良情况[4]。

2 UPS设备的供电特性

UPS是最为常用的机房交流不间断电源，其具体的容量大小可以用“KA”进行表示。无论是何种类型的UPS，生产厂家对其参数进行标明时不但应当标明其输出容量，同时也应当标明功率因数。根据功率因素的实际特性，可以将UPS所拥有的功率系数进一步分为输入功率因数以及输出功率因数。一般来说为了保障UPS内部各类组成部件的正常使用，其输入功率因数一般需要维持在0.95以上。输入功率因数数值越高，UPS在使用的过程中对电网的适应能力越强。而输出功率因数一些主流的UPS厂商会将其设置为0.8。

有功功率、无功功率以及视在功率这三者之间的关系可以用下式表示：

无功功率平方+有功功率平方=视在功率平方（1）

由此不难发现主流 UPS厂商所生产的UPS无功功率因数默认值为0.6。当然在实际使用的过程当中，输出功率因数这一数值很多情况下都是根据负载的特性最终确立的。一般计算机负载的功率因数在0.6～0.7这一范围之内[5]。因此当UPS设备需要带载计算机设备时，输出功率因数一般也为0.6～0.7，其余输出均为计算机设备正常工作时所产生的无功功率。通过这样的设置方式，可以使UPS设备更好地满足非线性负载。图1为UPS原理图。

图1 UPS原理图

一些主流厂家由于其生产技术的优势，生产的UPS过载能力已经高达130%。这一优势可以很好地满足有瞬间大电流需求的设备[6]。

很多容量较大的UPS设备，为了保障其使用寿命以及在使用中的安全性能，技术人员会为其加装隔离变压器。虽然隔离变压器的加装会在一定程度上降低UPS设备的使用效率，但是通过隔离变压器可以保障UPS内部器件的安全使用。

一些容量较大的UPS设备，在使用时负荷电流甚至可以高达几百安培。这时无论是何种电流及电压的动态峰值都会对UPS设备内部的IGBT逆变器以及其他设备的正常使用产生影响。例如由于负载中部分感性负载突然减载将导致线路上出现电压的瞬态峰值。而IGBT器件的安全系数相对较低，很难承受较大的瞬态峰值，这时很有可能导致IGBT元器件的损坏。而有了隔离变压器则可以降低IGBT发生损坏的概率。隔离变压器可以将负载与UPS设备完全隔离开来。电压尖峰经过隔离变压器之后，可以部分甚至是完全消除。通过隔离变压器作用的正常发挥可以将零地电压从7～8 V降到1 V以下。这一操作对于减少下端设备误码率有着非常好的帮助[7]。

为了更好地说明UPS与IDC机房设备的选择以及匹配关系，举例说明：假设IDC机房内部设备功率需求为60 kV·A，在这60 kV·A的需求当中，有40 kV·A设备为计算机设备，功率因数为0.65。另外20 kV·A的设备功率因数为0.7。表1为设备功率匹配表。

表1 设备功率匹配表

如果IDC设备在应用的过程当中根据以上功率因数对其进行匹配，那么最终使用的UPS容量为60 kV·A。而功率因数在实际使用中数值为0.67，并非按照厂商设置的0.8这一标准来进行工作的。除此之外，由于计算机设备本身的使用特性，其启动电流一般都较正常使用电流大得多。因此 UPS设备本身所具备的过载能力可以满足计算机设备启动需求。一般而言，UPS设备最大的过载性能为其输出电流的2.33倍，这充分说明 UPS设备的工作特性与IDC机房内部设备的功率特性相互吻合[8]。

3 开关电源的供电特性

开关电源是实际用电过程中最为常用的一类直流电源系统。直流电电源开关为一个具备高频率的IGBT器件，在使用中不具备超载能力。一旦其在使用的过程中承担的载荷超出其额定的范围，很容易导致其内部电路出现破坏。

开关电源的功率因数非常高，其在出厂之前便由技术人员结合其后续使用场景对其内部进行了设定，且这一数值不会随着带载负荷功率因数的变化而变化。这一设备对于非线性负载并不具备良好的匹配性。由于IDC机房内设备的功率因数相对较低，因此应用于IDC机房设备的电源设备在使用时必须提供可以满足复杂需要的有功及无功功率。

48 V的直流电当以大电流的方式在相对较长的输电线路中进行传输时，导线中将会耗费大量的电能。为了全面减少导线对电能的消耗，只能通过加大电缆直径或者是增加电缆的根数来实现这一目标，无疑会大大增加电缆建设中需要投入的资金。使用开关电源作为IDC设备的供电电源，为了减少资金投入量，提高开关电源使用寿命是关键。技术人员应当在各组设备内增加功率因数补偿装置，这种做法将会极大地占用主设备的空间，进而使主设备的安装位置缩小。