数据中心全直流供配电系统研究

2022-01-10吴华勇鄢建强

通信电源技术 2021年13期

吴华勇，郭昊，鄢建强

（维谛技术有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

数据中心作为实现国家“碳达峰，碳中和”战略的重要主体，面临着用于数据存储和处理的设备功耗和为了降低设备发热而使用的空调的能耗均大幅增长、数据中心兴建的规模和数量都不断增加的现实问题，以及提升效率、缩减空间、加快进度、可靠运维和灵活扩展这几方面的新挑战，必须寻求突破和创新才能有效解决和应对。

1 数据中心供配电系统现状

目前UPS（交流不间断电源）仍然是数据中心中IT设备供电的主流方式，在输入侧掉电时，电池的电能经过DC/DC变换器，转换到UPS内部直流母线上，再经过逆变环节变换成交流电，给后方的IT设备供电[1]。

参照当前业界的平均水平（不同厂家的效率值分布参差不齐），从中压变压器输入侧到IT设备主板上的变换器输出侧之间的整个功率链路的效率低于85%，具体每个环节的平均效率值如图1和表1所示。

表1 传统UPS全链路效率

图1 传统UPS全链路供电架构

高压直流（High Voltage Diret Current，HVDC）供电技术方案在我国经过十几年的蓬勃发展，也取得了规模化应用。额定电压为DC 240 V或DC 336 V的输出母线给下游IT设备的适配器直接供电，直流母线上接入电池为IT设备做备电，而在电池的充放电管理过程中，功率变换环节更少，效率和可靠性都更高。

但在正常工作时，HVDC与UPS的双变换状态，效率升高的幅度并不明显，几乎可以忽略不计，其供电链路具体每个环节的平均效率值如图2和表2所示。

图2 HVDC全链路供电架构

表2 HVDC全链路供电效率

但目前HVDC还主要以单套输出功率在500 kW以内的分立式系统为主，功率变换环节与上、下游的配电部分没有进一步融合[2]。而且分立式HVDC系统和UPS系统相比，并没有体现出明显的效率优势，需要着眼于整个链路，从更宏观的架构入手，设计出更能提高能效的解决方案。

2 预制式全直流供配电模组

正因如此，集成了AC 10 kV中压配电、隔离变压、模块化直流电源和输出配电单元等环节的预制式直流供配电模组应运而生，从核心部件的实现方式来说，主要有两种类型：其一是采用普通电力变压器和输入侧含功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）的整流模块组成；其二是采用移相变压器和输入侧为不控整流的整流模块组成。在同等功率输出的条件下，二者峰值效率值近似相等。

解决了数据中心建设过程中对于可靠运行、节能降耗、快速投用等现实难题，并且最大限度地提升电能使用效率（Electric Energy Efficiency，PUE）这一重要指标[3]。其供电链路具体每个环节的平均效率值如图3和表3所示，较传统供电方式提高了约2%。

图3 预制式供配电模组全链路供电架构

表3 预制式供配电模组全链路效率

3 全直流供配电系统未来发展趋势

数据中心的IT设备计算能力更强、能耗更大，功率密度更高，电费成本支出更多。以不断攀升的单机柜功率容量为例，在不远的将来很快就会达到20 kW及以上，这对供配电系统有更巨大的能量需求和更严苛的效率要求。

上述已经取得批量应用的全直流供电方案恐怕在将来难以胜任新的技术发展和业务需求，势必需要进一步探索未来的全直流供电方案的演进方向，如图4所示。

2.1 2016年全国武术散打冠军赛中量级别散打运动员拳法运用分析武术散打基本拳法技术包含冲拳、贯拳、抄拳、鞭拳[7]4种。对2016年全国武术散打冠军赛中量级别男子散打前8名选手的60场、92局比赛的拳法技术应用特点分析见表2。

图4 全直流供电方案4个未来发展趋势

3.1 电力电子变压器

在某些场合也称固态变压器，或电能路由器，是一种能够实现能量多向流动，并且能够对功率流加以主动控制的设备；作为配电网中分布式电源、无功补偿设备、储能设备、负荷等的智能接口，可以在保证电能质量的前提下，灵活地管理区域电网内部及整个配电网中的动态电能[4]。

如果在数据中心应用，可以从给IT设备供电的核心诉求来简化处理，省却一些与最终供电设备相关度不大的直流电压，例如用于储能的DC 10 kV或者电动汽车充电等的DC±375 V等输出制式。

以AC 10 kV中压输入为例，具体的实现方式是，其中每一相对应于中点N都采用级联型，根据各相整流模块的数量均分所在相电压，作为整流模块的输入电压，各模块输出电压并联在一起形成可以给IT设备直接供电的HVDC母线。其中任何一个整流模块一旦出现失效，都可以通过旁路使其脱离整个系统，既不会将故障扩大，也不会影响整个系统输出电压的稳定性。

3.2 燃料电池

柴油发电机作为暂时不可或缺的一个备电设备，价格非常昂贵，但其在99%以上的绝大部分寿命时间里都是不工作的，而且会排放出大量含碳气体。相比之下氢燃料电池能量转换效率更高，而且经过化学反应只生成水。这些优点使得其在未来可以作为柴油发电机的一种替代品。

由于氢燃料电池的成本在未来有大幅下降的趋势，而且近年来在国内外互联网公司所建数据中心都取得了成功应用因此其很大可能将改变传统数据中心供电仅来自电网或柴油发电的固定模式。

3.3 48 V主板供电架构

日益增加的负载功率需求，使得12 V供配电系统产生更大的电流，这将导致变换器内部的开关器件和电磁元件损耗，以及传输线路中压降导致的损耗都大幅增加，更高电压输出制式的电源系统可以很好地体现高效率、低成本、小尺寸和轻量级的价值。从DC 12 V改变为DC 48 V之后，对于相同载流量的电缆，其供电能力提升了4倍，相应综合能耗可以减少30%，这样可以节约相当可观的电费支出。如图5和表4所示。

图5 预制式供配电模组全链路供电架构（48 V主板供电）

表4 预制式供配电模组全链路效率（48 V主板供电）

另外，输出48 V电源的体积更小；同时，48 V电源可以减少外界电磁场环境对IT设备的电磁干扰，使得在同样的单板上，CPU可以连接更多的高速数字接口；另外由于干扰小，传输的效果也会更好。

随着芯片和主板等厂家共同构建其生态产业链，48 V直供方案势必会成为主流。同时随着锂电产业的蓬勃发展，其功率密度高，循环次数多，使用寿命长的优点越来越得以发挥，而且避免了传统铅酸电池多组不平衡备电的问题，可进柜的48 V封装一体的锂电池在未来会扮演越来越重要的角色，必然会取得更加广泛的应用[5]。

3.4 清洁能源

完全取自于自然资源，有效降低火力发电造成的碳排放，其中能应用到数据中心供配电系统中最主要的有两类。

3.4.1 太阳能发电

光能与数据中心内IT设备所处理的业务一样，都是在白天达到峰值，具有很好的负载匹配性，而且光伏电池发出的直流电通过最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的DC/DC变换器，可以直接提供给系统的直流母线。可以根据当地光照情况按照合理的比例灵活搭配，配置储能的直流供电系统则能够结合“峰谷电价”有效降低运营成本。

3.4.2 风能发电

针对不同负载需求，输出功率的选型范围从几百瓦到几十千瓦，涵盖了当今各种功率密度IT设备机柜的功耗。轻风启动，微风发电。而且不受与风力无关的昼夜交替、天气阴晴或温度冷暖等自然条件限制，对于市电和太阳能发电来说都是很好的补充。

无论是接入网的就近取电或是直流远供的场景，还是汇聚／核心网的DC化改造场景，都可以把风力发电机和太阳能控制器输出的清洁电能给在远端的CT设备优先供电，并且电池也放置在远端的设备侧，存储日间或持续风级较高时的富余能量，在夜间或无风时，起到备电的作用，如图6所示。

图6 数据中心的清洁能源供电方案

4 全直流供配电系统对于改善PUE的贡献

目前，PUE仍然是现阶段衡量和评价一个数据中心能源效率的最重要指标，其常规定义是：PUE=（PIT+P制冷+P供配电+P其他） /PIT。

以采用HVDC供电系统的数据中心为例，其电能使用分为IT设备的能耗，空调的能耗，以及中压变压器、HVDC变换器、照明及线路等损耗这3部分，但从全部链路架构角度来讲，其实将IT设备内的DC/DC变换器解耦更加合理，将整个功率链路再向后扩展更能真实反映供电链路的情况。在努力减小变压器/输送电能线路上的损耗以外，同样必须要重点关注IT设备内部电源的功耗这个能效提升的重要瓶颈。

除了供配电系统方面，在制冷和照明等数据中心的重要组成部分同样可以做全直流供电方案的探索和实践。

采用直流供电的精密空调，没有逆变环节且使用永磁电机，省却交流电机的转子电流消耗，效率更高。高压无刷直流电机驱动的制冷压缩机，可以有效提升系统能效。同时由于无刷直流电机具有良好调速特性，使得系统变频性能得以提升，可以有效拓宽空调系统的热负载适应范围。

数据中心内照明用的LED一般供电电压为3.0～3.3V，采用直流供电，避免了不控整流的环节，降低末端电源转化装置的故障率和运行维护的成本；而且从源头对直流电流进行处理，避免了交流电因自身频率引起的频闪，营造更为舒适健康的光照环境。

综上所述，全直流供电方案不仅使电网到设备之间的主功率链路上的能耗降低、节省空间，同时也使照明调光、电机调速更加简易可行，从而降低数据中心整体的能耗和优化PUE指标。