数据中心逻辑智能一体化直流不间断电源

2023-01-31胥飞飞李善策

通信电源技术 2022年19期

胥飞飞，李善策

（杭州中恒电气股份有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

2021年7月，中华人民共和国工业和信息化部印发《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》。随着新一代信息技术快速发展，数据资源存储、计算和应用需求大幅提升，传统数据中心正加速与网络、云计算融合发展，加快向新型数据中心演进。计划到2023年底，能效水平方面，新建大型及以上数据中心电源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）降低到1.3以下，严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下。伴随新型数据中心的发展和落地，数据中心电源系统也将朝着技术先进、绿色低碳、逻辑智能的方向发展和应用，促进新型数据中心规模化建设[1]。数据中心整体能源效率的优化离不开其各组成设备的能效提升，当单一设备能效提升遇到困难后，通常采用系统级架构重构、融合创新等能效提升的方式进行重构优化。

1 传统数据中心供电架构存在的问题

1.1 全链路效率较低

传统数据中心复用了一般建筑的电气架构，将高压电或中压电经交流不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）或高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）变换成380 V交流电或240 V/336 V直流电，再经过交流或直流列头柜进行电能分配，继而为服务器设备供电，备电时间根据业务属性及运维需求调整。这类供电架构链路复杂、配电层级多、传输距离长，而且多级变换过程导致损耗较大，电能利用率较低，全链路效率为93%～94.5%。负载率越低，全链路效能越差。

1.2 供应链管理复杂

国内众多数据中心建设与运营单位为供应链管理投入巨大的人力、物力、财力和管理资源，在设备选型、招标、生产、测试、验收以及维保等阶段都给供应链管理带来极大的压力。尤其是安装调试阶段，一旦出现设计及工程接口问题，那么需要对接各个设备的供应商，导致现场供应链及工程管理难度及复杂程度进一步增大，严重影响整个数据中心供电系统的工程交付进度以及建设成本。

1.3 运维复杂且成本高

传统数据中心供电系统中各设备间无强关联的智能化管理单元，各设备独立运行，配电设备可能置于不同房间甚至不同楼层，整体电气化管理难以耦合，给现场运维人员的巡检、维护带来较大的工作量。

2 逻辑智能一体化直流不间断电源

逻辑智能一体化直流不间断电源系统将传统的供配电链路进行“4合1”的融合创新，通过进行架构重塑以及逻辑性匹配，提升电源系统的功率等级，将传统配电链路中的中压隔离柜、变压器柜、低压配电柜组以及HVDC电源柜合并优化为逻辑智能一体化电源系统，从而简化了配电链路，提高了链路的供电效率，同时降低了设备的供应链管理及采购成本[2]。逻辑智能一体化直流不间断电源的演进如图1所示。

图1 逻辑智能一体化直流不间断电源的演进

逻辑智能一体化直流不间断电源集成10 kV配电、变压器、不间断电源以及输出配电单元，具有超高功率密度、超高效率、安全可靠的特点[2]。同时，采用模块化扩容，单套系统容量最大支持2 400 kW的互联网技术（Internet Technology，IT）设备负载，精准匹配大型数据中心工程产品化、快速部署、超高效以及逻辑智能化等核心需求。逻辑智能一体化直流不间断电源的组成如图2所示。

图2 逻辑智能一体化直流不间断电源组成

3 逻辑智能一体化直流不间断电源的主要技术

3.1 移相交错并联拓扑及其均流控制技术

基于相位交错叠加消去原理，提出了一种移相交错并联拓扑和一种均流控制技术。移相交错并联拓扑通过电路叠加复用，减小了输出电流的波动，提高了系统稳定性，降低了谐波电流噪声，整流模块效率可达98%[3]。而均流控制技术实现了多个模块间的均流控制，降低了系统环流，增强了系统的可靠性[4]。

3.2 多磁路耦合的低阻抗比变压器设计技术

基于先进磁路，提出一种多磁路耦合的低阻抗比变压器设计技术。该技术能在24绕组的变压器中实现多绕组的均衡阻抗比，并控制所有绕组的阻抗比在10%以内，在不提高短路电流的前提下降低变压器输出阻抗，提高变压器的输出带载稳定性。相对以往电气架构采用阻容和开关器件实现谐波治理，逻辑电源进行重新逻辑定义，采用变压器磁路进行谐波和功率因素校正，具有较强的可靠性和无损性。

3.3 多保护策略叠加和复杂能流模式下的交直流一体化监控技术

逻辑智能一体化直流不间断电源采用多保护策略叠加和复杂能流模式下的交直流一体化监控技术，通过对多能流拓扑的傅里叶分析和保护判据，实现多台设备输出并联下的直流一体化监控，增强整个系统的可靠性。

4 逻辑智能一体化直流不间断电源应用价值

（1）高效运行，进一步降低数据中心损耗，减少电源占地空间。逻辑智能一体化直流不间断电源将传统变压器改为移相变压器，省掉功率因数调节环节，移相变压器的效率为99%，整流调压部分的峰值效率为98.5%，整体峰值效率可达到97.5%，单个整流模块最大功率大于30 kW。

（2）解决电源及机电设备交付问题，交付周期缩短至少两个月。数据中心的数百种设备之间相互强关联，任何一个设备需求、设计、采购、实施的变化都会导致关联设备系统的变化，从而引起计划外的调整、通信协议解析等问题[5]。只有减少设备数量，采用解耦、预制化等技术，才能加快交付速度。逻辑智能一体化直流不间断电源集成了从中压输入到直流输出等多个环节，自成一个完整链路，可预制化、预先测试化且随需扩容，工程现场只需将其进行简单地拼装，可以大幅缩短建设工期。

（3）全链路智能化极简维护，降低运维成本和人力投入。智能管理系统将逻辑智能一体化直流不间断电源中的各项设备信息关联起来，方便运维人员随时掌握供电系统的相关参数，降低日常巡检难度。与传统交流UPS系统中繁杂的模块单元组合相比，30 kW超高效模块重量更轻，便于现场运维人员第一时间定位故障点并在线更换，极大地降低了数据中心日常的运维复杂度与成本投入。逻辑智能一体化直流不间断电源的智能监控平台如图3所示。

图3 逻辑智能一体化直流不间断电源智能管理系统

5 逻辑智能一体化直流不间断电源应用架构

对于逻辑智能一体化直流不间断电源在工程中的应用，工程设计人员和工程建设人员需要先考虑电源系统架构选取的问题，通过综合评价电源系统的安全性、可靠性，按照工程建设的实际条件并在考虑经济性的前提下作出相应决策。

简单阐述两种典型的应用架构，即双路逻辑智能一体化直流不间断电源供电架构和双路逻辑智能一体化直流不间断电源+直流母联供电架构，工程设计人员和工程建设人员可以根据现场实际情况和机房负荷的重要程度等因素灵活选择。

双路逻辑智能一体化直流不间断电源供电架构如图4所示。

图4 双路逻辑智能一体化直流不间断电源供电架构

负载端分别由两套独立的逻辑智能一体化直流不间断电源进行供电，每套供电单元的交流输入引自不同电网。系统正常运行时，每套供电系统单元向负载提供50%的能量。当其中一套供电系统单元故障或维护时，另外一套向负载提供100%的能量。采用这种类型的配置能够有效消除系统的单点故障风险，提高供电系统的可靠性。同时，由于采用了双路“2N”系统方案配置，因此会使电源系统冗余度较大，在正常运行时系统带载率相对较低、运营成本相对较高[6,7]。此外，当单边系统出现故障或检修时，负载可能面临单侧供电的情况。

双路逻辑智能一体化直流不间断电源+直流母联供电架构如图5所示。

图5 双路逻辑智能一体化直流不间断电源+直流母联供电架构

在双路逻辑智能一体化直流不间断电源供电架构的基础上增加直流输出侧母联方案，可以确保单台变压器或上级电源输入故障时负载侧仍能实现双路输入不间断。直流母联装置在系统正常工作时处于闭合状态，当电源系统自身及关联设备维护或发生故障工况时，可以人工远程断开直流母联装置。直流母联可采取2段、4段、8段进行分组，分组之后再输出至后端负载，使整个电源系统管理更加精细、更加准确。该方案降低了蓄电池投资，极大程度地增强了系统的可靠性，减少了运维工作量。