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數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)架構

發(fā)布時間 : 2022-12-28

前言

一個典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng),由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及發(fā)電機等設備組成。


其中,UPS的主要作用,是在市電電源中斷、發(fā)電機啟動之前,確保所帶的負載持續(xù)供電,因此,UPS系統(tǒng)包含了儲能設備,如蓄電池或飛輪;此外,傳統(tǒng)UPS還具有隔離市電側浪涌、電壓驟升驟降等作用。

UPS系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心供電連續(xù)性的重要保障,UPS系統(tǒng)的可靠性直接影響數(shù)據(jù)中心的可靠性,同時,在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心,UPS系統(tǒng)的損耗可占IT設備能耗的10%以上。

因此,提高UPS系統(tǒng)的可靠性,同時降低其損耗,就成為數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)架構演變的主旋律。

傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)

目前,數(shù)據(jù)中心內應用最廣的不間斷電源還是傳統(tǒng)UPS,它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態(tài)旁路3部分電路組成,DC母線上掛接蓄電池,輸入AC正常時,經整流和逆變兩次轉換后為負載供電,同時為蓄電池浮充,輸入AC中斷時,蓄電池由浮充轉放電,經逆變器為負載供電,對負載來說,感受不到輸入端電源的中斷。

UPS設備的分類

從結構上看,UPS設備可以分為后備式、在線互動式、雙轉換在線式、Delta轉換在線式等類型,其中前兩種主要用于小容量負載(≤5kVA),Delta轉換在線式技術受專利保護,因此,大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉換在線式UPS設備。


UPS冗余設計

由于UPS設備結構復雜,因此自身容易發(fā)生故障,設備冗余可以提高可用性,UPS系統(tǒng)便有了N、N+X、2N、”市電+U電“等架構。


1.N系統(tǒng)滿足基本需求,沒有冗余的UPS設備。它的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單,硬件配置成本低廉;由于UPS工作在設計滿負荷條件下,因此效率較高。其缺點是可用性低,當UPS發(fā)生故障,負載將轉換到旁路供電,無保護電源;在UPS、電池等設備維護期間,負載處于無保護電源狀態(tài);存在多個單故障點。

2.N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺型號規(guī)格相同且具有并機功能的UPS設備并聯(lián)組成的系統(tǒng),配置N臺UPS設備,其總容量為系統(tǒng)的基本容量,再配置X臺(X=1~N)UPS冗余設備,允許X臺設備故障退出檢修。相對于“N”系統(tǒng),“N+X”系統(tǒng)在UPS配置上有了一定的冗余,系統(tǒng)可靠性有所提高,同時帶來了系統(tǒng)配置成本的增加、系統(tǒng)負荷率的降低以及效率降低。


N+X系統(tǒng)在成本增加不多的前提下提高了可用性,因此,在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛的應用,但是該系統(tǒng)在UPS輸出端仍然存在單故障點,實際項目中由此造成的系統(tǒng)宕機屢見不鮮。?

3.2N,為了消除單點故障,高等級數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指由兩套或多套UPS系統(tǒng)組成的冗余系統(tǒng),每套UPS系統(tǒng)N臺UPS設備的總容量為系統(tǒng)的基本容量。

該系統(tǒng)從交流輸入經UPS設備直到雙電源輸入負載,完全是彼此隔離的兩條供電線路,也就是說,在供電的整個路徑中的所有環(huán)節(jié)和設備都是冗余配置的,正常運行時,每套UPS系統(tǒng)僅承擔總負荷的一部分。
這種多電源系統(tǒng)冗余的供電方式,克服單電源系統(tǒng)存在的單點故障瓶頸,對于少數(shù)單電源設備的情況,可通過安裝小型STS設備,保證其供電可靠性。采用2N冗余系統(tǒng)可用性得到明顯提高。
4.2N冗余系統(tǒng)的缺點也非常明顯,設備配置多、成本高,通常情況下效率比N+X系統(tǒng)更低。
5.“市電+U電”供電架構由百度提出并在其自建M1數(shù)據(jù)中心規(guī)模應用,它在N+1系統(tǒng)基礎上做了改進,UPS設備配置不變,將服務器等雙電源設備的其中1路改由市電直接供電,消除了單點故障,可靠性較N+1系統(tǒng)大大提高,同時,UPS系統(tǒng)的損耗降低為原先的50%。UPS系統(tǒng)整體效率提升至95%以上。

高壓直流(HVDC)不間斷電源系統(tǒng)

盡管所有國家的市電都是交流,但是IT設備內部都采用直流供電,這就為直流供電提供了可能。事實上,通信行業(yè)采用直流48V供電已經有幾十年的歷史,電力行業(yè)也長期采用直流220V作為斷路器等設備的操作和控制電源(直流屏)。


傳統(tǒng)UPS設備存在效率低、可靠性差、靈活性和擴展性差、故障后不易修復等問題,所以業(yè)內一直在尋找替換UPS的方案。

現(xiàn)有主流的高壓直流供電系統(tǒng)圖,與通信行業(yè)48V直流系統(tǒng)架構基本一致。與傳統(tǒng)雙轉換在線式UPS系統(tǒng)的主要區(qū)別,是取消了逆變環(huán)節(jié),蓄電池掛接在直流母線,與整流器并聯(lián),同時為IT設備供電。由于直流電源拓撲簡單,因此故障率較UPS有所降低,因采用模塊化設計,可在線維護。

圖片分布式不間斷電源系統(tǒng)

UPS或HVDC通常采用集中式供電方案,集中式系統(tǒng)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)資源共享,降低成本,其缺點是系統(tǒng)故障范圍大,影響面廣。?


UPS也有小型機分布式供電方案,但是多套分布式小型機系統(tǒng)與1套集中式大型UPS系統(tǒng)相比,小型機的數(shù)量多,故障點多,成本高,因此大中型數(shù)據(jù)中心不會采用分布式UPS系統(tǒng)。

盡管有如上問題,但是對于分布式不間斷電源系統(tǒng)的探索,從來沒有停止過。谷歌和Facebook都在探索分布式不間斷電源系統(tǒng)在IDC數(shù)據(jù)機房中的應用。

1.谷歌是最早進行服務器自研定制的互聯(lián)網(wǎng)公司,同時也最早放棄了集中式UPS電源方案,轉將蓄電池分布到每臺服務器電源直流12V輸出端。


市電正常時,進入服務器電源轉換成DC12V為服務器主板供電,同時為蓄電池提供浮充電源,市電停電后,由DC12V母線并聯(lián)的蓄電池繼續(xù)給主板供電,直到柴油發(fā)電機啟動后回復交流供電。谷歌早期采用鉛酸電池供電,因服務器內部高溫導致鉛酸電池故障率高,后改為鋰電池方案。蓄電池的后備時間為分鐘級(通常為1-3分鐘)。?此方案的優(yōu)點是大大簡化了IT設備前端供電系統(tǒng),缺點是服務器電源需要深度定制。


2.Facebook自建數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)采用DC48V離線備用系統(tǒng)。為每6個9kW的機柜配置1個鉛酸蓄電池柜,輸出為DC48V,服務器電源采用AC277V和DC48V雙輸入,市電正常時作為主用,市電中斷后由蓄電池輸出DC48V為服務器供電。蓄電池后備時間為45秒。此方案的系統(tǒng)效率與240V?HVDC?Offline方案及DC12V分布式系統(tǒng)相當。


3.隨著業(yè)內對數(shù)據(jù)中心能耗關注日益增強,國內近幾年出現(xiàn)了一種新型的分布式DC240V電源設備,同樣采用離線方案,市電正常時,直接輸出市電電源,市電停電后,由內部鋰電池提供DC240V輸出。?這種方案的優(yōu)勢是IT設備無需定制,只要兼容DC240V供電即可。


其缺點是電源內部存在AC220V和DC240V的切換,系統(tǒng)可靠性降低;鋰電池串聯(lián)數(shù)量多,單只電池故障會影響系統(tǒng)的可靠性。?從實際應用效果看,某互聯(lián)網(wǎng)公司租用的數(shù)據(jù)中心一年中發(fā)生十幾起電源故障,證明此架構還需完善。

未來發(fā)展趨勢

過去,計算機作為一種非常嬌貴的設備,雙轉換在線式UPS消除了市電電能質量問題,但帶來了6-10%的電能損失以及其自身可靠性低的問題。?


通過冗余可以提高系統(tǒng)可靠性,UPS發(fā)展出主備供電、N+1冗余并機、雙總線、分布冗余等方案,相應帶來的是成本和能耗的進一步增加。

為了避免UPS設備故障率高的問題,國內提出并已規(guī)模部署了直流240V電源系統(tǒng),大部分IT設備可以直接兼容直流供電。

呈現(xiàn)如下三種趨勢:

1.從在線到離線。UPS?ECO模式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等本質上都是將電源離線,從而降低電源成本和運行損耗。

2.從集中到分布。隨著鋰電池等新型儲能設備的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代服務器快速部署、靈活擴展的需要,不間斷電源設備正在從集中到分布。

3.未來數(shù)據(jù)中心供電發(fā)展的整體趨勢是由高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發(fā)展,由機房外集中式鉛酸電池向IT機柜內分布式小(鋰)電池方向發(fā)展,從化石能源向綠色能源方向發(fā)展。


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