传统的数据中心大都通过UPS来实现掉电保护,通常所有IT负载都要经过UPS来供电,假定实际运行UPS的平均效率为90%(虽然目前UPS高效率是可以达到95%以上,但我们知道UPS的效率和负载率有关,如左下图所示,随着负载率的提升,效率才会变高,那么正常情况20%-40%负载率下很难会达到高效率点。根据在运行UPS的实际测试数据,绝大多数情况下的效率不高于90%),那么每100度电,经过UPS这个环节就白白损耗掉10%。不仅如此,我们还需要考虑UPS散发出来的热量需要额外的空调带走,按数据中心典型PUE为1.8来算,那么UPS环节带来的总能耗达18%,很不节能。

我们还知道UPS设备的拓扑结构比较复杂,因此其单机可靠性一直不是很高。为了解决单点故障问题,通常会引入2N,甚至2*(N+1)的冗余配置,那么这种情况下,虽然一定程度上提升了整个系统的可靠性,但带来的问题其实不少。首先,投资成本双倍增加,而且占用了很多机房的宝贵空间,并增加了运维的复杂度。其次,同前面解释过的一样,UPS系统的负载率在2N情况下会比较低,此时UPS的效率也很低,额外增加了不少电费开销并浪费了很多宝贵的能源。最后,单机UPS的容量可能不够大,那么往往会采用并机模式,同样由于UPS自身结构的复杂性,且并机要求幅度、频率、相位等同,加上并机板自身也为单故障点,并机风险较大。

很多实际发生的案例表明在市电电网正常情况下,但因UPS自身故障引起机房掉电情况。UPS是大容量危险设备,其内部电容等元件寿命只有五年,因此电容击穿、漏液短路等危险也时有发生,轻则造成系统宕机,重则导致机房着火,而且出了事故,第一时间现场无法处理,严重依赖厂商响应速度。综上所述,传统的UPS供电方案,可靠性也不是很高。或者说为了达到较高可靠性,需要把系统做得很复杂,且投资很大。

这里再补充一点关于模块化UPS的看法,虽然模块化UPS部分解决了分期投资以及可调负载率从而效率更高等问题,但同样存在多模块设计并机复杂引起的可靠性问题仍没很好解决,而且由于电池挂接在逆变器之前,也无法实现轻载下的节能休眠等功能,因此不是很好的解决办法。

高压直流技术初探

笔者作为国内较早从事高压直流产品开发,并进行后续应用研究的同行,在这里和大家一起探讨发掘,以便让此技术得到更好应用。本文主要分析比较240V高压直流解决方案的一些特点。

上图是高压直流的简单拓扑结构,很直观得展现了240V高压直流的一些特点:1、减少变化级数,整体效率更高;2、电池直挂在输出母线上,相当于提供另外一路备份,可靠性更高;3、兼容现有绝大多数IT设备的高频开关电源,用电设备几乎不用任何更改,推广非常容易;4、拓扑非常简单,可靠性提高;5、高压直流系统为模块化热插拔设计,运维非常方便。

关于240V高压直流兼容现有绝大多数IT设备的高频开关电源可行性分析,可参考拙作《交流电源的高压直流直供可行性分析》一文。鉴于此,该技术的推广门槛非常低,用电设备基本不用任何改造,经过简单测试验证后即可投入应用。国内已有多个数据中心跑在240V高压直流供电环境下,一直工作稳定可靠,因此也从理论和实际都证明了该方案可行。而且由于电池直挂母线,可作为很大的一个滤波池,滤除电网串过来的毛刺以及其它供电支路谐波的影响,给用电设备提供一个很好的供电电源。电信行业几万台设备,及多年的应用数据表明,采用240V高压直流给IT设备供电,电源的可靠性不仅没有降低,而且还提升一倍以上。

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