高压直流供电方案研究

 

 

1、单机供电方案

从前面的分析上看,我们知道高压直流系统的单机可靠性要远高于UPS单机的可靠性,因为高压直流设备内部的N+1的模块化设计,以及有电池直挂母线作为备份。虽然可以有较高的可靠性,但毕竟是单路系统,那么可以采取下图的双路供电配电结构,采用来自同一电源系统的A、B路给双电源服务器供电,虽然是假双路供电,但任何一路跳闸,另外一路仍可保证设备不掉电。这种结构的一个不足是单电源设备的可靠性还不是非常高。

2、双系统双路供电配电结构

对于一些要求超高可靠性的系统,可以采用双系统双路供电配电结构来供电,这种配置方式下可靠性非常高,不仅实现了2*(N+1)配置,还有两路电池直接挂在母线上,达到了运营商骨干网的可靠性等级。这种方式可靠性问题是解决了,但不足之处是投资成本会加大。其实很多情况下,业务的可靠性无需这么高,因此是否有新的拓扑结构来实现低成本且高可靠呢?

3、一路市电一路高压直流方案

我们这里创新性得提出如下的一路市电加一路240V高压直流的供电方案,既可以实现低成本,还能实现高可靠,非常值得推广。当然这个拓扑涉及三个问题,一个是市电直接给设备供电,是否会造成设备损坏或者掉电?第二个是直接将240V高压直流给设备供电,设备是否支持?第三个是市电直接给设备供电,以及高压直流的引入是否会引起谐波问题?

关于第一个问题,我们知道身边就有无以计数的电子设备等跑在市电电网下,正常情况下极少出现问题,那么对于性能以及可靠性要求更高的IT设备电源,也是基本没问题的。况且对于双电源设备,即便市电供电的这个电源因电网原因出现异常,270V供电的另外一个电源仍能保证系统可靠工作不掉电。当然为了保证整体系统的可靠性,市电直供输入的防雷接地等工作要做好。那么第二个问题,其实前面已经介绍过了,普通IT设备的电源绝大多数都是支持240V高压直流的(同样可参考拙作《交流电源的高压直流直供可行性分析》),除了极少数电源内部增加了频率检测等机制(完全可以通过升级软件屏蔽此功能等办法来解决),那么在前期在设备上架前做好高压直流适应性测试即可。当然少量的单电源设备可以从高压直流支路取电,仍可实现较高可靠性。第三个关于谐波的问题,我们知道传统的UPS采用的是晶闸管不控整流技术,不管是6脉冲还是12脉冲,单靠UPS设备是无法达到很低的电流谐波的,那么高的谐波电流不仅影响运行可靠性,造成能源浪费的同时还可能被电网公司罚钱,而高压直流技术则没有此问题。原因是高压直流设备采用成熟的功率因数校正技术,功率因数很高且谐波很小基本可以达到A类机房的要求,无须再配置额外的谐波治理设备。同样现在的IT设备采用的高频开关电源,且谐波也很小,因此市电直供部分也无须谐波治理,配电结构非常简单。

继续分析这个拓扑结构的可靠性,从前面的UPS单机可靠性以及高压直流单机可靠性数据来比较这种拓扑结构和2N配置的UPS(市电可靠性按99.86%来算,目前大多数数据中心所在城市的电网可靠性基本都可达到此值)。根据计算可以得到如下可靠性:

2N UPS可靠性:1-(1-0.99999)*(1-0.99999)   10个9

一路市电一路高压直流可靠性:1-(1-0.9986)*(1-0.9999999)  10个9

我们发现一路市电一路高压直流方案的可靠性和2N的UPS配置差别不大,基本是一个量级的。那么鉴于此这种方式可以省去一路UPS的投资,而且省去那一路的UPS带来的电费也相应可以省掉, 意味着可以带来capex和opex的大大节省,下面我们再来好好算这笔帐:

假定一个大型数据中心有10万台服务器,每台服务器按200W功耗计算,在相同的可靠性下计算。

先来算capex:

传统2N UPS方案,按单机800KVA的UPS来算(若按400KVA系统算,会省钱更多),每台含电池120W算,需要投资120W*2*10万*0.2KW/(800KVA*0.9*0.8)=8330W;

一路市电一路高压直流方案,按单机140KW的高压直流系统,每台含电池30W,需要投资30W*1*10W*0.2KW/(140KW*0.85)=5042W。

节约投资3288W,这里暂且还没考虑2N UPS方案下需要低配、旁路、隔离变压器、谐波治理、STS等等配电环节的额外投资,因此总体算下来,capex方面可以减少投资5000W以上。

而且这里计算的高压直流价格偏高,随着高压直流技术的成熟,未来价格有很大的下降空间。另外补充一点,由于高压直流输出电压范围很宽,那么相应的电池放电电压也宽,因此可以比UPS配置更少的电池。此外功率因数高谐波小,柴发的容量也可以少配置很多,总体成本低。最后高压直流系统可以以列头柜方式放置在机房中,无须再配置UPS电力室,因此可以减少机房辅助区域的面积,提升机房的空间利用率,获得更多投资回报。

再来算opex;

由于一路市电加一路高压直流方案,市电支路上几乎100%利用率没有损耗,而高压直流支路上由于有节能休眠功能,可在任何负载下都可达到93%以上的效率,那么综合效率可以达到96%以上,而2N的UPS方案我们仍按实际效率90%来算,因此前者至少节能6%。

同样以10W台服务器规模,每台服务器200W功耗,按PUE为1.7及典型峰平谷电价下来为7毛钱来算,那么年节省电费:10W*0.2KW*1.7*8760小时*0.7元*6%=1251W

综上所述,采用一路市电加一路高压直流方案,可节省投资5000万,且每年节省电费1250W,非常可观,而且高压直流的运维非常简单,大大减少一线人员的工作量。

结语

随着数据中心技术的发展以及降低运营成本和节能减排的需求,高压直流技术不管是在节能、投资成本、可靠性以及运维便捷性等方面较传统的UPS都有明显优势,随着高压直流供电方案在大型的互联网数据中心等场合的越来越广泛应用,将逐步成为未来数据中心供电的趋势。

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