交直流數(shù)據(jù)中心配電方案。 電壓等級(jí)在直流數(shù)據(jù)中心中的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。 直流數(shù)據(jù)中心的重要特性。

1. 數(shù)據(jù)中心交流配電選項(xiàng)

a) 傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)

傳統(tǒng)的交流配電系統(tǒng)是將480V的交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源給蓄電池充電，再轉(zhuǎn)換回交流電，在配電系統(tǒng)內(nèi)降至208V，輸送給IT設(shè)備。IT設(shè)備中的電源將電能轉(zhuǎn)換回直流，并通過PSU將其降至較低電壓，供處理器、內(nèi)存和存儲(chǔ)設(shè)備消耗，如下圖1所示。

圖1：傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)

b) 改良UPS的配電系統(tǒng)

近年來，制造商提高了組件的效率，并開發(fā)了新的操作模式，例如在一些UPS系統(tǒng)上應(yīng)用了“節(jié)能模式”，以提高效率。圖2顯示了AC UPS在節(jié)能模式下的運(yùn)行情況。繞過逆變器的轉(zhuǎn)換，提高了效率；然而，這可能會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。臨界載荷不再與電源隔離，也不受逆變器通常提供的嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)，需要復(fù)雜的同步電路來確�？煽康碾娏�傳輸。

圖2：改良UPS的交流配電系統(tǒng)

c) 去除中間變壓器的配電系統(tǒng)

通過消除配電過程中的降壓環(huán)節(jié)，從而向IT設(shè)備提供較高電壓。如圖3所示，從UPS獲得277V的交流輸出，并直接將其發(fā)送到服務(wù)器電源。這種方法在未來可能有潛力，但由于一些原因，目前不可行。首先，通過將負(fù)載相向中性連接，可能會(huì)引入額外的諧波電流，抵消部分預(yù)期的效率增益。其次，由于機(jī)架電壓升高，在機(jī)架工作的IT人員對(duì)電弧閃的擔(dān)心會(huì)增加。最后，在這個(gè)輸入水平上沒有商業(yè)可用的電源供應(yīng)�？偠�言之，這個(gè)架構(gòu)需要進(jìn)一步的開發(fā)。

圖3：去除中間變壓器的配電系統(tǒng)

2. 數(shù)據(jù)中心直流配電選項(xiàng)

對(duì)于今天尋求優(yōu)化可靠性和效率的組織來說，48V直流電源可能被證明是480V/208V交流配電的最佳選擇。48V直流電源在遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)中有著悠久的歷史。它本質(zhì)上是簡(jiǎn)單和可靠的。通常來說，選擇48V DC作為標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)原因:

i. 人們認(rèn)為直流電比交流電更可靠，因?yàn)樵跀嚯姇r(shí)它可以直接連接備用電池;

ii. 48V被認(rèn)為是傳輸距離和人的安全之間的最佳權(quán)衡，因?yàn)樗�在維修和意外暴露時(shí)被認(rèn)為是安全的。

a) 常規(guī)直流配電方案

在大多數(shù)配直流配電中，48V直流電力系統(tǒng)被部署為三個(gè)不同的元素，如圖4所示:

i.  480V交流-48V直流模塊式電力系統(tǒng)

ii. 用于延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的電池組(至少8小時(shí))

iii. 負(fù)載配電柜(BDFB/PDU)

這些元件與大型銅母線和電線連接在設(shè)備周圍，直接將電力分配給設(shè)備。在電源使用點(diǎn)，電源降低內(nèi)部使用的直流電壓至12V。當(dāng)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心時(shí)，很容易看到這種方法的好處。在AC/DC整流器的下游，電源完全與主電源隔離，被認(rèn)為是“安全特低電壓”(SELV)，提高了安全性的同時(shí)，電弧閃光也不再是一個(gè)問題。

圖4：常規(guī)直流配電系統(tǒng)

b) 行間UPS直流配電

傳統(tǒng)的直流配電方案需要用大型銅母線將已經(jīng)轉(zhuǎn)換好的直流電源分配到機(jī)架。幸運(yùn)的是，有了新的基于行的直流拓?fù)洌�這些配電過程不再是必要的，480V交流電源可以直接連接基于行間的數(shù)據(jù)中心UPS。在這種基于行的配置中，功率在非常接近使用點(diǎn)的地方由交流轉(zhuǎn)換為直流，這降低了導(dǎo)線的尺寸和成本(見圖5)。

圖5：基于行間UPS的直流配電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心正在進(jìn)入一個(gè)新的成熟階段，重點(diǎn)在于以更低的成本和更低的功耗可靠地向組織交付更多的計(jì)算能力�；�于行的直流電源為降低數(shù)據(jù)中心的復(fù)雜性、提高效率和實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)提供了一種實(shí)用的、可承受的解決方案。

3. 直流配電的特性分析

a) 效率

數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)的直流方法使用的組件比當(dāng)前的交流方法要少得多。更少的組件需要更少的時(shí)間來安裝和服務(wù)，減少潛在的錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的可靠性，減少安裝和維護(hù)成本，這使得直流方法是一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。根據(jù)日本電報(bào)電話公司(NTT)進(jìn)行的一項(xiàng)研究，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的可靠性有望提高10倍，這僅僅是因?yàn)樗�不那么�?fù)雜。此外，根據(jù)ABB等公司的計(jì)算和研究，服務(wù)器達(dá)到效率（supply-to-server efficiency）提高了約10%，減少基礎(chǔ)設(shè)施投資成本約15%，同時(shí)減少了大約25%的所需的空間。

b) 諧波

諧波是通常由非線性負(fù)載傳播的正常交流波形的失真。在數(shù)據(jù)中心，交流服務(wù)器中使用的開關(guān)電源代表了可以產(chǎn)生諧波的非線性負(fù)載。諧波電流積聚在中性線，造成配電損失和增加熱量的產(chǎn)生。如果諧波的累積水平(即總諧波失真)過高，就會(huì)對(duì)敏感的電子器件造成損害并降低效率，可能需要設(shè)備降額才能克服。在復(fù)雜的交流配電系統(tǒng)中，這些損失很難預(yù)測(cè)，但可能相當(dāng)大，而在直流系統(tǒng)中幾乎不存在諧波。

c) 負(fù)載變化

許多數(shù)據(jù)中心在很多時(shí)候運(yùn)行在設(shè)計(jì)負(fù)載的100%以下，實(shí)時(shí)負(fù)載經(jīng)常變化。這種變化進(jìn)一步使效率建模復(fù)雜化。由于服務(wù)器以不同的速度打開、關(guān)閉和使用，三相電力系統(tǒng)的每個(gè)階段的負(fù)載都會(huì)發(fā)生變化，使得這三個(gè)階段之間的一致性變得困難。不平衡的負(fù)載降低了整個(gè)系統(tǒng)的效率，產(chǎn)生了額外的熱量。根據(jù)站點(diǎn)的復(fù)雜程度和可用工具的不同，跟蹤在哪個(gè)階段的不平衡負(fù)載是非常耗時(shí)和繁瑣的。負(fù)載平衡問題也只針對(duì)三相交流電源，與直流無關(guān)。

d) 冷卻

在IT設(shè)備本身之后，冷卻系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的第二大電力用戶。不僅需要對(duì)IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻，而且還必須抵消由功率轉(zhuǎn)換損失產(chǎn)生的熱量。由于需要的轉(zhuǎn)換次數(shù)較少，整體效率更高，直流電力系統(tǒng)比交流系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量更少，從而降低了數(shù)據(jù)中心的冷卻能耗。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的熱量每減少1瓦，就可以節(jié)省1.4到2瓦的冷卻能耗。

e) 可用性

在系統(tǒng)層面，直流電力系統(tǒng)提供高可用性的方式有兩種。首先，直流功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)比可比的交流系統(tǒng)有更少的組件，這有助于更高的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)率和更多的正常運(yùn)行時(shí)間。此外，直流UPS使用離散整流器陣列，并使用單獨(dú)的電力分配總線。這些整流器提供內(nèi)置冗余，使得該系統(tǒng)可以適應(yīng)任何單個(gè)整流器的故障，而不會(huì)立即影響性能或容量。單個(gè)整流器可以安全地在現(xiàn)場(chǎng)熱換出，而不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，從而最大限度地減少系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)，而MTTR是導(dǎo)致系統(tǒng)無法使用的主要原因。

f) 擴(kuò)展性

隨著設(shè)備和機(jī)架密度的穩(wěn)步上升，電力系統(tǒng)將成為增長(zhǎng)的制約因素。因此，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)和擴(kuò)展的模塊化方法越來越流行，“集裝箱化”數(shù)據(jù)中心的趨勢(shì)就是證明。通過將一個(gè)完整的數(shù)據(jù)中心電力和冷卻基礎(chǔ)設(shè)施集成到一個(gè)完全封閉的容器中，這些系統(tǒng)可以被傳送到一個(gè)地點(diǎn)，并迅速接入電力、通信和冷凍水系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)額外的計(jì)算能力。由于其內(nèi)置的冗余和緊湊的占用空間，直流UPS是這些應(yīng)用程序的優(yōu)秀解決方案。同樣的理念也體現(xiàn)在基于行的設(shè)備上，這使得現(xiàn)有設(shè)施的模塊化擴(kuò)展或?qū)Ω呙芏刃械闹С殖蔀榭赡�。交流和直流UPS系統(tǒng)都以行為基礎(chǔ)的格式提供可擴(kuò)展性，但直流UPS具有內(nèi)建冗余的優(yōu)點(diǎn)，而且與同類的基于行的AC系統(tǒng)相比，其占地面積至少要少50%。

4. 結(jié)語

直流電已經(jīng)是IT基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)基本部分：關(guān)鍵負(fù)載消耗直流電源，所有備份電源產(chǎn)生直流電源。此外，交流電力由電網(wǎng)分配。因此，問題就變成了，在什么地方將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，同時(shí)提供適當(dāng)?shù)臄嚯姳Ｗo(hù)？如果轉(zhuǎn)換發(fā)生得太早，直流電就必須遠(yuǎn)距離傳輸，這就需要大型導(dǎo)體來減少損耗。如果發(fā)生得太晚，則會(huì)在流程中引入額外的轉(zhuǎn)換，這可能會(huì)降低效率和可靠性，并增加成本。

在許多應(yīng)用中，功率轉(zhuǎn)換和能量存儲(chǔ)的理想點(diǎn)是盡可能接近負(fù)載。一個(gè)基于行間配電的直流配電系統(tǒng)允許在這些數(shù)據(jù)中心環(huán)境的有最佳效率，可靠性和靈活性。