交直流數據中心配電方案。 電壓等級在直流數據中心中的轉化環(huán)節(jié)。 直流數據中心的重要特性。

1. 數據中心交流配電選項

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的交流電源轉換成直流電源給蓄電池充電，再轉換回交流電，在配電系統(tǒng)內降至208V，輸送給IT設備。IT設備中的電源將電能轉換回直流，并通過PSU將其降至較低電壓，供處理器、內存和存儲設備消耗，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)能模式下的運行情況。繞過逆變器的轉換，提高了效率；然而，這可能會降低系統(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格電壓調節(jié)，需要復雜的同步電路來確保可靠的電力傳輸。

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，通過將負載相向中性連接，可能會引入額外的諧波電流，抵消部分預期的效率增益。其次，由于機架電壓升高，在機架工作的IT人員對電弧閃的擔心會增加。最后，在這個輸入水平上沒有商業(yè)可用的電源供應。總而言之，這個架構需要進一步的開發(fā)。

圖3：去除中間變壓器的配電系統(tǒng)

2. 數據中心直流配電選項

對于今天尋求優(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直流電源在遠程通信網絡中有著悠久的歷史。它本質上是簡單和可靠的。通常來說，選擇48V DC作為標準有兩個原因:

i. 人們認為直流電比交流電更可靠，因為在斷電時它可以直接連接備用電池;

ii. 48V被認為是傳輸距離和人的安全之間的最佳權衡，因為它在維修和意外暴露時被認為是安全的。

a) 常規(guī)直流配電方案

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

i.  480V交流-48V直流模塊式電力系統(tǒng)

ii. 用于延長運行時間的電池組(至少8小時)

iii. 負載配電柜(BDFB/PDU)

這些元件與大型銅母線和電線連接在設備周圍，直接將電力分配給設備。在電源使用點，電源降低內部使用的直流電壓至12V。當應用到數據中心時，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，被認為是“安全特低電壓”(SELV)，提高了安全性的同時，電弧閃光也不再是一個問題。

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轉換好的直流電源分配到機架。幸運的是，有了新的基于行的直流拓撲，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據中心UPS。在這種基于行的配置中，功率在非常接近使用點的地方由交流轉換為直流，這降低了導線的尺寸和成本(見圖5)。

圖5：基于行間UPS的直流配電系統(tǒng)

數據中心正在進入一個新的成熟階段，重點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算能力�；�于行的直流電源為降低數據中心的復雜性、提高效率和實現增長提供了一種實用的、可承受的解決方案。

3. 直流配電的特性分析

a) 效率

數據中心電源架構的直流方法使用的組件比當前的交流方法要少得多。更少的組件需要更少的時間來安裝和服務，減少潛在的錯誤，提高系統(tǒng)的可靠性，減少安裝和維護成本，這使得直流方法是一個經濟有效的解決方案。根據日本電報電話公司(NTT)進行的一項研究，數據中心系統(tǒng)的可靠性有望提高10倍，這僅僅是因為它不那么復雜。此外，根據ABB等公司的計算和研究，服務器達到效率（supply-to-server efficiency）提高了約10%，減少基礎設施投資成本約15%，同時減少了大約25%的所需的空間。

b) 諧波

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

c) 負載變化

許多數據中心在很多時候運行在設計負載的100%以下，實時負載經常變化。這種變化進一步使效率建模復雜化。由于服務器以不同的速度打開、關閉和使用，三相電力系統(tǒng)的每個階段的負載都會發(fā)生變化，使得這三個階段之間的一致性變得困難。不平衡的負載降低了整個系統(tǒng)的效率，產生了額外的熱量。根據站點的復雜程度和可用工具的不同，跟蹤在哪個階段的不平衡負載是非常耗時和繁瑣的。負載平衡問題也只針對三相交流電源，與直流無關。

d) 冷卻

在IT設備本身之后，冷卻系統(tǒng)是數據中心的第二大電力用戶。不僅需要對IT設備產生的熱量進行冷卻，而且還必須抵消由功率轉換損失產生的熱量。由于需要的轉換次數較少，整體效率更高，直流電力系統(tǒng)比交流系統(tǒng)產生的熱量更少，從而降低了數據中心的冷卻能耗。根據經驗，數據中心產生的熱量每減少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間(MTBF)率和更多的正常運行時間。此外，直流UPS使用離散整流器陣列，并使用單獨的電力分配總線。這些整流器提供內置冗余，使得該系統(tǒng)可以適應任何單個整流器的故障，而不會立即影響性能或容量。單個整流器可以安全地在現場熱換出，而不會影響系統(tǒng)運行，從而最大限度地減少系統(tǒng)平均修復時間(MTTR)，而MTTR是導致系統(tǒng)無法使用的主要原因。

f) 擴展性

隨著設備和機架密度的穩(wěn)步上升，電力系統(tǒng)將成為增長的制約因素。因此，數據中心設計和擴展的模塊化方法越來越流行，“集裝箱化”數據中心的趨勢就是證明。通過將一個完整的數據中心電力和冷卻基礎設施集成到一個完全封閉的容器中，這些系統(tǒng)可以被傳送到一個地點，并迅速接入電力、通信和冷凍水系統(tǒng)，從而實現額外的計算能力。由于其內置的冗余和緊湊的占用空間，直流UPS是這些應用程序的優(yōu)秀解決方案。同樣的理念也體現在基于行的設備上，這使得現有設施的模塊化擴展或對高密度行的支持成為可能。交流和直流UPS系統(tǒng)都以行為基礎的格式提供可擴展性，但直流UPS具有內建冗余的優(yōu)點，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. 結語

直流電已經是IT基礎設施的一個基本部分：關鍵負載消耗直流電源，所有備份電源產生直流電源。此外，交流電力由電網分配。因此，問題就變成了，在什么地方將交流電源轉換成直流電源，同時提供適當的斷電保護？如果轉換發(fā)生得太早，直流電就必須遠距離傳輸，這就需要大型導體來減少損耗。如果發(fā)生得太晚，則會在流程中引入額外的轉換，這可能會降低效率和可靠性，并增加成本。

在許多應用中，功率轉換和能量存儲的理想點是盡可能接近負載。一個基于行間配電的直流配電系統(tǒng)允許在這些數據中心環(huán)境的有最佳效率，可靠性和靈活性。