日前,由中國勘察設計協會電氣分會、中國建設科技集團股份有限公司主辦的“全國電氣技術交流大會”在上海隆重召開。本大會旨在為設計單位和生產企業提供電氣技術的學術交流平臺,共議電氣行業發展方向,探討電氣行業目前出現的熱點、疑難問題,促進電氣行業技術發展與進步。

全球動力管理公司伊頓作為協辦單位出席大會,伊頓電源大中華區應用技術總監王偉在大會上分享了現代數據中心供電制式的發展與電氣設計,從發展背景、現存問題、應用分析、發展趨勢等對數據中心多種供電制式進行剖析,為 5G 和云時代供電制式選擇提供參考。

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伊頓電源大中華區應用技術總監 王偉

王偉在分享中提出,層出不窮的各類線上應用場景正在使企業加速“上云”部署,數據中心也從服務中心演變成了生產中心,從成本中心演變成為了效益中心,從支撐業務轉變為驅動業務發展。5G 和云計算的加速部署趨勢下,超大規模、大型以及邊緣數據中心等多形態數據中心齊頭并進,成為角色多元的新基建數字底座。

作為數據中心穩定運行的重要支撐之一,供電系統通過創新技術,加強其雙生命周期表現,助力數據中心達到更高可靠性、可用性的同時,兼顧卓越能效管理水平,從而實現更低的 TCO,正在成為設計院、生產廠商爭取更大市場機會的重要砝碼。

在演講中,王偉介紹了數據中心供電制式發展的背景,根據采用的電源性質與運行方式不同,構成了不同的數據中心供電制式,并重點介紹了伊頓交流直供供電制式在現代數據中心規模化應用的技術與效益優勢。

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數據中心 UPS “交流直供”供電制式

交流直供供電制式的定義:

正常路徑:在旁路市電供電正常時,UPS 經過旁路開關直接給數據設備負載供電;

后備路徑:在旁路市電供電中斷或超限時,雙變換供電或“蓄電池經 UPS 的 DC/AC逆變器”給數據設備負載供電;

緊急路徑:當 UPS 設備故障時,UPS 將不間斷地轉靜態旁路,市電經由 UPS 內置的旁路電子開關給數據設備供電。

中國電網技術的建設與發展,帶來了數據中心供電環境的穩定性,2N 高/中壓不同源、雙市電供電回路設計,進一步降低了市電停電的概率。據伊頓對在網 UPS 工作狀態數據統計顯示,超過 99% 的時間市電處于優良的供電狀態,僅有不到 1% 的時間需要后備電池供電。

為此,伊頓推出了具有專利技術的交流直供制式。這一制式可在不改變傳統 UPS 供電制式的電路結構、配電線路、配電開關等任何部件的情況下,只需升級到一套具有主回路休眠功能的伊頓標準 UPS 產品就可實現。該 UPS 在市電網正常時,市電通過 UPS 旁路向負載供電,而主回路的整流、逆變器處于休眠狀態,當市電超限或故障時轉到雙變換模式向負載供電,這一切換的典型時間僅為 2ms 不到,充分滿足負載“不間斷”的供電要求。

伊頓交流直供制式完全適應中國公共電網的要求,為數據中心 IT 負載提供最高安全等級的輸出電壓保證,尤其是當今數據中心 UPS 帶載率普遍在 50% 以下的輕載現狀,在 ESS 模式下運行,伊頓系列 UPS 的最高實用效率可高達 99%,實現理想的“無損”節能工作。

這一技術的技術原理和性能指標完全不同于其它友商傳統的 ECO(旁路優先)模式。

UPS 雙變換供電制式

UPS雙變換供電制式是目前市場上應用最久、最廣的供電模式。

UPS 雙變換供電制式的定義:

正常路徑:在市電供電正常時,UPS 經過 AC/DC 和 DC/AC 的兩級變換給數據設備負載供電;

后備路徑:在市電供電中斷時,蓄電池經 UPS 的 DC/AC 逆變器給數據設備負載供電;

緊急路徑:當 UPS 故障時,UPS 將不間斷地轉靜態旁路,市電經由 UPS 內置的旁路電子開關給數據設備供電。

顧名思義,雙變換 UPS 需要進行兩次電力交換來實現對負載的供電,所以效率損耗較大,通常有高達 4-12% 的損耗,在數據中心通常的 50% 負載下,這一損耗通常更大,這成為制約現代大型數據中心 PUE 提高的主要因素。

近年來,雙變換的 UPS 產品在節能降耗方面也做了大量的技術發展,其中最重要的發展就是 UPS 技術從工頻機向高頻機發展,從二電平向多電平發展。智能電子升壓淘汰了電壓器的磁耦合升壓,卓越的多電平諧波控制技術,這些不斷創新的技術的運用使 UPS 的雙變換效率達到了 96% 以上,諧波也控制在了小于 3% 的范圍。

其次,基于對可靠性和可維護性的綜合要求,UPS 產品也已經從 B 級的塔式一體機和 C 級的小模塊插拔機向著 A 級的大模塊組合機方向發展。伊頓 9395 UPS 作為市場典型的 A 級大模塊組合機,通過多模塊組合、三路供電和多 DSP 控制技術等,確保了 UPS 產品可靠性;并通過使用主功率模塊組件的在線維護技術大大提升了產品的可維護性。

另外,UPS 的大模塊化設計可以使產品兼具單機和并機的優點,在并機系統中所有模塊互為備份、靈活配置,提高系統可靠性的同時實現靈活的冗余擴展性,提高 UPS 的容量交付能力,伊頓 9395 系列 UPS 容量最大可達 1200kVA。

第三,雙變換 UPS 正向著兼顧儲能系統應用的方向發展。儲能型 UPS 可與電網進行更好的雙向協同,通過移峰填谷降低用電成本。

伊頓通過技術創新,將優化成本、改善運營等客戶期待付諸于實踐,希望幫助客戶提升能效,從節約能源和較少碳排放角度增加客戶的收入與盈利能力,助力客戶實現可持續發展。

伊頓 Power Xpert™ 9395 系列 UPS

HVDC 供電制式

基于絕大部分原先由 AC 220V 供電的數據設備負載可以直接用 276V 直流供電,近年在中國市場衍生出了高壓直流 HVDC 供電制式。

HVDC供電制式的定義為:

相對于24V/48V通信電源,276V電壓較高,所以被定義為HVDC(與電網的HVDC無關)。

正常路徑:在市電供電正常時,HVDC經過AC/DC變換輸出直流電(276V或380V)給數據設備負載供電;

后備路徑:在市電供電中斷時,蓄電池經直接給數據設備負載供電;

緊急路徑:無

你所理解的 HVDC 供電制式是這樣嗎

事實上,HVDC 是三級變換,并不是一個節能產品,最新的 HVDC 產品效率在 96.5%-97%,典型的 HVDC 模塊效率僅達 94%-96%。同時,無應急供電路徑及電池直掛負載母線的問題,都給數據中心埋下隱患。

在應用方面,HVDC 模塊容量小,需要更多的模塊并聯組成系統所需容量,降低了系統可靠性。HVDC 供電制式無法給部分網絡設備供電,會導致交流、直流在 IT 端的混合供電,也無法給數據中心關鍵物理基礎設施風機、冷機水泵等設備供電,這將使 HVDC 電源與 UPS 在數據中心并存,導致電源品類管理與維護的復雜化。

另外,相對于交流供電,將降低數據中心的安全性。實驗表明,交流服務器輸入端的撥動開關、交流 PDU 如果直接采用直流供電,在分斷電流時將出現拉弧、燒毀或燃燒等現象的概率會顯著提高。

MVDC 供電制式

MVDC(巴拿馬電源)在 HVDC 技術之后,被下一代超大規模數據中心視為供電系統的又一新選擇。

MVDC 是由中壓 10kV 交流輸入,240V/336 直流輸出的數據中心電源系統。其系統供電原理、電壓等級/制式、變換層級、輸入/輸出配電系統、電池系統,與原先的 HVDC 幾乎完全一樣,只是系統效率提升至 97%,但是中壓變壓器的設計與制造更加復雜化。同時,交付的單設備容量明顯提高,使電源工廠的系統集成能力被提高。

通過對現代數據中心供電制式的綜合剖析,伊頓期待能夠加深設計院電氣設計專家對 5G、云時代數據中心供電制式的全面理解與評估,設計出最符合客戶需求的數據中心供電系統。

伊頓一直密切關注現代數據中心行業的供電需求,基于廣泛的成功實踐,致力于為用戶的數據中心基礎設施架構提供高可靠、高可用及綠色節能的系統解決方案。針對用戶普遍面臨的節能痛點,在全球首創了專利的交流直供供電制式,這一制式不僅適用于數據中心,也適用于全行業各種關鍵應用場景,而且其性能與需求的高度匹配在全球范圍的實踐運行中得到了充分驗證。