IT設備采用240V高壓直流供電,我國已經從實驗室測試到進了信息行業應用5年多了。截止目前,在電信運營商和一些大型互聯網公司的數據中心內,已經有數以十萬計的IT設備跑在240V高壓直流環境下可靠運行幾年了,并且表現出很好的可靠性及節能效果。目前240V高壓直流技術的可行性已經得到較好驗證,相應的理論分析和實踐經驗也在不斷研究和總結中,240V直流供電技術已經成為行業熱點,并在不斷改變傳統數據中心供電以UPS為主的格局,也以遠超380V高壓直流技術的應用規模,正逐步流行中國并走向國際。
240V高壓直流技術衍生于傳統220V電力操作電源,并吸收了48V通信電源的各種優點,和傳統的UPS技術相比起來,主要的優點表現在下面幾點:1、源于最新開關電源技術,采用功率MOS高頻軟開關技術的240V高壓直流可高達96%以上效率,比采用晶閘管的傳統UPS效率更高,體積更小;2、電池直接掛在輸出母線上,可靠性更高,且可在線擴容、不掉電割接等;3、拓撲簡單,可靠性高;4、模塊化設計,按需配置、邊成長邊投資;5、模塊熱插拔維護,像更換硬盤一樣更換故障模塊,運維可以不用依賴于廠家的服務。6、節能休眠技術可以大大提升輕載下的系統效率,減少機房初期的運行能耗;7、高壓直流的輸入功率因數高、諧波小,且輸出負載率可以比UPS高,可降低柴發容量等; 8、高壓直流比傳統UPS要更安全,因為輸出浮地,即便誤碰到單極母排電壓,觸電電壓也只有135V,比交流要低近1倍,且交流220Vac的正弦波峰值電壓高達314V,也高于高壓直流270V的電壓。9、相比較目前的高頻模塊化UPS技術,240V高壓直流的技術成熟度、模塊可靠性及并機簡單、熱插拔維護等方面也有很大的優勢。10、最后,最重要的一點是,和380V高壓直流等其他電壓等級的直流技術相比, 240V高壓直流可以直接使用在絕大多數的標準交流設備上,IT設備不用定制電源及設備改造,更容易推廣,也更為容易被接受。
前面我們介紹了很多240V高壓直流技術的優點,如果只是采用240V直流系統來給數據中心來供電,那這還只是標準用法。目前業界以騰訊為首等互聯網公司提出的基于240V高壓直流技術衍生出來的市電+240V高壓直流供電架構,正進一步改變傳統UPS等靠硬件多重冗余來保障可靠性的高投入低能效模式。
對于目前大多數的雙電源服務器,可以采用如上圖所示的采用一路市電直供,另外一路來自240V高壓直流的供電架構。服務器電源內部自動均流,市電和240V高壓直流各承擔一半負載。由于市電直供支路可以達到近100%的供電效率,而240V高壓直流供電效率可以在全負載范圍內為94%-96%,這樣均分負載情況下的綜合供電效率高達97%-98%,比傳統的UPS供電架構效率高出很多。對于少量的單電源服務器,為保障其供電可靠性,可以直接掛接在240V高壓直流支路上。最后,如果能在服務器電源上做些主從設置,或者目前部分廠家的服務器具備支持休眠一個電源的功能,那么這種主從模式下,市電主供、高壓直流系統休眠后備,綜合供電效率更是高達99%,實現數據中心供電系統的超高效率。
前面介紹了很多240V高壓直流系統的優點,以及市電+240V高壓直流240V高壓直流供電架構的高效率,甚至提出未來市電主供高壓直流后備的思路,但這些是否以犧牲數據中心的可靠性為代價呢?下面部分我們重點來分析該供電架構的可靠性研究。
240V高壓直流區別于傳統交流UPS的一個重要特點是將電池直接掛接在了直流輸出上,而UPS的電池是在交流逆變環節之前。對于前者,如果高壓直流系統出現了異常或者供電能力不夠,還可以依賴電池保證持續供電;但對于后者,如果UPS的逆變環節出現故障,或者UPS設備異常轉到靜態旁路上,那么電池是無法提供持續供電的。這也是市電+240V高壓直流技術相比較傳統N+1的UPS可靠性更高的原因,相當于有了市電直供(來自第一路市電)、240V高壓直流(來自第二路市電)以及電池(短時備電)三個供電源的同時保護,因此供電可靠性會很高。
我們知道240V高壓直流系統內部是以模塊化的方式組成的,由顆粒度較細的N+1或者N+X(X為冗余電源模塊的數量)的多個電源模塊并機構成,相比較模塊化高頻UPS架構,直流模塊的并機只涉及模塊均流,只需調壓,非常簡單;而交流UPS模塊的并機需要幅度、頻率和相位一致才能可靠并機,因此240V高壓直流模塊可以很安全的去熱插拔增加或者更換故障模塊。且由于電池直接掛接在240V高壓直流輸出母線上,那么就給整流模塊提供了一個非常可靠的節能休眠條件,電源系統可以根據實際負載的情況自動開啟需要的模塊數量,而關閉其他冗余的整流模塊,實現全負載范圍內94%以上的高效率,這對于機房初期負載率不高情況下有非常明顯的節能效果,相當于市電+240V高壓直流供電架構在機房的投產初期就可以實現綜合效率97%以上,這比傳統UPS方案在低負載率下的供電效率提升了很多。如果節能休眠期間,出現負載的波動和沖擊,直掛輸出母線的電池可以提供一個很好的緩沖或者吸收作用,電源系統再喚醒休眠模塊,保證了供電的可靠性和高效性。因此在市電主供直流后備模式下,高壓直流系統不承擔負載基本可以完全休眠,采用高效率模塊只需消耗很少的能耗,綜合供電效率可以達到99%以上,且可靠性仍有很好保障。