伊顿创新技术引领现代数据中心供电制式变革

日前,由中国勘察设计协会电气分会、中国建设 科技 集团股份有限公司主办的“全国电气技术交流大会”在上海隆重召开。本大会旨在为设计单位和生产企业提供电气技术的学术交流平台,共议电气行业发展方向,探讨电气行业目前出现的热点、疑难问题,促进电气行业技术发展与进步。

全球动力管理公司伊顿作为协办单位出席大会,伊顿电源大中华区应用技术总监王伟在大会上分享了现代数据中心供电制式的发展与电气设计,从发展背景、现存问题、应用分析、发展趋势等对数据中心多种供电制式进行剖析,为 5G 和云时代供电制式选择提供参考。

伊顿电源大中华区应用技术总监 王伟

王伟在分享中提出,层出不穷的各类线上应用场景正在使企业加速“上云”部署,数据中心也从服务中心演变成了生产中心,从成本中心演变成为了效益中心,从支撑业务转变为驱动业务发展。5G 和云计算的加速部署趋势下,超大规模、大型以及边缘数据中心等多形态数据中心齐头并进,成为角色多元的新基建数字底座。

作为数据中心稳定运行的重要支撑之一,供电系统通过创新技术,加强其双生命周期表现,助力数据中心达到更高可靠性、可用性的同时,兼顾卓越能效管理水平,从而实现更低的 TCO,正在成为设计院、生产厂商争取更大市场机会的重要砝码。

在演讲中,王伟介绍了数据中心供电制式发展的背景,根据采用的电源性质与运行方式不同,构成了不同的数据中心供电制式,并重点介绍了伊顿交流直供供电制式在现代数据中心规模化应用的技术与效益优势。

数据中心 UPS “交流直供”供电制式

交流直供供电制式的定义:

正常路径:在旁路市电供电正常时,UPS 经过旁路开关直接给数据设备负载供电;

后备路径:在旁路市电供电中断或超限时,双变换供电或“蓄电池经 UPS 的 DC/AC逆变器”给数据设备负载供电;

紧急路径:当 UPS 设备故障时,UPS 将不间断地转静态旁路,市电经由 UPS 内置的旁路电子开关给数据设备供电。

中国电网技术的建设与发展,带来了数据中心供电环境的稳定性,2N 高/中压不同源、双市电供电回路设计,进一步降低了市电停电的概率。据伊顿对在网 UPS 工作状态数据统计显示,超过 99% 的时间市电处于优良的供电状态,仅有不到 1% 的时间需要后备电池供电。

为此,伊顿推出了具有专利技术的交流直供制式。这一制式可在不改变传统 UPS 供电制式的电路结构、配电线路、配电开关等任何部件的情况下,只需升级到一套具有主回路休眠功能的伊顿标准 UPS 产品就可实现。该 UPS 在市电网正常时,市电通过 UPS 旁路向负载供电,而主回路的整流、逆变器处于休眠状态,当市电超限或故障时转到双变换模式向负载供电,这一切换的典型时间仅为 2ms 不到,充分满足负载“不间断”的供电要求。

伊顿交流直供制式完全适应中国公共电网的要求,为数据中心 IT 负载提供最高安全等级的输出电压保证,尤其是当今数据中心 UPS 带载率普遍在 50% 以下的轻载现状,在 ESS 模式下运行,伊顿系列 UPS 的最高实用效率可高达 99%,实现理想的“无损”节能工作。

这一技术的技术原理和性能指标完全不同于其它友商传统的 ECO(旁路优先)模式。

UPS 双变换供电制式

UPS双变换供电制式是目前市场上应用最久、最广的供电模式。

UPS 双变换供电制式的定义:

正常路径:在市电供电正常时,UPS 经过 AC/DC 和 DC/AC 的两级变换给数据设备负载供电;

后备路径:在市电供电中断时,蓄电池经 UPS 的 DC/AC 逆变器给数据设备负载供电;

紧急路径:当 UPS 故障时,UPS 将不间断地转静态旁路,市电经由 UPS 内置的旁路电子开关给数据设备供电。

顾名思义,双变换 UPS 需要进行两次电力交换来实现对负载的供电,所以效率损耗较大,通常有高达 4-12% 的损耗,在数据中心通常的 50% 负载下,这一损耗通常更大,这成为制约现代大型数据中心 PUE 提高的主要因素。

近年来,双变换的 UPS 产品在节能降耗方面也做了大量的技术发展,其中最重要的发展就是 UPS 技术从工频机向高频机发展,从二电平向多电平发展。智能电子升压淘汰了电压器的磁耦合升压,卓越的多电平谐波控制技术,这些不断创新的技术的运用使 UPS 的双变换效率达到了 96% 以上,谐波也控制在了小于 3% 的范围。

其次,基于对可靠性和可维护性的综合要求,UPS 产品也已经从 B 级的塔式一体机和 C 级的小模块插拔机向着 A 级的大模块组合机方向发展。伊顿 9395 UPS 作为市场典型的 A 级大模块组合机,通过多模块组合、三路供电和多 DSP 控制技术等,确保了 UPS 产品可靠性;并通过使用主功率模块组件的在线维护技术大大提升了产品的可维护性。

另外,UPS 的大模块化设计可以使产品兼具单机和并机的优点,在并机系统中所有模块互为备份、灵活配置,提高系统可靠性的同时实现灵活的冗余扩展性,提高 UPS 的容量交付能力,伊顿 9395 系列 UPS 容量最大可达 1200kVA。

第三,双变换 UPS 正向着兼顾储能系统应用的方向发展。储能型 UPS 可与电网进行更好的双向协同,通过移峰填谷降低用电成本。

伊顿通过技术创新,将优化成本、改善运营等客户期待付诸于实践,希望帮助客户提升能效,从节约能源和较少碳排放角度增加客户的收入与盈利能力,助力客户实现可持续发展。

伊顿 Power Xpert™ 9395 系列 UPS

HVDC 供电制式

基于绝大部分原先由 AC 220V 供电的数据设备负载可以直接用 276V 直流供电,近年在中国市场衍生出了高压直流 HVDC 供电制式。

HVDC供电制式的定义为:

相对于24V/48V通信电源,276V电压较高,所以被定义为HVDC(与电网的HVDC无关)。

正常路径:在市电供电正常时,HVDC经过AC/DC变换输出直流电(276V或380V)给数据设备负载供电;

后备路径:在市电供电中断时,蓄电池经直接给数据设备负载供电;

紧急路径:无

你所理解的 HVDC 供电制式是这样吗

事实上,HVDC 是三级变换,并不是一个节能产品,最新的 HVDC 产品效率在 96.5%-97%,典型的 HVDC 模块效率仅达 94%-96%。同时,无应急供电路径及电池直挂负载母线的问题,都给数据中心埋下隐患。

在应用方面,HVDC 模块容量小,需要更多的模块并联组成系统所需容量,降低了系统可靠性。HVDC 供电制式无法给部分网络设备供电,会导致交流、直流在 IT 端的混合供电,也无法给数据中心关键物理基础设施风机、冷机水泵等设备供电,这将使 HVDC 电源与 UPS 在数据中心并存,导致电源品类管理与维护的复杂化。

另外,相对于交流供电,将降低数据中心的安全性。实验表明,交流服务器输入端的拨动开关、交流 PDU 如果直接采用直流供电,在分断电流时将出现拉弧、烧毁或燃烧等现象的概率会显著提高。

MVDC 供电制式

MVDC(巴拿马电源)在 HVDC 技术之后,被下一代超大规模数据中心视为供电系统的又一新选择。

MVDC 是由中压 10kV 交流输入,240V/336 直流输出的数据中心电源系统。其系统供电原理、电压等级/制式、变换层级、输入/输出配电系统、电池系统,与原先的 HVDC 几乎完全一样,只是系统效率提升至 97%,但是中压变压器的设计与制造更加复杂化。同时,交付的单设备容量明显提高,使电源工厂的系统集成能力被提高。

通过对现代数据中心供电制式的综合剖析,伊顿期待能够加深设计院电气设计专家对 5G、云时代数据中心供电制式的全面理解与评估,设计出最符合客户需求的数据中心供电系统。

伊顿一直密切关注现代数据中心行业的供电需求,基于广泛的成功实践,致力于为用户的数据中心基础设施架构提供高可靠、高可用及绿色节能的系统解决方案。针对用户普遍面临的节能痛点,在全球首创了专利的交流直供供电制式,这一制式不仅适用于数据中心,也适用于全行业各种关键应用场景,而且其性能与需求的高度匹配在全球范围的实践运行中得到了充分验证。

关于伊顿 (EATON)

伊顿公司致力于通过运用动力管理技术和服务来改善人类生活品质并提升环境质量。我们提供各种可持续的解决方案,帮助客户更安全、更高效、更可靠地有效管理电力、流体动力和机械动力。2019 年,伊顿公司实现销售额达 214 亿美元,全球汇聚了约 9 万 3 千名员工,产品覆盖超过 175 个国家。

伊顿公司深耕中国市场二十余年,于 1993 年进入中国市场,此后迅速发展其中国业务。2004 年,公司亚太区总部从香港搬至上海。大中华区约有近 9 千 8 百名员工,29 家生产制造基地和 5 家研发中心。如今,伊顿公司旗下绝大多数产品已实现中国制造。