数据中心大容量直流电源系统探讨

　　摘要：为了适应5G数据业务的发展，及由此带来的数据中心IT设备激增的趋势，迫切需要节约供电基础设施占地，从而为IT设备提供更充足的空间，这成为数据中心规划和设计逐渐显露的难题。本文以高压直流供配电系统为例，提出了提高空间利用率的设计思路和解决方案。

　　关键词：数据中心;功率密度;高压直流;HVDC

　　一、引言

　　近年来数据中心发展迅猛，正在成为社会运行发展的支柱产业。2019年是5G建设的元年。伴随着AR增强现实、VR虚拟现实、4K/8K高清、无人驾驶、全息投影，智慧家居等新兴行业的发展，海量的数据将会产生，服务器等设备的需求量将会爆发式增长，数据中心的PUE值和空间利用率问题越来越凸显。特别是针对占比最大的租赁型数据中心，非常有必要在规划设计之初就考虑IT设备的可扩展性及对应的供配电系统的高功率密度化设计。数据中心大容量直流供电系统的研究也就迫在眉睫。

　　二、数据中心组成及典型主机房设计实例

　　数据中心的组成应根据系统运行特点及设备具体要求确定，宜由主机房、辅助区、支持区和行政管理区等功能区组成。其中支持区是为主机房、辅助区提供动力支持和安全保障的区域，包括变配电室、柴油发电机房、电池室、空调机房、动力机房、不间断电源系统用房、消防设施用房等，供配电系统所占面积比例最大。大中型数据中心是指主机房大于200n?的数据中心，给出主机房面积约为330m2的典型案例，共有134台IT设备机柜提供电力支持的供配电系统放置在图1(b)的绿色框内区域。

　　主机房的使用面积应根据电子信息设备的数量应根据电子信息设备的数量、外形尺寸和布置方式确定，并应预留今后业务发展需要的使用面积皿。此例中单台机柜的面积取值约为2.46m2/台(此处省略计算过程),而按照相关国标规定，单台机柜、大型电子信息设备和列头柜占地面积可取2.0-4.0m2/台。

　　可以看出，主机房的空间布局已经接近设计值的下限。目前随着超算等业务的日益普及，高密度或超高密度机柜即将成为主流，据不完全统计，单机柜平均功耗分别为6kW、8kW和10kW的业务比例分别为50%、30%和20%,因此单机柜平均功耗约为7.4kW,则负载需求的总功率为991.6kWo当数据中心总建筑面积一定时，设备机柜功率需求越高，支持区为高压直流供配电系统提供的面积也会随之越大，相应主机房面积越小，这是数据中心的规划和设计的悖论和难题。

　　三、提升高压直流供配电系统功率密度的具体措施

　　为了解决数据中心用地紧张这一日渐凸显的问题，开展高压直流供配电系统新型解决方案的研究，从而进一步提升其功率密度的工作势在必行，本文从以下4个方面展开讨论，提出有针对性的应对方法：

　　3.1提升高压直流供电系统自身功率密度

　　不间断电源系统电池最少备用时间(柴油发电机作为后备电源时)为15mm111,选取设计中常见的典型值30min,终止电压1.75V,则上例中所需的电池容量：_1.25x/xT_1.25x4721x0.5°-ij[l+a(t-25)]—0.3[1+0.01(15-25)]=10928Ah«11000Ah'3'按照O.lCp计算充电电流，共需要llOOAo传统建设方式中，单个高压直流系统需求多以800A(240kW)整流机柜为主，采用15kW(50A)恒功率或者早期的恒流整流模块，需要991.6/15+1100/50=89个，同时考虑每10个备份1个，总共需要98个整流模块，配置7个整流机柜。最近三年，由于数据中心服务器机架的单柜功率不断提升，对于直流不间断电源单套系统容量的要求也越来越高，目前1200A(360kW)依然成为首要选择。但单系统容量经过评估，还不足以应对未来5G时代数据中心的需求变化，上例中仍然需要配置5个整流机柜。

　　而1600A(480kW)以上的整流机柜才能适应不久的将来的发展方向，上例中如果配置更大容量的25kW恒功率整流模块，相当于在270V标称电压下额定输出电流为92.6A,需要991.6/25+1100/92.6=52个，同时考虑每10个备份1个，总共需要58个，配置3个整流机柜。可见大幅缩减机位的占地面积。

　　3.2集成配电与供电一体化整体方案

　　智能功率链系统的先进理念逐渐深入人心，如果将供电环节与配电环节彻底打通并整合到一起，另外系统内采用预制式铜排直接连接，可以节省大量电缆，同时大幅缩减占用的空间，并且减小柜间的隔离通道和操作区域，通过将繁杂的工程进行产品化处理，便于快速部署，减小建设和施工周期。上例中，配合25kW恒功率整流模块，可以将该数据中心所需要的低压配电和近1MW功率等级的高压直流电源全部集成到一个系统中，代替传统的供电系统和配电系统分离式布局，实现变配电室节地30〜50%。

　　3.3研究和开发新型供电架构及对应解决方案

　　进一步把视线延伸到低压配电的更上游的中压配电,可以发现配电系统逐层分配，从10kV变压器到高压直流电源设备总共有3级配电，包括了楼层配电柜与大容量、中小容量的输入配电屏，系统非常复杂，且施工界面很多，不易维护管理，也占用了大量宝贵的物理空间。上例中，将数据中心中的中压配电柜和工频变压器、低压配电柜，高压直流整流柜和直流输出配电柜全部深度整合，衍生出集成度最高的解决方案，可以实现变配电室节约50〜70%的占地。

　　上述几种新增机柜的内部组成如下：中压配电柜采用组合电器(熔断器+负荷开关)作为终端保护器件，具有隔离及短路保护功能，同时配有接地开关，便于检修和维护。变压器柜采用MW级10kV/400V干式电力变压器,采用Dynll接线方式。低压配电柜输入引自变压器副边绕组，多分路输出，每个HVDC系统用输出开关对应5个整流模块，保证在单个支路有故障时候能够防止故障面扩大。

　　3.4优化高压直流系统的电气性能参数

　　改善高压直流系统的功率因数和效率，减少不必要的无功功率和热损耗，提高供电线路和设备的电能利用率,使得变压器、线缆、铜排，和中压、低压配电的熔断器、断路器等的容量都相应降低，同时更易于设计散热风道,不仅节省了投资费用，也减小了系统的占地面积。需要特别指出的是，一切提高数据中心高压直流系统功率密度的措施一定要以保证系统可靠性和可用性为前提。

　　例如业界公认的主流设计方案是釆用AC/DC侧隔离的功能，可避免直流侧故障扩散到交流侧，以及交流侧浪涌和故障进入直流母线以致损坏负载或电池短路。为了获取效率的微小提升而将变换器内部的高频变压器省去，采用做成非隔离拓扑，会产生很大的故障隐患。同样为了简化整流机柜内布局和降低成本而减少保护装置也会带来风险，例如业界公认的主流设计方案是每个整流模块釆用两级MCB,若干个整流模块再配置1个MCCB作为上级保护，保障即使有单个模块故障，不会造成模块故障范围扩散。而直接将多个整流模块只釆用1个断路器做保护，而不釆取多级断路器选择性保护，一旦单个整流模块故障会造成多个整流模块同时不工作。

　　四、结语

　　通过对典型数据中心实例构成的研究，提出4种提升高压直流系统功率密度的创新型措施，通过提高改善电气性能参数、增大单个整流模块的额定功率，不同系统集成度的解决方案，最大可以节约50%~70%的变配电室所占面积(参见图5的传统建设方式、与措施2.2和措施2.3分别对应的变配电室布局),数据中心的空间利用率得以大幅度改善，而且走线便捷，减小设计和施工的工作量。

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