数据中心双路供电最佳效率模型分析(2)

发布时间：2019-01-16 14:04 所属栏目：52 来源：UPS应用

导读：如采用新的双路供电模式,既采用一路市电、一路高压直流电源为IT设备供电,可有效降低UPS设备的工作损耗。 ①工作模式一(均分模式)情况下,市电供电回路侧的电源转换损耗将降低至最低,而高压直流电源侧的工作效率比同

数据中心双路供电最佳效率模型分析

如采用新的双路供电模式,既采用一路市电、一路高压直流电源为IT设备供电,可有效降低UPS设备的工作损耗。

①工作模式一(均分模式)情况下,市电供电回路侧的电源转换损耗将降低至最低,而高压直流电源侧的工作效率比同负载率的UPS设备高1%～2%左右,因此新的双路供电系统的工作效率比UPS双总线系统高3%～8%;

②工作模式二(主备模式)情况下,市电供电回路侧的电源转换损耗将降低至最低,配电线路损耗略有提高,而高压直流电源侧将处于空载运行状态,综合考虑新的双路供电系统的工作效率比UPS双总线系统高8%～12%,此时高压直流电源设备的空载损耗将对整个系统的效率产生明显的影响,高压直流电源设备的空载损耗越低整个系统的工作效率越高,工作效率计算公式为

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(2)

针对IT设备电源侧,忽略交流或直流配电线路上的损耗,IT设备双路电源的整体供电效率依赖于两路电源模块不同工作模式及输入电源的制式。IT设备双路电源模块总的效率计算公式为

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(3)

式中,X—第一路电源模块的负荷比例;

η1—第一路电源模块的供电效率;

η2—第二路电源模块的供电效率。

由式(3)可看出,η是由可变的带载百分比X,以及由于X的变化导致的η1和η2的变化共同决定的,而η1和η2又由两路供电线路的电源系统效率特性曲线所影响,当采用市电主用高压直流热备的工作模式时,可简单认为X=1。所以要获得η的最大,需要合理选取X(第一路电源模块的负载比例),公式(3)中没有体现电源模块空载状态的内部损耗,如IT设备的电源模块空载损耗过大,则会降低整个系统的输出效率。因此不能简单认为100%由市电供电,即X=1就可获得最大效率输出。

依据式(3),影响IT设备电源模块效率的关键因素包括η1,η2效率曲线及电源模块的损耗。电源模块的效率与负载率关联曲线参见图5,负载率在50%时,效率达到最高点,因此如不考虑电源模块的空载损耗,同时IT设备工作在电源模块满负荷情况下,则IT设备双路电源模块选择均分工作模式时，也即每个模块输出50%负荷时，整体工作效率最高。

服务器电源模块存在三种工作工况:

①铭牌功率:指的是服务器电源铭牌功率;

②最大工况:指的是服务器系统工作在最大用电负荷时耗电功率;

③典型工况:CPU工作在100%利用率时耗电功率。

从图5中可以注意到服务器最大工况是铭牌额定值的80%,这是因为服务器厂家在选择电源模块时考虑20%的功率富余。而典型工况大概是铭牌额定值的67%。事实上服务器正常工作时的功耗小于典型工况。参见图5,以电源模块负载率50%为对称轴,负载率高于50%时,效率值略有下降,但高于对称负载率低于50%处。假定电源模块损耗可分为固定的空载损耗和可变的负载损耗,根据实际测试数据,空载损耗可控制不高于铭牌额定值的1.5%左右。基于以上三个因素,IT设备双路电源模块选在主备模式时(主用模块负担100%,热备模块负担0%),整体工作效率处于最佳状态。

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4 市电直供影响及对应措施

市电直接给服务器供电的方式由于浪涌保护、谐波*、短路保护和交直流布线的复杂性增加,会给供电系统可靠性带来不利的影响。因此市电直供电源系统的雷电过电压保护应使用分级保护,逐级限压的保护措施。鉴于数据设备重要性,市电直供条件下应增加雷电过电压精细保护,做好绝缘配合。另外,市电直供系统与其他备用UPS(交、高压直流)系统之间也应具备相应的等电位措施。

市电直供系统各级防雷器及设备抗力配置应满足如下技术要求:

①变压器低压侧或者总低压配电柜应配置最大通流容量不小于60kA的防雷器;

②数据机房市电入口处(或总配电柜)应配置最大通流容量不小于60kA的防雷器;

③在分配电柜应配置最大通流容量不小于40kA的防雷器;

④数据设备等终端用电设备交流电源端口应具备2.5kV(1.2/50μs、8/20μs组合波)的抗力水平,其包括市电供电端口和备用UPS电源端口的差模、共模以及市电和UPS电源端口之间的抗力水平。

⑤备用UPS(交、直流)供电系统由于具有整流和(或)逆变装置,其具有很好的浪涌隔离作用,同时电池也具备一定的浪涌衰减作用,因此主要考虑由于等电位不均衡所导致的设备间电位差问题。当IT设备分布在不同楼层或分布范围很大时,应在电源设备输出端和负载端(一般是列头柜内)安装最大通流容量不小于15kA的防雷器。

5 结束语

通过本文的分析,可以看到在市电和高压直流混合供电的系统中,在电源模块空载损耗较小的情况下,综合考虑电源变换环节和IT设备电源模块两部分因素,可以推出市电负担100%负载+高压直流热备时整个供电系统(含IT设备电源模块)处于最佳工作效率。

但市电直供+高压直流热备供电系统引入数据中心领域前，亟须解决一些技术问题，例如研发支持服务器电源主备工作模式的系列电源产品，这些问题都需要运营商技术部门与设备厂家携手解决。只有具备可靠、成熟的技术解决方案,市电直供混合供电系统才可能在数据中心领域大规模应用。