德国阳光高压直流系统重要设计及实践

德国阳光高压直流系统重要设计及实践
发布时间:2019-09-09 22:28:47
  近年来,已经建立并投入大量由HVDC系统供电的数据中心,并且还发布了相关的行业标准和规范。高压直流输电系统已被业界广泛接受和推崇,并已进入数据中心领域的快速发展阶段。本文在工程实践的基础上,分析了高压直流输电系统在大型互联网数据中心工程实践中的优势,希望能为工程施工人员提供参考。

  传统的数据中心行业一直使用UPS系统或低压直流系统(48V)电源。随着互联网数据中心业务的不断快速发展,传统的UPS供电模式已经在许多实际应用中暴露出来,例如:

  (1)系统效率低;

  (2)系统灵活性和可扩展性低;

  (3)系统复杂,可靠性差;

  系统维护难度大。

  为了提高运营效率和可维护性,增加系统部署的灵活性,降低成本以应对海量数据中心服务器规模的快速增长,我们的大多数项目都采用高压直流(240VDC)供电系统来为IT供电设备。在项目实践中,HVDC系统比过去的UPS系统要好得多。

  1.数据中心电力系统方案

  传统的交流UPS系统由整流器,逆变器,电池和静态开关组成。当市电正常时,市电交流电由整流器转换为直流电,为逆变器供电,同时为电池充电,逆变器将直流电转换为50Hz交流电为负载供电。当市电不正常时,电池释放电能,通过逆变器将电能转换为交流电,为负载供电。

  高压直流输电系统主要由交流配电单元,整流模块,电池,直流配电单元,电池管理单元,绝缘监测单元和监控模块组成。当市电正常时,整流模块将交流配电单元的380V交流输出转换为240V HVDC,通过直流配电单元为通信设备供电,同时给电池充电。当市电不正常时,电池将为通信设备供电。其原理图如图1所示。

  在数据中心的早期项目中,大多采用交流UPS供电方案。但是,逐渐在大量数据中心的设计和运行中,我们发现交流UPS电源的使用存在很多问题,例如:

  (1)系统工作效率低。采用AC/DC整流器和DC/AC逆变器的双变换。从UPS输入到通信设备的电力转换频繁,每次转换都有能量损失,降低了系统的供电效率。

  (2)系统稳定性不高。与直接连接到输出总线的HVDC电池不同,UPS电池不能直接馈入负载,必须通过逆变器模块转换为交流输出。因此,如果逆变器模块发生故障,即使此时电池正常,也不能实现电源负载;

  (3)机器复杂,负载率低。为了提高可用性,通用UPS采用“N+1”并行冗余或“2N”或2“N+1”架构。由于并行机的复杂性,在正常情况下只有2到3台并联机。假设N=1,则每台UPS的理论最大负载率为:2N系统为50%,2“N+1”系统为25%。2N系统的实际负载率为30%~50%,2“N+1”系统的实际负载率为15%~25%。在如此低的负载率下,UPS的系统效率将进一步下降(模块化UPS可以采用节能休眠技术来提高低负载率下的效率)。

  (4)可维护性差。Ac UPS并联机系统复杂,如果出现故障,往往需要制造商的维护人员进行操作,不间断切换困难。HVDC系统结构简单,易于维护。HVDC模块支持电加热插拔,可快速更换。


  从成本和可靠性优化的角度出发,HVDC系统应运而生。1999年,第21届INTELEC99(哥本哈根)会议上,法国电信首次提出了高压直流输电的概念。2007年,江苏电信开始试用240V(工作电压204-288v)高压直流电源产品。目前,以腾讯为代表的互联网行业大多数数据中心都采用了240V HVDC供电系统。与传统UPS技术相比,240V HVDC技术具有以下优势:

  (1)系统功率高。采用功率MOS高频软开关技术的240V HVDC效率≥96%,比传统的晶闸管IGBT更高效,更小。高压直流输入功率因数高,谐波小,输出负载率可高于UPS,可降低柴火的容量。节能休眠技术可以大大提高轻载下的系统效率,降低机房初期的运行能耗。

  (2)系统稳定性高。电池直接挂在输出总线上,具有更高的可靠性,无需电源切换即可在线扩展。结构简单,可靠性高;

  (3)可维护性高。模块化设计,按需配置,增长和投资。模块热插拔维护,更换硬盘更换故障模块,减少对厂家维修服务的依赖;

  (4)安全性高。HVDC比传统UPS更安全,因为即使输出浮动,冲击电压仅为135V,比交流电压低近1倍,交流220Vac的峰值正弦波电压高达314V,这也是高于HVDC 270V。

  此外,240V HVDC可以直接用于大多数标准交流设备(380V HVDC和其他电压等级都没有),IT设备不需要定制电源和设备改造,IT易于推广。

  2.数据中心高压直流输电系统的设计比较

  在HVDC供电系统的设计中,我们将遇到如何选择系统架构的问题。我们需要在系统的安全性和可靠性与工程建设的经济性之间做出选择。

  这里介绍几种主流供电系统结构,供工程师根据实际情况和负载重要性等多种因素灵活选择。

  (1)方案1:双电源HVDC单电源系统(如图2所示)

  系统结构简单,施工投资小。缺点是服务器输入来自相同的HVDC电源系统,并且系统在电源侧具有单点故障瓶颈。

  (2)方案2:HVDC双电源系统的双电源(如图3所示)

  与高压直流单双电源供电系统相比,双电源系统的高压直流双电源在每个列的集水箱配置输入电源分别来自两套供电系统,消除了系统的风险。单点故障,提高供电可靠性,缺点是系统配置采用2 n方法,系统冗余更大,建设投资。

  (3)方案3:双电源(如图4所示)

  这种方式的主电源,一路沿着高压直流电源形式的双电源供电方式,消除了系统瓶颈的单点故障,提高了供电的可靠性,并且每个框架提供交流/直流两个电源,而城市没有电能转换电路,可以在很大程度上提高系统的效率。

  3.“主电源+HVDC”与传统UPS电源架构的比较

  目前,新建的互联网数据中心集成了成本和可靠性,并采用计划iii,即市政电源和高压直流电源。在下面的部分中,我们将从设备占用的空间和电力利用效率的角度进一步比较“市电+高压直流”与传统的UPS电源结构。

  图5显示了从低压侧到服务器的“2NUPS”和“主电源+240VHVDC”的电源拓扑结构。目前,数据中心最广泛使用的容量水平约为400kVA,UPS负载的典型功率因数值为0.8~0.9,转换为360kW,相当于同一功率的单个1200A HVDC系统。即,将两套400kVA“2NUPS”与360kW街道电源的混合电源架构和另一条360kW“240VHVDC”道路进行比较。两者的容量基本相同,电源可靠性基本处于同一水平,具有可比性。


  之前由于变压器和输入电平基本相同,这里不再从变压器输出柜,不间断电源系统,输出配电柜,端柱头罐,比较多级分布,如定量的起源分析资金成本和配电柜数量的分布,这将影响房间占用空间,场地租赁成本等。

  (1)低压配电侧

  对于400kVA的UPS,需要两个约800A的框架断路器将变压器的输出侧馈送到UPS,一个连接到主电路,另一个连接到旁路,占用整个低压配电柜。因此,两套UPS占据两个整体低压配电柜。而对于“电源+240VHVDC”电源架构,市电直供电源直接由低压总线直排低压配电柜直接输出多个通道到每个列头柜,如低压配电柜有5个250A抽屉式塑料外壳开关,输出五个直接连接五个主电源直接供应柱头柜。HVDC系统只需要一个800A的框架断路器,它占据低压配电柜的一半,而剩下的800A框架开关则用于另一套HVDC系统。因此,低压侧2N的UPS系统需要2个整体式低压配电柜,共有4个800A的框架断路器;而低压配电部分的“市电+240VHVDC”系统将占据低压配电柜的一半,即800A机架式断路器,以及整个低压配电柜,配有5个250A塑壳断路器。

  (2)不间断电源系统

  考虑到相同的负载大小和相同的15-30min备用电池时间,理论上电池安培小时应基本相同,此处不再进行进一步的比较。考虑不间断电源系统本身。对于400kVA UPS,通常有一个输入配电柜,两个主机柜和一个主输出开关。共有四个配电柜。对于1200A“240VHVDC”也类似于输入配电柜,两个整流柜和一个输出保险丝配电柜,共四个机柜。可以看出,电池和不间断电源系统的机柜数量和占地面积差别不大,每个系统占用四个不间断电源系统机柜。然而,这个配电楼,城市直供电分支没有任何开关和配电柜。因此,2N的UPS架构占用8个机柜,而“电源+240VHVDC”架构仅占用4个机柜。

  (3)输出配电柜

  每组400kVA的UPS输出通常需要800A或630A框架断路器和每个柱头约5个250A抽屉,因此每组UPS配电柜的输出将占用两个配电柜,即800A框架断路器和五个250A塑壳断路器。因此,两个2N UPS系统总共需要四个配电柜,两个800A框架断路器和十个250A塑壳断路器。而对于“电源+240VHVDC”系统,电源直供电源分支不需要配电柜和开关,也适用于“240VHVDC”系统,因为其输出分配已包含在电力系统输出保险柜中,因此无需额外输出配电柜和输出开关。

  (4)柱头柜水平

  基于相同的单个机柜的总功率和功率密度来计算,2N UPS和“市政电源+240VHVDC”两种方案在列头柜和配电开关的数量上可以考虑基本相同,但会略有破坏和电缆方面会有一些差异,成本也不同。Dc微切割比交流微切割更昂贵,因此配电空气开关“电源+240V”结构的成本将更加昂贵。在电缆投资方面,UPS系统增加了两套输出配电柜和电缆,以及旁路电缆的手动维护。由于240V HVDC是单相电源,从HVDC到柱头机柜的单相电缆输出成本将略高于2N UPS的三相传输电缆的成本,但总功率相同,并且铜消耗量的差异不会很大。可以认为“电源+240VHVDC”电缆的总投资不会超过2N UPS电缆的总投资。

  综上所述,电源容量为360kW主电源+240V HVDC,与2N UPS相比,减少了配电柜的数量。根据项目经验,一次性投资将减少约42万元,节省约37.5%的投资成本,并节省六个以上配电柜的面积。前面分析了一些一次性投资成本CAPEX和占地面积的比较。对于数据中心而言,较长的生命周期处于运营阶段,而运营成本构成的很大一部分是电力。接下来,我们将继续分析OPEX的功耗成本。对于360kW系统,根据320kW的实际负载估算,并分别比较8年生命周期中2NUPS和主电源+240VHVDC之间的总电费差。

  UPS系统的效率通常随着负载率的增加而增加。如果UPS系统长时间处于轻负载状态,则测量的运行效率未达到要求保护的最大效率点。对于2NUPS架构,每台UPS的负载率通常仅在30%到40%之间。尽管UPS的最高效率为94%,但实际运行效率可能仅为90%左右。对于“240”VHVDC系统,由于电池直接铰接式总线和高压直流系统是允许节能休眠,监控器会自动开启需要工作的电源模块数量,并使电源系统可以在最高效率点附近的所有负载情况下工作,即高压直流可以在满负载范围内提供超过94%的效率,而基本电源直接为电源提供100%的电源效率,所以+240 V电源HVDC集成电源效率为97%。

  由于每个kWIT需要由不间断电源系统供电,通过90%效率2NUPS架构每年损失320kW IT负载高达224,300元(估计为每千瓦时0.8元),以及“市政电力”的损失+240VHVDC“是67,300元。此外,电力室内不间断供电设备产生的热量需要通过额外的空调系统带走,并且需要考虑这部分空调能耗产生的电费。为了简化分析,电气空调的冷却能效估计为COP 4.这样,数据中心八年生命周期中的320kW IT负载仅计算不间断电源的效率损失系统和动力室的空调能耗。2NUPS供电结构的电费为224.32万元,“市政电+240VHVDC”的电费为67.28万元,节省运营电费157万元。

  综上所述,具有相似可靠性和输出容量的2N配备400kVAUPS和“主电源+240VHVDC”电源架构,容量为360kW。在320kW负载模式下,与传统的2NUPS架构相比,主电源+240VHVDC电源架构减少了42万元的投资,节省了6个配电柜。在机房运行的八年生命周期中,它还节省了157万的运营电费。如果转换为TCO,只有CAPEX和OPEX的电费将节省200万元。

  高压直流输电系统在数据中心的实践

  腾讯第三代数据中心供电系统采用“市政电源+240VHVDC”系统架构。当ECO模式开启时,电源效率高达近98%,比双通道HVDC系统节能2%以上,比传统UPS节能6%以上。此外,轻载下的节能效果尤为明显。当ECO模式的负载为30%或更低时,HVDC系统的总节能量高达10%,不计算电力系统散热带来的额外节能效益。

  在过去两三年对腾讯数据中心基础设施事故进行统计后,我们发现UPS故障频繁发生,占总数的9%。基本上,每年都会发生4到5起由UPS故障引起的服务器功率损耗的恶性事故。但数据中心采用高压直流电源,虽然偶尔出现整流模块故障,但绝不会因高压直流电源系统故障而导致服务器发生电气事故的发生(腾讯自2010年起采用高压直流技术,目前库存)在高压直流输电系统数量上占绝大多数,因此从基础设施故障频率测量的角度来看,数据中心采用高压直流电源可靠性高于使用UPS电源数据中心。

  我们继续从基础设施故障引起的服务器功耗总量的角度进行分析,高达41%的服务器功率损耗是由UPS故障引起的。虽然UPS故障仅占总次数的9%,但其中一次UPS故障影响了数千台服务器,故障非常严重。另外,由于高压直流供电室没有出现由于高压直流供电系统问题引起的服务器断电事故,所以从那个层面来看,受高压直流系统故障数量影响的服务器为零,采用高压直流电源可靠性数据中心有很大的提升。

  5结论

  通过对大量项目设计和运行经验的回顾和总结,高压直流输电系统在数据中心工程实践中的优势非常明显。特别是对于大型互联网数据中心,考虑到综合建设的灵活性,成本,可靠性,可维护性等因素,高压直流输电系统已成为数据中心供电方案的首选。