1 传统数据中心供电系统的基本功能和现状
　　
　　(1)传统数据中心供电系统的基本功能和现状
　　
　　图1显示了现代数据中心供电系统的典型架构和工作状态,从图1可以看出,整个供电系统的架构和设备配置原则是:保障数据中心供电的连续性。
　　
　　图1所示供电系统的架构和设备组成的要点:
　　
　　①能源配置
　　
　　在图1中,整个系统是靠三种能源实现不停电供电的:
　　
　　·可连续供电的主能源——电网市电;
　　
　　·可连续运行的备用柴油发电机;
　　
　　·在主备交流能源转换期间保证连续不间断
　　
　　供电的过渡备用能源——蓄电池(UPS)。
　　
　　②冗余的输入交流能源
　　
　　主输入交流能源是电网市电,备用交流能源是备用柴油发电机,两者构成了交流输入能源的冗余功能。因为发电机可在运行中在线添加燃油,所以在有供油协议和在供油协议期间系统有足够储油的情况下,可以认为备用发电是一个可无限期连续供电的交流能源。
　　
　　③过渡备用能源UPS系统
　　
　　过渡备用能源——蓄电池是通过传统UPS设备供电的。冗余的交流输入能源存在着发电机启动延时和两种交流能源转换的断电时间,见图2中的时间T,此时间的典型值在30s左右。由于此断电时间很长,系统中的所有设备都会因交流输入断电而停止运行,IT设备和所有的供电以及制冷设备的控制系统,还有消防、安全和系统管理设备等,允许的交流输入断电时间都应控制在10ms以内。为此必须对系统中的关键设备配置UPS设备,如图2所示,需要配备UPS系统的设备包括:
　　
　　·IT设备供电系统;
　　
　　·冷冻水系统冷量储备系统(蓄冷罐);
　　
　　·冷冻水系统泵和空调末端供电系统;
　　
　　·直接膨胀(DX)冷却系统空调和室外冷凝器供电系统;
　　
　　·直接蒸发或间接蒸发冷水泵和风机供电系统;
　　
　　·自然冷却新风供电系统;
　　
　　·安全门禁等管理系统;
　　
　　·消防照明等供电系统。
　　
　　④为IT设备配置高可靠的2NUPS系统在2N系统中,IT设备具备冗余的双输入功能,交流能源、UPS系统、所有的配电设备,还有传输线缆等,都是冗余配置。
　　
　　2  当代数据中心供电系统存在的缺欠、问题与改进措施
　　
　　(1)当前数据中心供电系统运行中存在的问题:
　　
　　①系统可靠性问题
　　
　　系统复杂、设备繁多、单路经故障点多、维护难度大等,都是降低系统可靠性的原因;
　　
　　②设备容量问题
　　
　　传统的单台UPS设备最大容量在400-500kVA范围内(再大时需要逆变器并联),在中大型数据中心中,需要多台扩容并联,增大系统复杂性,降低可靠性,增加购置和运营成本;
　　
　　③系统成本和能源消耗问题
　　
　　系统复杂提高购置和运行成本、电流谐波大增加滤波设备成本和损耗、设备冗余降低了系统设备容量利用率、系统能源效率进一步提高受到限制;
　　
　　④系统标准化问题
　　
　　系统复杂为标准化带来困难,系统设计建造方案的多样性限制了供电方案和设备配置的优化设计;
　　
　　⑤系统使用维护难度问题
　　
　　要求较高的维护水平,多供应商和非标准化,增加了故障隐患排除和故障发生后的诊断和修复工作;
　　
　　(2)近年来传统供电系统的技术进步
　　
　　从用户关注的焦点和设备厂家技术改进的重点来看,针对存在的问题和相应的技术措施归纳起来有以下两个方面:
　　
　　①提高系统可用性
　　
　　·提高设备可靠性;
　　
　　·增大成本,对设备采用冗余配置,使其有容错功能;
　　
　　·对系统采用双总线冗余配置,不但UPS有容错功能,还可最大限度地减少整个系统的单路径故障点;
　　
　　·配置模块化设备(主要是UPS),有冗余功能,并大幅度降低故障修复时间;
　　
　　·提高设备智能监测和管理功能,便于维护,提前消除潜在的故障隐患;
　　
　　·采用集成化系统设计,解决系统中各类设备阻抗和连接方式的匹配问题;
　　
　　·提高系统集中管理功能,并最大限度地减少安装和维护中的人为错误;
　　
　　②抑制系统中谐波电流的产生和治理问题
　　
　　·加大零线规格和前端设备(变压器、油机、配电开关、转换开关等)容量,以便降低谐波电流的影响;
　　
　　·UPS输入6脉冲整流前加5次无源滤波器,PF=0.9,THD≤20%;
　　
　　·UPS输入改为12脉冲整流+11次无源滤波器,PF=0.95,THD≤10%;
　　
　　·UPS输入6脉冲整流前加有源滤波器,输入电流成正弦波PF=0.99,THD≤5%;
　　
　　·UPS输入改为PFC高频整流(高频机UPS),PF=0.99,THD≤5%;
　　
　　·要求负载IT设备输入开关电源采用PFC整流,降低输入电流3次谐波成分。
　　
　　(3)值得思考的问题
　　
　　值得注意的是,上面列出的所有技术改进措施都是在传统供电系统方案的框架下进行的,对IT设备供电的可用性有了明显的提高,而对于制冷系统的连续运行却没有实质性的进展。再者,有些问题是传统供电方案的固有问题,难以从根本上解决;
　　
　　有些改进措施的效果实际上是有限的;特别是有些措施在改进供电系统性能的同时,也产生了难以避免的负作用。要考虑的问题如下:
　　
　　①供电系统的现状和趋势是:系统不断复杂化;设备堆积、结构臃肿;成本不断攀升;效率难以再有效提高;五花八门,难以标准化;
　　
　　②系统可靠性问题的存在,是因为系统复杂、设备繁多和传统UPS设备本身的可靠性不高;
　　
　　③随着现代数据中心规模的继续增大,设备容量的局限会进一步增大系统的复杂性、提高成本、降低可靠性;
　　
　　④通过方案设计和智能管理提高可用性的潜力还有多大?
　　
　　⑤系统复杂,特别是为提高可用性需要冗余并机系统,供电系统设备利用率大都低于40%,这是造成系统能源效率难以提高的主要原因。大多数供电系统效率为80%左右,传统UPS在系统中实际的工作效率在85%左右;
　　
　　⑥维护难度大:系统复杂、设备可靠性不高、系统标准化程度低等,都是增大维护难度的原因。
　　
　　3 数据中心不间断供电的备用发电机系统
　　
　　(1)保障数据中心供电系统连续运行的关键和改革设想
　　
　　上节讲到的数据中心供电系统之所以如此复杂,根本原因是两种交流能源(电网市电和发电机)在接替过程中,存在着不可避免的油机启动延时和转换时间,设想如果能够消除图2中的时间T,那么整个供电系统中的各种用途的UPS设备岂不可以消失了。当前可行的措施之一,是把电网市电、柴油发电机和过渡储能设备集成在一起,就可构成本文提出的“数据中心不间断供电的备用发电机系统”。把这种系统应用到数据中心中,无异于为数据中心提供了一个可连续不间断的交流能源,使整个供电系统变得非常简单,如图3所示。
　　
　　实际上,这种把三种能源直接集成的系统,在技术上已经很成熟,就是所谓的“动态UPS”,只不过在数据中心领域尚未广泛应用,特别是在我国,由于传统观念的影响,对此技术始终没有得到足够的重视,甚至抱着极度怀疑态度予以否定。
　　
　　“动态UPS”的技术已经很成熟,德国“Piller”公司推出的“动态UPS”,在输出容量和应用场合适应能力方面,已经形成系列化产品,并在全球在多种工业供电领域得到了广泛的应用。在我国,有些研究机构已经重视并开始研发这种产品,特别是“北京泓慧国际能源技术发展有限公司”,他们在我国率先研发成功了具有完全自主知识产权、完全自主大规模制造的磁悬浮飞轮储能UPS产品,并以此产品为核心开发了多种不同应用领域的不停电供电系统,在国内和国外都有了成功应用的案例。
　　
　　(2)不间断供电的备用发电机系统(动态UPS)
　　
　　动态UPS是相对于传统的静态UPS而言的。静态UPS负载是由一个静止的逆变器供电并对供电质量进行补偿调控的,而动态UPS负载是由一个旋转的同步电机对其供电质量进行补偿调控动的。因此,静态和动态的区别并不在于是否用电池或者用飞轮来作为过渡备能源,而是在于其输出电能的方式”。
　　
　　①能源配置
　　
　　与传统数据中心供电系统一样,不间断供电的备用发电机系统(动态UPS)也要配置三种能源:
　　
　　·连续供电的主能源——市电;
　　
　　·连续供电的备用能源——柴油发电机;
　　
　　·主备能源转换期间保证IT设备连续不间断
　　
　　供电过渡备用能源。
　　
　　传统的静态UPS的过渡储能设备以蓄电池为主,而动态UPS的过渡能源有三种储能技术:
　　
　　·利用机械耦合的电磁感应储能;
　　
　　·利用电气耦合的飞轮储能;
　　
　　·利用蓄电池储能。
　　
　　②典型结构形式
　　
　　图4和图5是两种典型的结构形式
　　
　　·形式1:柴油发电机与飞轮储能集成
　　
　　把电网市电、柴油发电机和飞轮储能三者集成起来,如图4所示。
　　
　　·形式2:柴油发电机与蓄电池储能集成
　　
　　把电网市电、柴油发电机和蓄电池储能三者集成起来,如图5所示。
　　
　　③系统工作过程
　　
　　以柴油发电机与飞轮储能集成(图4)结构形式,分析一下其工作过程
　　
　　市电模式
　　
　　·市电为负载提供有功功率,同时通过电动机-发电机提供
　　
　　维持飞轮全速旋转的能量;
　　
　　·电抗器的设计确保输入输出端之间99%的谐波隔离和瞬态故障隔离,抑制电压畸变,实现纯正的正弦输出;
　　
　　·电动机-发电机作为无功发生源为负载提供实时的感性和容性的无功补偿，同时对输出电压进行实时调控，确保任何负载情况下的电压稳定性;
　　
　　·飞轮作为双向储能装置与负载端进行实时的有功功率补偿(释放和吸收),确保任何负载情况下的频率稳定性。
　　
　　飞轮(电池)供电模式
　　
　　·市电故障后,输入断路器自动断开;
　　
　　·储能飞轮转速逐渐降低,将机械能转换成电能,通过发电机绕组输出给负载供电;
　　
　　·智能的发动机延时启动功能,尽量减少发动机启动次数;
　　
　　·输出电压和频率获得精确的自主调控,确保输出电压频率的高度稳定性。
　　
　　柴油机供电模式
　　
　　·当飞轮转速低于预先设定转速时(根据负载大小灵活设定),开始启动柴油发动机;
　　
　　·启动飞轮(或电池)为发动机提供冗余的启动电力;
　　
　　·柴油发动机配备最先进的调速器和控制器,确保其带载能力及对负载响应的稳定性;
　　
　　·柴油发动机转速一旦达到1500rpm,单向离合器便自动接合,一直旋转的电动机-发电机能够有效的确保发电机的转速稳定,此时储能飞轮平缓的将负载交由发电机供电;
　　
　　·发动机和飞轮的负载交替过程,飞轮都实时对输出进行能量补偿,确保频率稳定;
　　
　　·柴油发动机为负载供电，同时为飞轮充电储能。
　　
　　(3)系统特点与性能优势(表1)
　　
　　4 结束语
　　
　　“动态UPS”在10年前就进入我国市场,但产品推广遇到传统观念的怀疑和阻扰。一个重要的理由是飞轮储能时间过短(<30s)。在我国,在传统UPS应用中,人们认为有UPS供电,系统就能连续运行,并肯定UPS蓄电池的后备时间越长越好,8h、4h、30min、最短也要大于15min。而在“动态UPS”系统中,电网市电、柴油发电机和飞轮储能(或蓄电池储能)三者是集成起来的,控制系统可精确的控制三者的动作协调性和连续性,飞轮储能(或蓄电池储能)的备用时间不再是该系统的一个性能指标。清楚这一点对该产品的推广应用的有益的。
　　
　　作者简介
　　
　　侯欣欣（1985-),女,工程师,主要从事电力电子技术方面的研究工作,曾参与多个大项目IDC机房整体供电方案设计。
　　
　　张广明,中国科学院计算机研究所研究员,中国电源学会专家委员会主席,本刊编委会主任。
　　
　　编辑：Harris