绿色数据中心如何正确选用能源供电系统

中国电源学会    王其英

 

1  绿色数据中心能源供电系统的含义
　　数据中心供电系统一般由市电、后备发电机、UPS和配电系统构成。一般重要的数据中心大都采用了双路市电、冗余发电机和冗余UPS系统。这里的“绿色”主要是就UPS系统而言。这是因为市电只需向供电局提出容量需求即可，发电机当前的水平，各个厂家的产品相差无几，只有UPS的差别甚大，产品是否绿色的标志也很明显。所谓绿色，主要指的是节能减排，当前的工频机结构UPS和高频机结构UPS在节能减排上主要有以下几个区别：
　　（1）输入功率因数
　　中大功率的三相工频机结构UPS在6脉冲整流的情况下输入功率因数约为0.8，不但对外有干扰，而且要求前面的发电机功率要3倍于UPS容量；即使在12脉冲整流选配谐波滤波器的条件下输入功率因数也低于0.95，而且设备量几乎增加三分之一，增加了投资和占地面积。而高频机结构UPS在不加任何外来设备的情况下输入功率因数大于0.99，从理论上讲前面的发电机容量可与UPS一致，节省了投资和占地面积。
　　（2）能量损耗方面
　　在相同输入功率因数的前提下，二者的效率相差约5%，比如同是100kW的UPS，工频机结构UPS每年要比高频机结构UPS多消耗近5万度电。
　　（3）变压器
　　工频机结构UPS都有输出变压器，在多机并联时就会出现多个变压器的并联。变压器的并联是电力行业尽量避免的情况，因为变压器并联时的环流是不可避免的，环流的长期存在将导致设备寿命缩短。而高频机结构UPS因没有输出变压器，所以几乎没有环流。
2  绿色数据中心能源供电系统设备的选择
　　数据中心能源供电系统的选择要以符合国策为前提，节能减排是当前的一项基本国策，一切行为都应当以此为指导。但好多地方由于消息闭塞，在电子技术和设备已经前进了的今天仍沿用以前的老观念，认为工频机结构UPS是最好的，即使高频机结构UPS的消息传到那里也认为这是新产品，不成熟。一般电子产品有上3年的功夫就已成熟，比如计算机产品更新周期也就是3年。要知道高频机结构（全IGBT）UPS在1998年就已问世，而且容量在当时就已做到了480kVA，这种全IGBT结构的UPS产品还不止一家。十年过去了，再说这种技术不成熟就有些牵强了。
2.1  当前高频机结构UPS供电设备达到的水平
　　UPS的发展方向和其他电子产品一样是高频化、小型化、模块化和环保化。
　　（1）UPS单机
　　当前衡量UPS的技术高低和成熟水平的一个重要指标就是看它容量做得多大，这不但反映一个厂家的水平，也反映出这个厂家的实力和市场规模。目前一般厂家可以将高频机结构UPS单机做到200kVA左右，少数厂家做到了500kVA，伊顿做到了1200kVA，覆盖了工频机结构UPS的全部容量。
　　（2）UPS模块
　　所谓N+X模块化冗余UPS不但可以冗余并联、可以热插拔，而且必须是在一个机壳中至少有两个相同规格容量的单机，否则就可以把一个放在地板上的具有并联功能的单机叫做模块化，那和以往的多机UPS并联就没有区别了。
　　当前的模块化UPS从1kVA开始，有2kVA、3kVA、4kVA、5kVA、10kVA、15kVA、20kVA、30kVA和40kVA等等，但还没有第二家像伊顿这样的300kVA容量。图1展示了一个机柜中有两个300kVA模块的情况，以及工程师按下杠杆将模块拔出，进行热插拔的情形。一个不小的机房即可用其集中供电，又可以双总线方式供电，还可多机并联。目前模块化UPS产品几乎都采用高频化结构技术。

图1  300kVA ×2模块化UPS

2.2  目前选用UPS的情况

表1

　　目前容量较大的机房大都采用了400kVA工频机结构UPS，配12脉冲整流和谐波滤波器，负载功率因数为0.8。表1就是笔者为一家金融单位5000kVA的数据中心在对400kVA工频机结构UPS和600kVA高频机结构UPS（负载功率因数0.9）进行选择时的比较。从表中可以看出几点：
　　（1）采用400kVA工频机结构UPS产品时的净占地面积大于43m2，而采用600kVA高频机结构UPS的净占地面积却小于23m2。
　　（2）采用400kVA工频机结构UPS产品时的总重量大于50吨，而采用600kVA高频机结构UPS的总重量还不足15吨。
　　（3）采用600kVA高频机结构UPS比采用400kVA工频机结构UPS每年节约250万度电。有资料显示，1度电需要1Kg原煤，250万度电就是250万Kg煤炭，这才是一个不足10000m2的数据中心的节电量。节约250万度电，就减少了25吨二氧化碳和250Kg二氧化硫的排放量。
　　仅从以上的几个指标可以看出，高频机结构UPS应为首选，这是不争的事实。全IGBT高频机结构UPS历经10年的发展，技术和产品已成熟，也是不争的事实。业内专家纷纷指出：不论从产品的性能还是容量，高频机结构UPS已完全可以代替工频机结构产品，不久的将来高频机结构UPS将一统天下。
3  绿色数据中心能源供电系统供电方案的选择
    有了好的设备没有好的方案，照样得不到最好的效果。比如图2所示的几个方案就相差很大。

（a）并联冗余连接

（b）带双STS的双总线连接

（c）带母联开关的双总线连接

图2   几种供电方案的比较

　　为了提高供电的可靠性和可用性，数据中心大都采用冗余方案。图2（a）所示就是一种并联冗余方案，如果设每个整机单元的可靠性是0.99（故障率0.01），那么两台UPS冗余并联后的可靠性就是0.9999，故障率就是万分之一。如果采用图2（b）所示带双STS的双总线连接方案，故障率就上升到万分之十五，不但成倍地增加了设备量，增加了功耗，增加了占地面积，增大了投资，降低了性能。也许有人会说，这种方案是双总线，一路故障时可以互投，但用图2（c）所示带母联开关的双总线连接方案完全可以实现图2（b）的功能，其中母联开关仅仅是STS的一半设备量，但比图2（b）性能高很多。
　　当然也有有人会说我有变压器，性能要比高频机UPS好得多，但实际上在这里的变压器除了产生隔离接地点和变压外，其他所宣传的抗干扰、缓冲等之类的优点都是没有根据的。
　　从上面的讨论可以看出，中大机房所采用的UPS容量中工频机400kVA UPS并非最佳选择，即使高频机UPS 400kVA也非最佳选择。这是因为：在采用单机并联时，N+1方案中的N越小，可靠性越高，比如上述5000kVA容量的情况，根据目前的技术和产品水平采用4+1或5+1可靠性最高。当然考虑到具体机房的一些实际问题，适当增大N值是可以的，但并不意味着400kVA一档就是最佳选择。400kVA12脉冲UPS的由来不外乎一些生产厂家在这一档技术比较成熟，而少数800kVA，也不过是将两台400kVA并联在一个机壳中而已。