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数据中心未来电源技术发展分析

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-02-14 22:35:39 * 浏览: 30
数据中心电源具有多种架构。本文对当前行业中使用的各种典型电源架构进行了梳理,并得出了48V + BBU电源架构的效率和优势,绿色新能源与分布式电源的结合将是未来发展的重要方向。 var_bdhmProtocol =((“ https:” == document.location.protocol)? ” https://”:“ http://”),document.write(unescape(“%3Cscriptsrc ='” + _ bdhmProtocol +” hm.baidu .com / h.js%3F83e8d4ba8c3dd1c5d05a795e63a2d7b4'type ='text / javascript '%3E%3C / script%3E”)),1引言随着数据中心技术的大规模建设,以及对能源效率的日益重视,数据中心电源技术的未来发展方向必须是直接电源技术城市的。在降低初始投资成本的同时,还通过高效电源降低了以后的运营成本。如图1所示,未来电源技术的总体发展趋势是从机房外的集中式铅酸电池到高压/集中式/交流大型UPS到低压/分布式/直流小型UPS的发展。数据中心的不间断电源的核心在于不间断电源及其电池技术,因此电池连接的位置也决定了不同的电源体系结构。目前,业界主流的备用电池电压范围从UPS的高到低超过400伏,到DC电源的到380V,240V和48V,甚至到IT设备中嵌入的电池的12V。图2是业界针对数据中心电源的主要技术解决方案,首先是使用具有集中式400伏铅酸电池的传统UPS,其次是无需使用标准服务器的240V高压DC技术。定制的240V电池直接连接到输出总线。有些服务器使用定制的48V或380V输入电源,48V DC或380V高压DC电池直接悬挂技术,最后使用Google和其他12V电池直接将其输入到服务器主板输入方案。电池离终端服务器主板或CPU越近,电源系统的分散程度就越高,IT系统的分布也就越分散。电池越接近末端,电源系统就越定制,普通用户开发电池就越困难。越接近末端,对IT电源和电池的控制和管理要求的水平就越高。最后,电池越靠近末端,从电网到CPU的供电路径上的转换级数就会相应减少,从而带来更高的转换效率,但在低压侧传输损耗可能会增加。因此,比较集中式和分布式,高压还是低压,选择不同的电源架构将极大地影响电源系统的可靠性,电源效率,成本等,以及技术,生态成熟度和应用灵活性。 。 2380V高压直流系统(1)市场上暂时没有传统的380V DC。 380V高压直流技术在国内外已有多年的发展。也有许多研究和标准。尽管与传统的UPS和48V通信电源系统相比,它具有许多优势,但是它涉及IT设备电源的定制以及DC电源供应和分配的后续。到目前为止,已进行的应用程序规模很小,基本上停留在实验室试验阶段。数据中心内部的设备复杂多样,涉及许多行业和不同的供应商。如果必须定制数据中心中的所有设备以适应380V直流电源,则增加的成本和开发难度足以抵消其节能优势。这不仅在数据中心租赁方中难以推广,而且在用户端也是不可接受的。因此,迄今为止,该行业进行的380V高压直流输电项目的规模很小,并且示范的意义大于实际的节能效益。 (2)有一个certain未来可用于380V高压DC的应用空间。随着太阳能,风能和燃料电池等绿色能源的发展,这些分布式电源将在未来推动380V高压直流电源技术的发展。由于大多数分配的清洁能源通常都是挥发性的,因此需要对其进行整流和稳定以形成直流电,并且在存储电池能量后可以将其直接用于数据中心供电,如图3所示。传统的48V电源系统电压低,传输损耗大,电缆投资大,不适合大规模分布式能源使用。相对而言,380V HVDC系统在这方面具有很大的优势。在IT设备方面,DC / DC转换器可以将380V高压DC直接降压至12V或5V甚至更低的电压,从而减少了电源的内部AC / DC整流环节,并降低了整个电源的效率供应路径较高,这很可能是未来的发展趋势。但是,这还涉及IT设备电源的定制和依赖电池能量存储技术的发展,这在短期内无法大规模进行。 3基本上,不需要定制的240V DC。针对不成熟的380V高压直流技术和定制IT设备电源的需要,目前在中国大规模应用的240V高压直流技术很好地解决了这些问题。 240V高压直流电源于220V供电技术和48V通信电源技术,具有成熟的技术和生态积累,大多数IT设备无需任何修改即可直接由240V高压直流电供电。另外,240V高压直流技术具有效率高达96%,智能节能休眠,可靠性高,热插拔和易于维护的特点。这些优势极大地推广了240V高压直流技术在中国的实际应用。图4显示了中国电信对240V电力IT设备的统计增长。迄今为止,已有超过100,000个IT设备在240V高压DC下运行。 (1)市电+ 240VHVDC50%+ 50%目前,由业界领导的互联网公司提出的基于240V高压直流技术的市电+ 240V高压直流电源架构正在进一步改变传统的UPS和其他硬件多重冗余确保高输入低能耗模型的可靠性。当前,对于大多数双电源服务器,可以使用一种市电直接电源,如图5所示,另一种采用240V高压直流电源架构。服务器电源自动在内部共享电流,城市电源和240V高压DC各自承担一半的负载。由于市电直接电源分支可以达到近100%的电源效率,因此240V高压直流电源具有节能的睡眠控制策略,可以使其在满负载范围内的效率达到94%至96%。综合电源效率高达97%至98%,远远高于传统的UPS电源体系结构,尤其是轻载情况下的高压直流节能睡眠功能,如图6所示。在确保可靠的2N电源基础上的准市场。高效率的直接供电技术。当然,对于少量的单电源服务器,它可以直接连接到240V高压直流分支。 (2)市电+ 240VHVDC100%+ 0%服务器主从模式。在电源+ 240V高压直流数据中心侧的前面,无需更改。如果可以在服务器电源上进行某些主从设置,或者某些当前的服务器制造商支持使一个电源休眠的功能。在这种主从模式下,主电源和高压DC系统处于待机状态,综合电源效率高达99%,如图7所示,可以实现超高数据中心电源系统。效力。实现服务器电源主从模式的方式有很多种,腾讯专利的服务器电源稳压技术可以通过对电源硬件进行微调来实现可靠的主从工作和故障切换,非常容易实现。图8展示了专利开关的使用波形。当然,也可以通过更高级的软件控制策略在主从模式下实现双电源操作。该服务器工作在主从模式下,因为在市电正常时基本不加载从属电源,因此高压直流系统可以用作小容量充电器,从而大大节省了240V高电压的投资和空间。直流电源系统。 ,可以是简单的电池柜设计的电源和电池集成柜。在正常情况下,城市电力几乎承担了全部负载,同时为备用电池充电,从而实现了99%的供电效率。当主电源故障时,电池立即承担全部IT负载,直到柴油发电机开始正常运行,从而提高整个数据中心的负载,电池逐渐收回并重新充电,并继续等待下一次电源故障。使用240V高压直流技术可以实现比传统电源解决方案更高的效率,甚至可以实现全市直接电源的近100%,但是其双电源配置(当然,它也可以类似于Facebook使用+ 240V高压DC设计的单模块双输入电源来降低成本)和高压电池仍然不是完美的解决方案,它们仍是过渡技术,将被新的更好的技术取代。 4现有的12V市电供电情况Google的12V悬挂式电池解决方案使用分布式电源加分布式电池来进行电源故障备份。市电直接为设备供电并为电池充满电。当市电中断时,电池放电并备份几分钟,直到柴油发电机开始正常供电。有两个重要功能:电源在中国生产,输出参数为13.65Vamp,20.5A,该服务器的总输出功率不会超过250W。有趣的是,该电池已连接到开关电源,因此开关电源不能过分强调为UPS,这是一种13.65V输出的UPS,在市场上不会比几百美元贵。 。 ②电池无疑是免维护的铅酸电池。从公开信息得知,其容量仅为3.2Ah,充其量只能将服务器掉电保护时间维持在3-4分钟之内。方案该解决方案的核心技术是电池管理和开关控制。其原理如图9所示,电源效率为99.99%。 (2)Microsoft的12VBBU集中式市电直接供电计划图10是Microsoft的12V BBU集中式市电直接供电计划。 Microsoft在2010年启动了ITPAC机柜服务器电源计划。从概念图,集中式电源和集中在12V总线上的锂电池备用解决方案开始。它分为上半部分和下半部分,用于独立供电,单个机柜可以达到18.6kW,为96台服务器供电。所选的4.5kW服务器电源也是一个高效电源模块,该模块通过12V集中式总线为服务器子单元供电。当市电正常时,直接给设备供电。当主电源中断时,锂电池会在短时间内放电,直到柴油发电机开始承受满负荷。 (3)随着功率的增加,12V将不再适用于数据中心。从前两个案例中可以看出,无论是Google的带电池供电解决方案的12V分布式小型UPS还是Microsoft的12V锂电池BBU半集中式供电方案,都已经实现了近100%的供电效率。但是,12V电池要么直接挂在IT设备上,要么安装在服务器机柜中。主要目的是最大程度地降低12V低压电源的传输损耗。 Google 12V分布式电源尽管12V的传输损耗很小,但电源和电池的数量却很多,成本很高,电源负载率和效率很低,而Microsoft的12V集中式电源却很小电源和电池数量众多,成本略低,且负载率高,电源效率高,但12V传输损耗大,bo有一定的缺点。随着业界IT机柜功率的不断提高以及对能效的更高要求,低压12V低压输电损耗和成本将成为严重的限制。例如,对于12kW机柜,如果使用12V集中式单总线供电,则电源电流可能高达1000A。假设电源机架和母线的接触电阻为1mΩ,则仅接触电阻的损耗也将高达1kW。电源机架的高电流传输损耗和功率转换效率损耗,总损耗高达3-4kW。较高电压的48V电源方案可以大大减少传输和接触电阻损耗,并且48V电源的效率比12V电源的效率高2%以上。图11显示了两者之间的损耗比较。采用12V集中供电方案时,机柜的总功率不应超过6至8kW。如果超过10kW,传输和接触电阻损耗将很大。 48V电源方案不存在此问题,整个机柜的总功率可以高达30kW或更高。