綠色數據中心供電架構的發展！

電氣圈

2021年5月28日 11:49

隨著數據中心技術的大規模建設，以及更為關注能源利用效率，數據中心供電技術未來的發展方向一定是市電直供技術，在降低前提投資成本的同時，還通過高效率供電減少后期運營成本。這里所說的高效率不僅僅是指電網側到IT設備的供電路徑高效率，而是一次能源側到CPU等的整個能源路徑上的高效率和綠色環保，雖然傳統概念的PUE可能升高，但單位總能耗是降低的。未來的總體發展趨勢是高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發展，由機房外集中式鉛酸電池向IT機柜內分布式小（鋰）電池等方向發展，從化石能源向綠色能源方向發展。

綠色數據中心供電架構的發展！的圖1

數據中心數據中心供電不間斷的核心在于不間斷電源及其電池技術，因此電池連接的位置也決定了不同的供電架構。目前業界主流的備用電池電壓從高到低分別有UPS的400多伏，到直流電源的380V、240V、及48V，甚至電池內嵌到IT設備內的12V等。下圖是目前業界在數據中心供電方面的主要技術方案，首先從集中式400多伏鉛酸電池的傳統UPS，其次到服務器不用定制，240V電池直掛輸出母線的240V高壓直流技術，接著還有采用定制48V或者380V輸入電源服務器的48V直流或者380V高壓直流供電技術，最后再到google等的12V電池直掛服務器主板輸入方案。電池越靠近末端服務器主板或者CPU，供電系統越為分散，相應的IT系統也更為分布式；電池越靠近末端，供電系統的定制化程度越高，普通用戶規模開展的難度也越大；電池越靠近末端，對IT電源及電池的控制管理水平要求也越高。最后，電池越靠近末端，從電網到CPU供電路徑上的轉換級數也相應減少，帶來更高的轉換效率，但可能在低壓側傳輸損耗又會增加。因此，對比集中式和分布式，高壓還是低壓，選擇不同的供電架構，會很大程度上影響供電系統可靠性、供電效率、造價成本等，還有技術、生態的成熟性以及應用靈活性等。

此外，隨著電池技術的發展，以及風能、太陽能、燃料電池等綠色能源在數據中心內的引入，給數據中心帶來更多的機遇和挑戰。某種意義上說，數據中心不間斷供電技術取決于電池技術的發展，電池的革新也會帶來數據中心供電架構的變化，比如從傳統的低密度鉛酸電池到高能量密度鋰電池技術的發展，就很可能把備份電池從電池室改放到IT機柜內。同樣的電池技術的發展，使得風能、太陽能等波動性綠色能源實現儲能的可能，也將改變傳統數據中心來自電網的單一供電模式等。更深入的討論這里不再展開，本文暫以業界用到的主流技術為主，通過梳理并粗淺分析，拋磚引玉，以便大家可以更為深入的探討未來綠色數據中心供電技術的發展方向。

綠色數據中心供電架構的發展！的圖2

一、380V的高壓直流系統

1.1 傳統的380V直流在數據中心行業暫時沒有市場

380V高壓直流技術在國內外已經開展了很多年了，也有很多研究和標準等，雖然較傳統的UPS及48V通信電源系統有很多優勢，但涉及IT設備電源的定制以及直流供配電等配套的跟進，截至目前開展的應用規模都很小，基本停留在實驗室試點階段。數據中心內部的設備復雜多樣，從主要的服務器設備到相對少量的網絡設備，以及消防、弱電、照明等等，涉及很多行業及不同供應商，如果僅僅為了適應380V直流供電，數據中心內的全部設備都要定制，那么帶來的成本增加及開展難度就足以抵消了其節能利好，不管是在數據中心出租方難以推廣，在用戶側也無法接受，因此截至目前業界開展的380V高壓直流項目規模都很小，示范意義大于實際節能收益。

綠色數據中心供電架構的發展！的圖3

1.2 380V高壓直流在未來新能源方面存在一定應用空間

隨著太陽能、風能及燃料電池等綠色能源的發展，這些分布式供電在未來有可能會推進380V高壓直流電源技術的發展。因為大部分的分布式清潔能源通常都是波動性的，需要先整流穩壓并電池儲能后才可以直接用于數據中心供電。而傳統的48V電源系統因為電壓較低，傳輸損耗及線纜投資較大，不適合于較大規模的分布式能源使用，而相對而言380V高壓直流系統在這方面有較大優勢。在IT設備側，可以由DC/DC變換器直接將380V高壓直流降壓到12V或5V甚至更低電壓，減少了電源內部AC/DC整流環節，整個供電路經上效率較高，很可能是未來的發展趨勢。但同樣涉及IT設備電源的定制，以及依賴電池儲能技術的發展，短期內仍無法規模開展。

綠色數據中心供電架構的發展！的圖4

二、基本不用定制的240V直流

針對380V高壓直流技術技術不夠成熟，且需要定制IT設備電源等問題，目前在國內以騰訊和中國電信為首的公司，大規模在用的240V高壓直流技術很好的解決了380V高壓直流的這些問題。源于220V電力操作電源技術和48V通信電源技術的240V高壓直流，具有較為成熟的技術及生態積累，以及絕大多數的IT設備不用任何改造，可直接由240V高壓直流直接供電。此外240V高壓直流技術有高達96%的高效率、智能節能休眠、高可靠性、熱插拔易維護等特性，這些優點大大普及了240V高壓直流技術在國內的開展實用，截至目前，全國已經有10多萬臺以上IT設備運行在240V高壓直流下。

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2.1騰訊創新的AC+240V HVDC 50%+50%供電模式

目前業界以騰訊為首的互聯網公司，提出基于240V高壓直流技術衍生出來的市電+240V高壓直流供電架構，正進一步改變傳統UPS等靠硬件多重冗余來保障可靠性的高投入低能效模式。

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對于目前大多數的雙電源服務器，可以采用如上圖所示的采用一路市電直供，另外一路來自240V高壓直流的供電架構。服務器電源內部自動均流，市電和240V高壓直流各承擔一半負載。由于市電直供支路可以達到近100%的供電效率，而240V高壓直流系統自帶的節能休眠控制策略可使其供電效率在全負載范圍內達到94%-96%，這樣均分負載情況下的綜合供電效率高達97%-98%，比傳統的UPS供電架構效率高出很多，在保證2N供電可靠基礎上還實現了準市電直供技術的高效率。當然，對于少量的單電源服務器，可以直接掛接在240V高壓直流支路上。

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2.2未來AC+240V HVDC 100%+0% 服務器主從模式

前面市電+240V高壓直流在數據中心側不用任何變化，若能在服務器的電源上再做些主從設置，或者目前部分廠家的服務器具備支持休眠一個電源的功能，那么這種主從模式下，市電主供、高壓直流系統休眠后備，綜合供電效率更是高達99%，實現數據中心供電系統的超高效率。

綠色數據中心供電架構的發展！的圖8

上圖中實現服務器電源主從模式供電的方式很多，如下采用騰訊專利的服務器電源壓差調節技術可以通過電源硬件上的微調，即可實現可靠的主從工作及故障切換等，開展起來非常容易。當然也可以通過更為高級的軟件控制等策略實現雙電源工作在主從模式下，這里不再展開說明。

綠色數據中心供電架構的發展！的圖9

采用主從模式工作下的服務器，由于從電源在市電正常的時候基本不帶載，因此高壓直流系統可以只是個容量很小的充電器，大大節省了240V高壓直流電源系統的投資及空間占用，還可以是電源和電池一體柜的簡單電池柜設計。市電正常情況下，市電幾乎承擔絕全部負載，同時對備用電池充電，實現99%的供電效率。當市電停電的時，電池瞬間承擔起全部IT負載，直至柴油發電機起來帶起整個數據中心負載，電池逐步退出并重新被充滿，繼續等待下一次停電發生。

采用240V高壓直流技術可以比傳統供電方案實現高效率，甚至實現近100%的市電直供，但其雙電源配置（當然也可類似facebook采用市電+240V高壓直流的單模塊雙輸入電源設計來降低成本）以及高壓電池等仍不是很完美方案，但仍屬于過渡技術，將會被新的更好技術取代。

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