本文基于中國電網(wǎng)和 IT 負(fù)載電源的發(fā)展，分析了當(dāng)前數(shù)據(jù)中心幾種主要供電制式的產(chǎn)生背景與利弊，提出了基于全新的“零級(jí)變換”概念的數(shù)據(jù)中心交流直供供電制式。

        由于海量數(shù)據(jù)和巨大算力的需求驅(qū)動(dòng)，近年來數(shù)據(jù)中心在數(shù)量、規(guī)模上迅速擴(kuò)大，機(jī)柜功率密度與實(shí)際承載率也急劇提升，巨大的電耗使與碳排放、PUE、TCO 密切相關(guān)的供電制式變革成為國家、行業(yè)和數(shù)據(jù)中心三級(jí)體系關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將基于中國電網(wǎng)供電品質(zhì)現(xiàn)狀和 IT 設(shè)備電源技術(shù)的發(fā)展，討論與分析當(dāng)前中國數(shù)據(jù)中心行業(yè)幾種主要供電制式的應(yīng)用局限性，提出基于“零級(jí)變換”概念的數(shù)據(jù)中心交流直供供電新制式。

數(shù)據(jù)中心供電制式發(fā)展的前提與必要條件

01中國電網(wǎng)的發(fā)展與供電穩(wěn)定性

       根據(jù)國家能源局 2019 年的數(shù)據(jù)：中國的年發(fā)電量為 71118 億千瓦時(shí)，占全球的 1/4，比美國多 50% 以上，大約是歐盟的 2 倍，相當(dāng)于美國、日本、俄羅斯三國的總和；

       其次，中國電網(wǎng)規(guī)模全球第一，擁有 35kV 及以上輸電線路回路長度 189 萬千米，相當(dāng)于繞赤道 47 圈，并在全球唯一擁有 11/22/33/50/75/100/110 萬伏各種供電電壓等級(jí)的國家；

       第三，中國電網(wǎng)的供電能源的多樣化與規(guī)模全球第一，目前水電、核電、太陽能、風(fēng)能等綠色清潔能源已經(jīng)占到了 30%；中國城市客戶 380V 等級(jí)的供電可靠率達(dá) 99.955%(數(shù)據(jù)來源:國家電網(wǎng)報(bào))。

       對(duì)大型 A/B 級(jí)數(shù)據(jù)中心來說，如果采用來自兩路不同源 110kV 變電站的 10kV2N 供配電架構(gòu)，即使基于單路 380V 電網(wǎng) 99.955% 的供電可靠率，可近似算得 2s 冗余架構(gòu)的電網(wǎng)供電可靠率為 99.998%，一年最大也僅有約 631s 的累加停電時(shí)間。外部電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性是數(shù)據(jù)中心可靠供電的前提，也是驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心供電制式變革的保證。

02IT 負(fù)載電源的發(fā)展與供電適應(yīng)性

       傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為 IT 類設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量非常敏感，但事實(shí)上包括普遍使用的 X86 服務(wù)器在內(nèi)的現(xiàn)代 IT 設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量并不敏感，參數(shù)指標(biāo)比想象中要寬泛得多。

       典型的 IT 設(shè)備內(nèi)嵌電源 PSU 工作原理如圖 1 所示（最新的 IT 設(shè)備電源已經(jīng)采用了 LLC 電路和輸出同步整流技術(shù),使效率更高）。當(dāng) 220V/50Hz 的外部交流電源進(jìn)入 IT 設(shè)備后，首先進(jìn)入 IT 設(shè)備的 PSU 電源模塊，經(jīng) EMI、AC/DC 整流、PFC、帶高頻隔離變壓器的 DC-DC 變換器、輸出濾波等環(huán)節(jié)變成 DC12V 后（部分 IT 還有 5V 和 3V），才向 IT 設(shè)備的芯片、電路板及風(fēng)扇等供電。

       這一過程通常有高達(dá) ±20% 以上的輸入電壓/頻率運(yùn)行范圍（目前很多此類電源還兼容直流輸入）、近 0.95 的輸入 PFC 和小于 3% 的 THDi（參數(shù)來源IntelServerSystemH2000WPfamily），并會(huì)過濾掉輸入電壓中存在的諸如電壓失真、噪聲干擾、沖擊電壓等供電質(zhì)量問題。

       同時(shí) IT 設(shè)備電源還有一定的輸入斷電耐受時(shí)間，如 ATX 標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)輸入斷電時(shí)，12V 輸出 Hold-up 時(shí)間最小為 17ms，而 SSI 標(biāo)準(zhǔn)則要求超過 20ms，而 IntelServer 標(biāo)準(zhǔn)要求這一時(shí)間為 13ms。IT 設(shè)備對(duì)輸入電壓、頻率、電流的寬泛要求，為數(shù)據(jù)中心供電制式的變革提供了第二個(gè)必要的前提。

當(dāng)前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心供電制式的現(xiàn)狀與問題

01UPS 雙級(jí)變換供電制式

       早期的 IT 負(fù)載對(duì)供電品質(zhì)要求較高，是 UPS 雙變換供電制式成為目前數(shù)據(jù)中心使用時(shí)間最長、應(yīng)用最廣、認(rèn)知最深的供電制式的價(jià)值所在。其供電系統(tǒng)圖及工作路徑如圖 2 所示。

1.正常路徑
       在市電供電正常時(shí)，UPS 經(jīng)過 AC/DC 和 DC/AC 的“兩級(jí)變換”給數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)載供電，提供凈化供電功能，也因此得名“雙變換供電”。

2.后備路徑
       在市電供電中斷時(shí)，蓄電池經(jīng) UPS 的 DC/AC 逆變器給數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)載供電，提供后備供電功能。

3.應(yīng)急路徑
       當(dāng) UPS 故障時(shí)，UPS 將不間斷地轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路，市電經(jīng)由 UPS 內(nèi)置的旁路電子開關(guān)給數(shù)據(jù)設(shè)備供電，提供應(yīng)急供電功能。

       這一供電制式的優(yōu)勢(shì)是具有可不間斷相互切換的三條供電路徑來保證 IT 負(fù)載的安全供電；其次是采用全交流供電，可適應(yīng)數(shù)據(jù)中心全域負(fù)載的供電需求且輸配電結(jié)構(gòu)簡單。

       不足之處是，正常運(yùn)行時(shí)能量需要經(jīng)過兩級(jí)變換輸出，對(duì)于目前的電網(wǎng)供電品質(zhì)和 IT 負(fù)載適應(yīng)力來看，這一雙變換導(dǎo)致的能效損失在 99.998% 的時(shí)段內(nèi)是完全沒有必要的。

       但令人慶幸的是，隨著 UPS 高頻化技術(shù)的發(fā)展，多電平變換技術(shù)及 SiC 等新器件的采用，目前 UPS 雙變換的最高效率已經(jīng)達(dá)到 97.5%；其次，早期的 UPS 因?yàn)槎疾捎梅悄＝M化架構(gòu)，其維修服務(wù)響應(yīng)長也是廣受非議的問題之一。

02HVDC 高壓直流供電制式

01HVDC 供電制式的應(yīng)用背景
       2010 年左右，由于當(dāng)時(shí)中國通信行業(yè)機(jī)房的負(fù)載率普遍較低，又大都采用效率較低的工頻 UPS 供電，導(dǎo)致 UPS 的運(yùn)行效率低下（大約在 80% 左右），這與當(dāng)時(shí)國家已經(jīng)開始倡導(dǎo)的節(jié)能減排政策相悖；其次是工頻 UPS 幾乎全是分立功率器件的塔式一體機(jī)，其故障定位與維修時(shí)間都較長，這也給數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)際運(yùn)行帶來了一定的負(fù)面影響。

       為此,通信行業(yè)的電源專家開始探索是否可以采用 240V 的直流來給 IT 設(shè)備供電，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),絕大部分之前由 AC220V 供電的數(shù)據(jù)設(shè)備可以直接用直流 240V 供電，而無需改變 IT 設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)誕生了中國數(shù)據(jù)中心的第二種供電制式，即 HVDC（高壓直流）供電制式。這是國內(nèi)電源專家第一次對(duì)數(shù)據(jù)中心供電制式的有益探索,值得尊重。

02HVDC 供電制式的定義及其工作原理
       由于相對(duì)于通信電源的 DC24V/48V 制式，DC240V（或 336V）電壓較高，所以被定義為 HVDC（與電網(wǎng)的 100 萬伏 HVDC 同名，但沒有關(guān)聯(lián)），其供電路徑分述如下:

       ■ 正常路徑：在市電供電正常時(shí)，HVDC 經(jīng)過 AC/DC 及 DC/DC 變換輸出直流電（276V 或 380V）給數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)載供電，提供凈化電源功能。

       ■ 后備路徑：在市電供電中斷時(shí)，蓄電池經(jīng)直接給 IT 負(fù)載供電，提供后備電源功能。

       ■ 應(yīng)急路徑：無（因?yàn)榻恢绷鳠o法不間斷切換而無法設(shè)置。當(dāng)直流系統(tǒng)故障后，無法提供旁路供電路徑）。

03HVDC 供電制式的早期應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)狀
       HVDC 的成功推出相比于早期的工頻 UPS，確實(shí)提高了電源的運(yùn)行效率大約 10% 以上，簡化了故障定位并縮短了維修時(shí)間，電池放電也不再受 UPS 逆變器故障的影響。同時(shí)，很多數(shù)據(jù)中心早期通過一路市電、一路 HVDC 的“準(zhǔn) 2N ”架構(gòu)，也確實(shí)節(jié)省了建設(shè)投資。

       這些都有益地推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，尤其是在得到 BAT 的“創(chuàng)新應(yīng)用”青睞后，HVDC 供電制式安裝數(shù)量得到較快增長，成為僅次于 UPS 雙變換的第二大供電制式。

       但是，隨著高頻模組化和模塊化 UPS 的應(yīng)用普及，目前 HVDC 相對(duì)于 UPS 的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如運(yùn)行效率、故障定位、維修時(shí)間等的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)開始喪失，但其直流供電帶來的應(yīng)用缺陷卻開始顯現(xiàn)；其次，在數(shù)據(jù)中心建設(shè)與改造中，由于其顯而易見的問題與隱患,原先的“準(zhǔn) 2N ”架構(gòu)正在普遍被“真 2N”HVDC 架構(gòu)所淘汰，原先的節(jié)省投資功能也隨之消失。

04HVDC 供電制式的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用局限
■ HVDC“三級(jí)變換”的節(jié)能問題
       HVDC 在初期推廣宣傳時(shí)非常強(qiáng)調(diào)其“一級(jí)變換”理論，宣稱比 UPS 效率高的原因是只需要 AC/DC 的一級(jí)變換，而不象 UPS 需要 AC/DC 和 DC/AC 的兩級(jí)變換，所以具有更高的運(yùn)行效率。

       事實(shí)上，HVDC 的 DC240V 并不能通過一級(jí)變換來得到。根據(jù) YD/T2378—2011《通信用 240V 直流供電系統(tǒng)》通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求“交流輸入應(yīng)與直流輸出電氣隔離”。這意味著在 HVDC 電源中還必須有隔離變壓器，而這一變壓器又不可能采用體積龐大的工頻變壓器，所以采用如圖 6 所示的“AC/DC、DC/AC、高頻變壓器、DC/AC” 的三級(jí)變換拓?fù)洌闶?HVDC 電源必然的選擇。

       如果與 UPS 等同的變換級(jí)來比較，那 HVDC 應(yīng)該是“三級(jí)變換”。公開資料顯示，最新的 HVDC 典型模塊效率僅達(dá) 94%～96%，而當(dāng)前高頻 UPS 普遍已將整機(jī)效率做到了 97% 以上；在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，HVDC 與模塊架構(gòu)的高頻 UPS，都可以通過模塊休眠技術(shù)來提高低負(fù)載率時(shí)的運(yùn)行效率。所以與現(xiàn)代高頻 UPS 相比，HVDC 已經(jīng)不再是節(jié)能產(chǎn)品了。

       HVDC 正常運(yùn)行時(shí)能量需要經(jīng)過“三級(jí)變換”輸出，對(duì)于目前的電網(wǎng)供電品質(zhì)和 IT 負(fù)載適應(yīng)力來看，與雙變換 UPS 供電制式一樣，不僅沒有必要，反而造成更大的能源浪費(fèi)。

■ 多元化客戶數(shù)據(jù)中心的供電局限

       很多大型 Colo 數(shù)據(jù)中心都是多用戶群租的，由于用戶的多元化帶來了其 IT 機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器與通信設(shè)備品類的復(fù)雜化，HVDC 的直流供電很難保證能適應(yīng)所有各類用戶 IT 服務(wù)器供電需求，所以，通常這樣的數(shù)據(jù)中心都無法采用 HVDC 來供電。

       原先采用 HVDC 供電的客戶遷移退租后的數(shù)據(jù)中心設(shè)備改造問題。

       原先采用 HVDC 供電的數(shù)據(jù)中心，3～5 年租約滿后原客戶遷移退租更換新用戶，而新用戶又不接受或無法采用 HVDC 供電，導(dǎo)致需要更換原先整條供電鏈路的所有設(shè)備，如 HVDC 電源、直流配電系統(tǒng)、列頭柜、PDU、蓄電池和電纜，導(dǎo)致巨大的 Capex 損失。

■ 無法帶數(shù)據(jù)中心全域負(fù)載的問題

       數(shù)據(jù)中心負(fù)載不僅有服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信設(shè)備等 IT 負(fù)載，更有保障 IT 設(shè)備制冷需求的水泵、風(fēng)機(jī)等動(dòng)力負(fù)載，所有這些設(shè)備都是不能停電的。目前 HVDC 還不能保證能給所有的 IT 負(fù)載供電，更無法給動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)載。這意味著以 HVDC 供電為主的數(shù)據(jù)中心，同時(shí)需要配置交流 UPS 來供電，這導(dǎo)致交流、直流供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心供電和 IT 端供電的混用，使電源品類管理與運(yùn)維復(fù)雜化。

■ 無應(yīng)急供電路徑的局限

       受制于交流電和直流電不能并存來實(shí)現(xiàn)不間斷切換的現(xiàn)實(shí)，HVDC 無法提供象 UPS 靜態(tài)旁路這樣的第三條應(yīng)急供電路徑。當(dāng)主輸入配電線路或電源柜系統(tǒng)故障時(shí)，后備電池（通常 15min）放電截止后，負(fù)載將直接面臨斷電風(fēng)險(xiǎn)又束手無策的尷尬境地。

■ 電池直掛負(fù)載母線問題

       電池直掛母線是把雙刃劍，既有好處也有壞處。好處是沒有如 UPS 的逆變器故障無法供電的問題，其壞處是 HVDC 的電池直掛負(fù)載母線，電池放電電流不可控，無 UPS 所具備的共享放電測(cè)試功能，蓄電池的健康狀況難以判斷；其次是當(dāng)電池出現(xiàn)故障（如漏液或短路）或電池系統(tǒng)性失效時(shí)，與電池直接相連的負(fù)載供電必然受到影響，甚至于出現(xiàn)斷電事故，這在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)有慘痛的教訓(xùn)。

■ 配電開關(guān)、按鈕、PDU 等的選型操作及拉弧問題

       實(shí)驗(yàn)表明，HVDC 的 240V 直流供電系統(tǒng)在開關(guān)、按鈕、插拔等操作分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)，出現(xiàn)拉弧、起火或燒毀等現(xiàn)象的嚴(yán)重程度及概率會(huì)遠(yuǎn)高于交流 220V 系統(tǒng)；其次，目前直流配電開關(guān)單極分段的額定電壓等級(jí)只有 250V，HVDC 的 276V 應(yīng)用已經(jīng)超過了其安全范圍。

0310kV交流輸入的直流供電制式級(jí)

       為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率，業(yè)界對(duì) HVDC 在效率與可交付性上進(jìn)行了創(chuàng)新發(fā)展，推出了 10kV 交流輸入的直流供電不間斷電源系統(tǒng)（MVDC 電源），下文簡稱巴拿馬電源。

       巴拿馬電源供電制式的主要?jiǎng)?chuàng)新可總結(jié)為三點(diǎn)：首次把 10kV 中壓變壓器、HVDC 組合成一體的供電系統(tǒng)；通過采用 36 脈沖中壓移相變壓器，優(yōu)化了 HVDC 的拓?fù)洌瑢?HVDC 模塊的變換級(jí)從原先的三級(jí)變?yōu)閮杉?jí)，使 AC10kV 輸入端到 DC276V 輸出端的多級(jí)變換電源系統(tǒng)效率提升至 97%（99% 變壓器效率*97% 優(yōu)化的 HVDC 效率）；同時(shí)將單系統(tǒng)的交付能力從原先 HVDC 的 1200A 提升到 1.2MW。

       巴拿馬電源稍顯復(fù)雜的是使原先單繞組的變壓器變成了六繞組如圖 7 所示，使變壓器設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)工作量增大；其次，MVDC 電源的輸出直流電壓制式與原 HVDC一致，HVDC 所面臨的直流供電困惑同樣會(huì)體現(xiàn)在 MVDC 供電制式上。

交流直供供電制式

01數(shù)據(jù)中心交流直供供電制式及其優(yōu)勢(shì)

       綜合前面的分析可見,當(dāng)前數(shù)據(jù)中心供電制式最大的問題是，在電網(wǎng)的供電品質(zhì)完全超越 IT 負(fù)載安全供電需求的時(shí)段內(nèi)，依然采用能耗浪費(fèi)嚴(yán)重又導(dǎo)致電源設(shè)備自身故障率升高的“多級(jí)變換”交流或直流供電制式，來實(shí)現(xiàn)對(duì) IT 負(fù)載的供電是否仍有必要的問題。正是基于對(duì)這一問題的正視，本文提出了基于“零級(jí)變換”理論的交流直供供電制式。

       在市電供電良好的 99.955% 時(shí)間內(nèi)，UPS 通過靜態(tài)旁路運(yùn)行在交流市電直接向 IT 負(fù)載供電的狀態(tài)下，來實(shí)現(xiàn)高達(dá) 99% 的效率，因此得名為“交流直供”，以凸顯它的交流供電架構(gòu)和與 HVDC 直流供電的區(qū)別;其次，由于它同時(shí)還具有不間斷的雙變換和電池逆變兩種后備電源供電路徑，所以它與無后備電源的“市電直供”完全不同。

       交流直供供電制式采用具有“單機(jī)或并機(jī)系統(tǒng)雙變換回路在線休眠功能、逆變器無間斷啟動(dòng)與切換功能、旁路快速鎖止功能功能、雷暴偵測(cè)與鎖止功能、逆變器的反向有源濾波功能、負(fù)載短路設(shè)部與鎖止功能、交直流濾波器的實(shí)時(shí)接入功能”的特定 UPS 來實(shí)現(xiàn)，其主電路拓?fù)渑c雙變換 UPS 完全相同，如圖 8 所示。其工作原理說明如下:

       在市電供電良好的 99.955% 時(shí)間內(nèi)，單機(jī)或并機(jī)系統(tǒng)的整流器和逆變器處于在線休眠狀態(tài)，系統(tǒng)效率可達(dá) 99%。此時(shí),整流器與市電接通、逆變器與輸出接通但保持在線休眠，能量通過整流器/逆變器 IGBT 反向二極管構(gòu)成的雙全橋整流電路維持直流母線電壓，UPS 的控制系統(tǒng)及同步跟蹤功能保持運(yùn)行，確保市電不正常時(shí)能實(shí)現(xiàn)逆變器的“不間斷”投入；逆變器前后的 EMI 電路、交直流濾波電路參與對(duì)市電諧波、高頻干擾和瞬時(shí)過壓脈沖的吸收與濾波處理，以改良交流直供模式下的供電品質(zhì)。

       當(dāng)市電超限（±10%、±15% 可設(shè)定）或斷電時(shí)轉(zhuǎn)到逆變模式，快速切換專利技術(shù)確保短時(shí)間內(nèi)由市電經(jīng)雙變換或電池逆變放電向負(fù)載供電，這一切換的典型時(shí)間不到 2ms（如果不考慮波形畸變,實(shí)際可為 0ms），充分滿足負(fù)載“不間斷”的供電要求。在市電回復(fù)后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間和滯回值，不間斷返回交流直供模式。

       交流直供模式下控制電路的主控 DSP 實(shí)時(shí)產(chǎn)生追蹤旁路市電的 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但在最后施加到 IGBT 時(shí)被鎖止；當(dāng)需要提供逆變輸出時(shí) PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以在極短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng) IGBT 實(shí)現(xiàn)輸出帶載。相關(guān)控制單元及檢測(cè)電路（如面板顯示，電壓檢測(cè)，電流檢測(cè)、同步信號(hào)等）保持實(shí)時(shí)運(yùn)行，確保系統(tǒng)能快速切換。

02電網(wǎng)適應(yīng)性和IT負(fù)載適應(yīng)性評(píng)估

       交流直供供電制式下的供電品質(zhì)是否能滿足 IT 負(fù)載的輸入電源需求，是交流直供制式能否作為數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)供電制式來推廣的前提，為此，本文基于當(dāng)前 IT 負(fù)載的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做了下列比較（綜合 ATX/SSI/Intel 標(biāo)準(zhǔn)為例），詳見表 1。

       從表 1 可見，在正常市電供電及交流直供相關(guān)功能的支持下，交流直供完全可以滿足數(shù)據(jù)中心 IT 負(fù)載的全時(shí)域供電需求。

03交流直供制式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

①運(yùn)行效率(PUE)與可靠性優(yōu)勢(shì)

       相對(duì)于前文提到的其它供電制式,交流直供制式在保 IT 負(fù)載安全供電的前提下，革命性地采用高效的“零級(jí)變換技術(shù)”，使 99.955% 的時(shí)間內(nèi)電源系統(tǒng)的效率高達(dá) 99%，即使與幾種供電制式中效率最高的巴拿馬電源中 HVDC 的 98% 效率相比，也要高 1% 的效率（假設(shè)兩者的 10kV 變壓器效率相同）；基于變換級(jí)的供電制式，效率通常隨負(fù)載率的升高而升高，而交流直供模式的效率基本不受負(fù)載率的影響,實(shí)現(xiàn)了全生命周期、全時(shí)態(tài)的 99% 效率。對(duì)于 20MW 的數(shù)據(jù)中心來說，相對(duì)于傳統(tǒng) HVDC 供電模式，預(yù)估 10 年節(jié)省電費(fèi)在 7000 萬以上。

       由于交流直供電源基本處于在線休眠模式狀態(tài)，相比于其它運(yùn)行在多級(jí)變換供電制式的電源而言，由于關(guān)鍵的器件如 IGBT、電容、電感都在靜態(tài)休眠狀態(tài)，減少了發(fā)熱和電磁作用，其工作壽命與實(shí)時(shí)可靠性都大幅提高。

②全交流供電輸配電架構(gòu)優(yōu)勢(shì)

       相對(duì)于前文提到的數(shù)據(jù)中心直流供電局限與問題，交流直供采用交流輸配電架構(gòu)，完全適應(yīng)數(shù)據(jù)中心全域負(fù)載的供電需求。

04交流直供運(yùn)行安全性保證

①切換安全性及其實(shí)踐驗(yàn)證

       采用 UPS 交流直供制式供電，用戶最大的擔(dān)心是，能否在市電停電時(shí)快速切換到逆變輸出以保證負(fù)載供電的連續(xù)性，而且這一切換安全性是否得到了長期運(yùn)行實(shí)踐的驗(yàn)證。

       要實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換需滿足兩個(gè)條件：UPS 開啟逆變器的速度足夠快、關(guān)閉旁路靜態(tài)開關(guān)的速度足夠快。以伊頓公司的 9395 產(chǎn)品的技術(shù)為例來說明：伊頓 9395 內(nèi)置的交流直供技術(shù)可以保證逆變器快速啟動(dòng)并達(dá)到滿載輸出條件；續(xù)流二極管組成的整流電路維持著直流母線電壓，所消耗的輸入功率很小，都包含在 1% 的損耗內(nèi)；直流電壓恒定存在，為逆變器的瞬時(shí)啟動(dòng)創(chuàng)造了條件；因逆變輸出保持閉合，逆變器始終處于“就緒狀態(tài)”；PWM 脈沖寬度調(diào)制信號(hào)與市電始終保持同步；逆變器退出“就緒狀態(tài)”并正常輸出所需的唯一步驟是對(duì) IGBT 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，該過程 640μs 左右就能完成。

       交流直供模式下旁路靜態(tài)開關(guān)處于閉合狀態(tài)，市電異常時(shí)必須將其快速斷開以確保將負(fù)載從電網(wǎng)脫離，從而隔離來自電網(wǎng)的干擾等不利因素。伊頓專利的靜態(tài)旁路快速切換技術(shù)（SCR 反向電壓激勵(lì)技術(shù)）可以確保靜態(tài)開關(guān)在 600μs 內(nèi)的快速關(guān)斷,而無需等待傳統(tǒng)關(guān)機(jī)技術(shù)需要下一次過零點(diǎn)的 8ms 時(shí)間。

       交流直供運(yùn)行模式下市電出現(xiàn)斷電或異常時(shí) UPS 系統(tǒng)需要一定的檢測(cè)時(shí)間，該檢測(cè)過程在 320μs 內(nèi)能夠完成；從旁路帶載到逆變輸出的切換過程還需要約 320μs 的反饋時(shí)間，加上前述的逆變器啟動(dòng)時(shí)間（9640μs）及靜態(tài)旁路的關(guān)斷時(shí)間（600μs），伊頓交流直供技術(shù)在旁路市電出現(xiàn)斷電等極端情況時(shí)切換到逆變滿載輸出的理論時(shí)間為 1880μs（1.8ms），極端情況下的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 2ms（如果不考慮波形畸變，這一時(shí)間為 0ms）。根據(jù)前述，IT 設(shè)備允許斷電時(shí)間為不超過 13ms，這充分保證了切換期間的 IT 設(shè)備運(yùn)行安全。

       目前，伊頓的交流直供技術(shù)已經(jīng)在全球 7～12nm 等級(jí)芯片產(chǎn)線上得到了 5 年以上的大規(guī)模運(yùn)行驗(yàn)證（目前也用在 5nm 產(chǎn)線），也在中國許多大型數(shù)據(jù)中心的動(dòng)力系統(tǒng)得到了近 5 年以上的大規(guī)模實(shí)踐驗(yàn)證，證明了切換的高安全性和高可靠性。

②對(duì)惡劣供電環(huán)境下敏感負(fù)載的保護(hù)

       交流直供技術(shù)具備智能的雷暴偵測(cè)功能，當(dāng) UPS 偵測(cè)到在一定時(shí)間內(nèi)（默認(rèn) 1h，可設(shè)定）持續(xù)出現(xiàn) 3 次市電異常，UPS 將會(huì)推斷可能正遭遇雷暴等異常狀況，系統(tǒng)退出交流直供模式，并將負(fù)載鎖定在雙變換運(yùn)行狀態(tài) 1h。若市電不再出現(xiàn)異常，UPS 會(huì)解除鎖定,并再次自動(dòng)進(jìn)入交流直供模式。

③具備對(duì)上下游故障的智能判斷能力

       交流直供技術(shù)能智能判斷電源問題是來自輸入電源還是由負(fù)載短路引起。若電壓和電流急劇下降，則 UPS 上游進(jìn)線故障，UPS 快速轉(zhuǎn)換為逆變器供電，以確保負(fù)載供電的連續(xù)；若電壓急劇下降，但電流急劇增加，則 UPS 下游（負(fù)載側(cè)）故障，UPS 將保持在交流直供模式，通過旁路市電提供的足夠大的電流促使下游斷路器或熔斷器保護(hù)動(dòng)作以分?jǐn)喙收匣芈贰?/p>

④與傳統(tǒng) ECO 方式在安全性方面質(zhì)的差異

       出于對(duì)安全供電的擔(dān)心，ECO 自推出幾十年來，少有人問津。傳統(tǒng) ECO 模式下，市電正常時(shí)整流器和逆變器始終處于空載待機(jī)狀態(tài)，整流器和逆變器的持續(xù)運(yùn)行不僅導(dǎo)致運(yùn)行效率的低下（一般僅為 97%），而且長期運(yùn)行也抬高了系統(tǒng)的故障率，降低了系統(tǒng)壽命；ECO 模式下的逆變器與輸出回路斷開，交直流濾波器都無法發(fā)揮凈化電網(wǎng)的作用，供電品質(zhì)變差；最為關(guān)鍵的是，市電中斷時(shí)需要在旁路徹底關(guān)斷后才接通逆變器回路，切換安全性變差。

       交流直供模式下的逆變輸出始終保持聯(lián)通，解決了客戶最擔(dān)心的動(dòng)態(tài)切換安全性問題，其工作原理見前面介紹。與傳統(tǒng) ECO 模式相比，交流直供模式在效率、供電品質(zhì)、運(yùn)行可靠性、切換安全性方面都存在質(zhì)的不同。

結(jié)論

       在保證數(shù)據(jù)中心 IT 負(fù)載供電安全與電源品質(zhì)的前提下，采用近乎無損的“零級(jí)變換”技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的供電，一直是數(shù)據(jù)中心供電制式變革的目標(biāo)。通過采用零級(jí)變換的交流直供供電制式來代替當(dāng)前數(shù)據(jù)中心普遍采用的多級(jí)變換供電制式，不僅可以顯著降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行 PUE，呼應(yīng)國家的碳中和、碳達(dá)峰戰(zhàn)略，還可以提高電源系統(tǒng)自身的可靠性。

       與目前部分?jǐn)?shù)據(jù)中心采用的直流供電制式相比,全交流供電架構(gòu)在保證數(shù)據(jù)中心客戶的連續(xù)性、供電負(fù)載的全域性方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。后續(xù)將會(huì)提供數(shù)據(jù)中心在交流直供模式下的安全運(yùn)行與 PUE 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),推動(dòng)數(shù)據(jù)中心加速邁入更綠色的“交流直供”時(shí)代。

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