摘要：為了適應(yīng)5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，及由此帶來的數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備激增的趨勢，迫切需要節(jié)約供電基礎(chǔ)設(shè)施占地，從而為IT設(shè)備提供更充足的空間，這成為數(shù)據(jù)中心規(guī)劃和設(shè)計逐漸顯露的難題。本文以高壓直流供配電系統(tǒng)為例，提出了提高空間利用率的設(shè)計思路和解決方案。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;功率密度;高壓直流;HVDC

　　一、引言

　　近年來數(shù)據(jù)中心發(fā)展迅猛，正在成為社會運行發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。2019年是5G建設(shè)的元年。伴隨著AR增強現(xiàn)實、VR虛擬現(xiàn)實、4K/8K高清、無人駕駛、全息投影，智慧家居等新興行業(yè)的發(fā)展，海量的數(shù)據(jù)將會產(chǎn)生，服務(wù)器等設(shè)備的需求量將會爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)中心的PUE值和空間利用率問題越來越凸顯。特別是針對占比最大的租賃型數(shù)據(jù)中心，非常有必要在規(guī)劃設(shè)計之初就考慮IT設(shè)備的可擴展性及對應(yīng)的供配電系統(tǒng)的高功率密度化設(shè)計。數(shù)據(jù)中心大容量直流供電系統(tǒng)的研究也就迫在眉睫。

　　二、數(shù)據(jù)中心組成及典型主機房設(shè)計實例

　　數(shù)據(jù)中心的組成應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)運行特點及設(shè)備具體要求確定，宜由主機房、輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)等功能區(qū)組成。其中支持區(qū)是為主機房、輔助區(qū)提供動力支持和安全保障的區(qū)域，包括變配電室、柴油發(fā)電機房、電池室、空調(diào)機房、動力機房、不間斷電源系統(tǒng)用房、消防設(shè)施用房等，供配電系統(tǒng)所占面積比例最大。大中型數(shù)據(jù)中心是指主機房大于200n?的數(shù)據(jù)中心，給出主機房面積約為330m2的典型案例，共有134臺IT設(shè)備機柜提供電力支持的供配電系統(tǒng)放置在圖1(b)的綠色框內(nèi)區(qū)域。

　　主機房的使用面積應(yīng)根據(jù)電子信息設(shè)備的數(shù)量應(yīng)根據(jù)電子信息設(shè)備的數(shù)量、外形尺寸和布置方式確定，并應(yīng)預(yù)留今后業(yè)務(wù)發(fā)展需要的使用面積皿。此例中單臺機柜的面積取值約為2.46m2/臺(此處省略計算過程),而按照相關(guān)國標(biāo)規(guī)定，單臺機柜、大型電子信息設(shè)備和列頭柜占地面積可取2.0-4.0m2/臺。

　　可以看出，主機房的空間布局已經(jīng)接近設(shè)計值的下限。目前隨著超算等業(yè)務(wù)的日益普及，高密度或超高密度機柜即將成為主流，據(jù)不完全統(tǒng)計，單機柜平均功耗分別為6kW、8kW和10kW的業(yè)務(wù)比例分別為50%、30%和20%,因此單機柜平均功耗約為7.4kW,則負(fù)載需求的總功率為991.6kWo當(dāng)數(shù)據(jù)中心總建筑面積一定時，設(shè)備機柜功率需求越高，支持區(qū)為高壓直流供配電系統(tǒng)提供的面積也會隨之越大，相應(yīng)主機房面積越小，這是數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃和設(shè)計的悖論和難題。

　　三、提升高壓直流供配電系統(tǒng)功率密度的具體措施

　　為了解決數(shù)據(jù)中心用地緊張這一日漸凸顯的問題，開展高壓直流供配電系統(tǒng)新型解決方案的研究，從而進(jìn)一步提升其功率密度的工作勢在必行，本文從以下4個方面展開討論，提出有針對性的應(yīng)對方法：

　　3.1提升高壓直流供電系統(tǒng)自身功率密度

　　不間斷電源系統(tǒng)電池最少備用時間(柴油發(fā)電機作為后備電源時)為15mm111,選取設(shè)計中常見的典型值30min,終止電壓1.75V,則上例中所需的電池容量：_1.25x/xT_1.25x4721x0.5°-ij[l+a(t-25)]—0.3[1+0.01(15-25)]=10928Ah«11000Ah'3'按照O.lCp計算充電電流，共需要llOOAo傳統(tǒng)建設(shè)方式中，單個高壓直流系統(tǒng)需求多以800A(240kW)整流機柜為主，采用15kW(50A)恒功率或者早期的恒流整流模塊，需要991.6/15+1100/50=89個，同時考慮每10個備份1個，總共需要98個整流模塊，配置7個整流機柜。最近三年，由于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機架的單柜功率不斷提升，對于直流不間斷電源單套系統(tǒng)容量的要求也越來越高，目前1200A(360kW)依然成為首要選擇。但單系統(tǒng)容量經(jīng)過評估，還不足以應(yīng)對未來5G時代數(shù)據(jù)中心的需求變化，上例中仍然需要配置5個整流機柜。

　　而1600A(480kW)以上的整流機柜才能適應(yīng)不久的將來的發(fā)展方向，上例中如果配置更大容量的25kW恒功率整流模塊，相當(dāng)于在270V標(biāo)稱電壓下額定輸出電流為92.6A,需要991.6/25+1100/92.6=52個，同時考慮每10個備份1個，總共需要58個，配置3個整流機柜。可見大幅縮減機位的占地面積。

　　3.2集成配電與供電一體化整體方案

　　智能功率鏈系統(tǒng)的先進(jìn)理念逐漸深入人心，如果將供電環(huán)節(jié)與配電環(huán)節(jié)徹底打通并整合到一起，另外系統(tǒng)內(nèi)采用預(yù)制式銅排直接連接，可以節(jié)省大量電纜，同時大幅縮減占用的空間，并且減小柜間的隔離通道和操作區(qū)域，通過將繁雜的工程進(jìn)行產(chǎn)品化處理，便于快速部署，減小建設(shè)和施工周期。上例中，配合25kW恒功率整流模塊，可以將該數(shù)據(jù)中心所需要的低壓配電和近1MW功率等級的高壓直流電源全部集成到一個系統(tǒng)中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)分離式布局，實現(xiàn)變配電室節(jié)地30〜50%。

　　3.3研究和開發(fā)新型供電架構(gòu)及對應(yīng)解決方案

　　進(jìn)一步把視線延伸到低壓配電的更上游的中壓配電,可以發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)逐層分配，從10kV變壓器到高壓直流電源設(shè)備總共有3級配電，包括了樓層配電柜與大容量、中小容量的輸入配電屏，系統(tǒng)非常復(fù)雜，且施工界面很多，不易維護(hù)管理，也占用了大量寶貴的物理空間。上例中，將數(shù)據(jù)中心中的中壓配電柜和工頻變壓器、低壓配電柜，高壓直流整流柜和直流輸出配電柜全部深度整合，衍生出集成度最高的解決方案，可以實現(xiàn)變配電室節(jié)約50〜70%的占地。

　　上述幾種新增機柜的內(nèi)部組成如下：中壓配電柜采用組合電器(熔斷器+負(fù)荷開關(guān))作為終端保護(hù)器件，具有隔離及短路保護(hù)功能，同時配有接地開關(guān)，便于檢修和維護(hù)。變壓器柜采用MW級10kV/400V干式電力變壓器,采用Dynll接線方式。低壓配電柜輸入引自變壓器副邊繞組，多分路輸出，每個HVDC系統(tǒng)用輸出開關(guān)對應(yīng)5個整流模塊，保證在單個支路有故障時候能夠防止故障面擴大。

　　3.4優(yōu)化高壓直流系統(tǒng)的電氣性能參數(shù)

　　改善高壓直流系統(tǒng)的功率因數(shù)和效率，減少不必要的無功功率和熱損耗，提高供電線路和設(shè)備的電能利用率,使得變壓器、線纜、銅排，和中壓、低壓配電的熔斷器、斷路器等的容量都相應(yīng)降低，同時更易于設(shè)計散熱風(fēng)道,不僅節(jié)省了投資費用，也減小了系統(tǒng)的占地面積。需要特別指出的是，一切提高數(shù)據(jù)中心高壓直流系統(tǒng)功率密度的措施一定要以保證系統(tǒng)可靠性和可用性為前提。

　　例如業(yè)界公認(rèn)的主流設(shè)計方案是釆用AC/DC側(cè)隔離的功能，可避免直流側(cè)故障擴散到交流側(cè)，以及交流側(cè)浪涌和故障進(jìn)入直流母線以致?lián)p壞負(fù)載或電池短路。為了獲取效率的微小提升而將變換器內(nèi)部的高頻變壓器省去，采用做成非隔離拓?fù)洌瑫�產(chǎn)生很大的故障隱患。同樣為了簡化整流機柜內(nèi)布局和降低成本而減少保護(hù)裝置也會帶來風(fēng)險，例如業(yè)界公認(rèn)的主流設(shè)計方案是每個整流模塊釆用兩級MCB,若干個整流模塊再配置1個MCCB作為上級保護(hù)，保障即使有單個模塊故障，不會造成模塊故障范圍擴散。而直接將多個整流模塊只釆用1個斷路器做保護(hù)，而不釆取多級斷路器選擇性保護(hù)，一旦單個整流模塊故障會造成多個整流模塊同時不工作。

　　四、結(jié)語

　　通過對典型數(shù)據(jù)中心實例構(gòu)成的研究，提出4種提升高壓直流系統(tǒng)功率密度的創(chuàng)新型措施，通過提高改善電氣性能參數(shù)、增大單個整流模塊的額定功率，不同系統(tǒng)集成度的解決方案，最大可以節(jié)約50%~70%的變配電室所占面積(參見圖5的傳統(tǒng)建設(shè)方式、與措施2.2和措施2.3分別對應(yīng)的變配電室布局),數(shù)據(jù)中心的空間利用率得以大幅度改善，而且走線便捷，減小設(shè)計和施工的工作量。

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