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数据中心双回路电源效率模型分析

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-10-07 0:29:15 * 浏览: 8
本文介绍了数据中心干线+高压直流热备用电源方案的背景,分析了混合电源系统的效率模型,并解释了交直流混合电源方案中的系统效率取决于电源+高压直流电源系统它由IT设备电源模块的效率两部分组成,包括高压DC电源的空载功耗,配电损耗,IT设备电源模块效率和功率模块的负载率等因素,在不同的工作模式和功率模块的负载率情况下,整个电源系统的工作效率与双电源的负载分配率有关。当电源模块的空载效率低于1.5%时,建议采用100%市电负载和高压直流热备用的工作模式。在这种模式下,整个电源系统都处于工作效率。现有的数据中心主要通过UPS系统为服务器设备供电。为了保证系统的可靠性,通常采用2N甚至2(N + 1)UPS双总线系统架构为双电源服务器提供两个独立的电源。在正常情况下,服务器中的两个电源在负载共享模式下工作,各自承担服务器工作量的50%。目前,数据中心在计算PUE等能效指标时,基本上没有考虑服务器设备本身的功率转换损耗,因此在服务器的目标系统中还没有提到服务器电源的节能工作。数据中心节能管理。随着数据中心技术的大规模建设,数据中心供电系统的主要发展目标是在提高供电效率,降低后续运行成本的同时,降低电力系统的投资成本。 1数据中心电源状态分析数据中心中安装的服务器设备中使用了两个或多个电源模块,以同时为服务器负载供电。负载的总负载不超过电源模块额定容量的一半。通常,此电源系统是冗余电源系统。冗余电源系统大多采用输入总线,负载总线和共享总线的“三总线”电路结构。电源1,电源2 ...电源n是可热插拔电源模块,它们并联连接,C1,C2 ... Cn是每个电源模块的控制模块,S1,S2 ... Sn是受控电流调节器/隔离器。具体的电源结构如图1所示。当系统正常工作时,控制模块会调整电流调节器/隔离器的导通程度,以使系统以平衡的方式使用每个电源模块,即每个电源模块向系统提供相同的电流。此工作模式称为“电流”共享,或控制受控的电流调节器/隔离器以使一组电源正常工作,而另一组电源处于热备用状态。冗余电源系统中的每个电源模块都可以热插拔。一旦电源模块损坏,维护工作就可以完成而不会发生电源故障,而不会影响系统的正常运行。本质上,冗余电源系统可归因于双电源系统。服务器采用双电源设计,以提高服务器本身的可靠性。如果双电源服务器的每个电源都可以通过独立的电源路由从独立的电源获得电源,则可以获得可靠性。在这种电源系统架构中,关键点是电源布线和电源的独立性。从传统意义上讲,保证电源系统架构,即UPS系统(单机/串联热备份/ N + 1直接并联)无法实现独立供电,匹配的电源路由也不能独立。换句话说,每个链接中都有明显的单点故障。因此,2N / 2(N + 1)电源结构是基于服务器冗余电源结构的电源解决方案。因此,TIA-942将2N / 2(N + 1)电源结构分为Tir4(可靠性)电源级别。 2数据中心双电源模式随着市电电源可用性的提高,使用一个市电和一个可保证电源向服务器供电的解决方案已成为技术发展的热点。此解决方案最初源自备用UPS设备。当市电正常时,备用UPS使用市电直接为负载供电,可以节省UPS转换链路的损耗。当主电源出现故障或异常时,它将切换到UPS电池逆变器。回路保证了电源。随着高压直流电源系统的发展,一种市电+一种高压直流保证电源的供电方案逐渐出现。这种供电方案不仅利用了直接供电的特点,而且没有市电的转换损耗,而且保证了电池供电。该组直接为负载提供断电保护,并且系统可用性远高于备用UPS系统。互联网公司已经在自己的数据中心中少量使用了它。根据市电和保证电源的不同工作方式,新的双回路电源系统可以分为两种工作模式:①工作模式一(均分模式):在正常情况下,市电和保证电源各承担50%服务器设备。 %负载,如果任何电源出现故障,则另一个电源将承担100%的负载。 ②工作模式2(主备模式):主电源在正常状态下承担服务器设备100%的负载,以确保电源处于热备用状态。当电源出现故障时,保证电源可以承受100%的负载。根据系统架构,新的双电源系统可以分为两种系统结构:①结构1:电源端是一个电源+一个UPS系统,以及②结构2:电源是一个电源+一个高压直流系统。受电端为双电源(一个直流型,一个交流型)服务器。具体的系统结构和技术演进如图2所示。3双向电源系统效率分析对于数据中心基础架构,输入为电能,有效输出为计算设备消耗的电能。数据中心的模型是电力系统。它的“总输入”是从市电消耗的电能,而“有效输出”是其用于计算的电能的一部分,可以用提供给IT设备的电能来表示。目前,大多数数据中心服务器设备都使用2N / 2(N + 1)UPS系统供电。通过变压器减少主电源后,在主油转换,低压配电和谐波控制之后,由UPS提供不间断电源。 PDU分配给IT设备,并且每个链接都会导致功率损耗,并且该损耗发生在UPS链接和IT设备的电源模块部分。 (1)根据公式(1),有两种方法可以提高与供电系统有关的数据中心的效率:①提高电力设备(UPS设备)的转换效率,降低其工作期间的能耗,②增加IT设备的电源另一端的工作效率可以减少工作中的能耗。针对电源转换环节,传统数据中心采用UPS双总线供电系统,系统架构如图3所示。每个UPS系统都是并行冗余系统。在实际应用中,并行UPS系统的数量并不太多。通常,大多数为1 + 1并行或2 + 1并行。在并行冗余系统中,当UPS设备发生故障时,系统仍可以供电,这要求将通常的独立单元中每个UPS的负载率保持在较低水平,例如,对于单个UPS单元(1 + 1)系统的负载率为50%,(2 + 1)UPS系统的独立负载率为66%。如果考虑到负载可能的突然变化,系统必须保持一定的裕量。实际上,根据系统的80%容量,UPS的每台独立负载率为40%(1 + 1系统)到55%(2 + 1系统)。参见Figur中的典型UPS负载效率曲线e 4,UPS单机设备的运行效率大部分在90%到94%之间,UPS设备的负载率在40%到70%之间。在供电系统的实际运行中,考虑到设备的双向供电,单台机器的负载率在20%至40%的范围内,而UPS设备的运行效率主要是80%到90%之间。如果采用新的双电源供电方式,则可以使用一个市电电源和一个高压直流电源为IT设备供电,可以有效减少UPS设备的工作损耗。 ①在工作模式1(均分模式)的情况下,将电源电路的功率转换损耗减小到了一半,高压直流电源侧的工作效率提高了约1%至2%负载率相同的UPS设备双线路电源系统的工作效率比UPS双总线系统的工作效率高3%至8%。在两种工作模式(主/备用模式)的情况下,主电源电路侧的功率转换损耗将减少到一点点。但是,高压直流电源侧将空载运行。考虑到新的双回路电源系统的工作效率比UPS双总线系统的工作效率高8%至12%,将影响高压直流电源设备的空载损耗。整个系统的效率具有重大影响。高压直流电源设备的空载损耗越小,整个系统的工作效率就越高。工作效率计算公式为(2)对于IT设备的电源侧,忽略交流或直流配电线路的损耗,IT设备双电源的整体电源效率取决于两个电源模块的不同工作模式以及输入电源的格式。 IT设备双电源模块的总效率计算公式为(3),其中X为电源模块的负载比,η1(电源模块的电源效率),η2(电源模块的电源效率)。第二个电源模块。从等式(3)可以看出,η是由可变负载百分比X决定的,而由X的变化引起的η1和η2的变化又由两个功率的电力系统效率决定。受特性曲线影响的电源线,当采用市电高电压直流热备用模式时,可以简单地考虑X = 1。因此,要获得η,需要合理选择X(电源模块的负载比)。空载状态下功率模块的内部损耗未反映在公式(3)中。如果IT设备的电源模块的空载损耗太大,则会降低整个系统的输出效率。因此,不能简单地认为由市电提供100%的电力,即,当X = 1时可以获得效率输出。根据公式(3),影响IT设备电源模块效率的关键因素包括η1,η2效率曲线和电源模块损耗。有关电源模块的效率和负载率之间的相关曲线,请参见图5。当负载率为50%时,效率达到了极限。因此,如果不考虑电源模块的空载损耗,并且IT设备在电源模块的满负载下工作,则IT设备在双电源模块选择均分工作模式时,即:当每个模块输出50%的负载时,整体工作效率。服务器电源模块有以下三种工作条件:①铭牌功率:指服务器电源的铭牌功率;②工作条件:指带电负载时服务器系统的功耗;③典型工作条件:CPU在100%利用率时的功耗。从图5可以看出,服务器的工作状态为铭牌额定值的80%。这是因为服务器制造商在选择电源模块时会考虑20%的电源过剩。典型的工作条件约为铭牌额定值的67%。实际上,服务器在正常运行期间的功耗小于典型运行条件。参考如图5所示,以50%的功率模块负载率为对称轴,当负载率高于50%时,效率值略有下降,但高于对称负载率且低于50% 。假设功率模块损耗可以分为固定空载损耗和可变空载损耗,则根据实际测试数据,可以将空载损耗控制在铭牌额定值的1.5%左右。基于以上三个因素,在主备模式下选择IT设备双电源模块(主模块承担100%,热备模块承担0%)时,总体工作效率处于该状态。 4城市直接供电的影响和相应的措施由于电涌保护,谐波*,短路保护的复杂性增加,城市电力直接向服务器供电的方式将对电源系统的可靠性产生不利影响。以及交流和直流布线。因此,市电直接供电系统的雷电过电压保护应采用分级保护和分步限压保护措施。考虑到数据设备的重要性,应在直接供电的情况下增加良好的雷电过电压保护和绝缘配合。此外,在市电直接供电系统和其他备用UPS(AC,HVDC)系统之间应采取相应的等电位措施。