本文基于中國電網和 IT 負載電源的發展，分析了當前數據中心幾種主要供電制式的產生背景與利弊，提出了基于全新的“零級變換”概念的數據中心交流直供供電制式。
由于海量數據和巨大算力的需求驅動，近年來數據中心在數量、規模上迅速擴大，機柜功率密度與實際承載率也急劇提升，巨大的電耗使與碳排放、PUE、TCO 密切相關的供電制式變革成為國家、行業和數據中心三級體系關注的焦點。本文將基于中國電網供電品質現狀和 IT 設備電源技術的發展，討論與分析當前中國數據中心行業幾種主要供電制式的應用局限性，提出基于“零級變換”概念的數據中心交流直供供電新制式。
數據中心供電制式發展的前提與必要條件
01中國電網的發展與供電穩定性
根據國家能源局 2019 年的數據：中國的年發電量為 71118 億千瓦時，占全球的 1/4，比美國多 50% 以上，大約是歐盟的 2 倍，相當于美國、日本、俄羅斯三國的總和；
其次，中國電網規模全球第一，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的國家；
第三，中國電網的供電能源的多樣化與規模全球第一，目前水電、核電、太陽能、風能等綠色清潔能源已經占到了 30%；中國城市客戶 380V 等級的供電可靠率達 99.955%(數據來源:國家電網報)。
對大型 A/B 級數據中心來說，如果采用來自兩路不同源 110kV 變電站的 10kV2N 供配電架構，即使基于單路 380V 電網 99.955% 的供電可靠率，可近似算得 2s 冗余架構的電網供電可靠率為 99.998%，一年最大也僅有約 631s 的累加停電時間。外部電網供電的穩定性是數據中心可靠供電的前提，也是驅動數據中心供電制式變革的保證。
02IT 負載電源的發展與供電適應性
傳統的觀點認為 IT 類設備對供電質量非常敏感，但事實上包括普遍使用的 X86 服務器在內的現代 IT 設備對供電質量并不敏感，參數指標比想象中要寬泛得多。
典型的 IT 設備內嵌電源 PSU 工作原理如圖 1 所示（最新的 IT 設備電源已經采用了 LLC 電路和輸出同步整流技術,使效率更高）。當 220V/50Hz 的外部交流電源進入 IT 設備后，首先進入 IT 設備的 PSU 電源模塊，經 EMI、AC/DC 整流、PFC、帶高頻隔離變壓器的 DC-DC 變換器、輸出濾波等環節變成 DC12V 后（部分 IT 還有 5V 和 3V），才向 IT 設備的芯片、電路板及風扇等供電。
這一過程通常有高達 ±20% 以上的輸入電壓/頻率運行范圍（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（參數來源IntelServerSystemH2000WPfamily），并會過濾掉輸入電壓中存在的諸如電壓失真、噪聲干擾、沖擊電壓等供電質量問題。
同時 IT 設備電源還有一定的輸入斷電耐受時間，如 ATX 標準要求當輸入斷電時，12V 輸出 Hold-up 時間最小為 17ms，而 SSI 標準則要求超過 20ms，而 IntelServer 標準要求這一時間為 13ms。IT 設備對輸入電壓、頻率、電流的寬泛要求，為數據中心供電制式的變革提供了第二個必要的前提。
當前國內數據中心供電制式的現狀與問題
01UPS 雙級變換供電制式
早期的 IT 負載對供電品質要求較高，是 UPS 雙變換供電制式成為目前數據中心使用時間最長、應用最廣、認知最深的供電制式的價值所在。其供電系統圖及工作路徑如圖 2 所示。
1.正常路徑
在市電供電正常時，UPS 經過 AC/DC 和 DC/AC 的“兩級變換”給數據設備負載供電，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，蓄電池經 UPS 的 DC/AC 逆變器給數據設備負載供電，提供后備供電功能。
3.應急路徑
當 UPS 故障時，UPS 將不間斷地轉靜態旁路，市電經由 UPS 內置的旁路電子開關給數據設備供電，提供應急供電功能。
這一供電制式的優勢是具有可不間斷相互切換的三條供電路徑來保證 IT 負載的安全供電；其次是采用全交流供電，可適應數據中心全域負載的供電需求且輸配電結構簡單。
不足之處是，正常運行時能量需要經過兩級變換輸出，對于目前的電網供電品質和 IT 負載適應力來看，這一雙變換導致的能效損失在 99.998% 的時段內是完全沒有必要的。
但令人慶幸的是，隨著 UPS 高頻化技術的發展，多電平變換技術及 SiC 等新器件的采用，目前 UPS 雙變換的最高效率已經達到 97.5%；其次，早期的 UPS 因為都采用非模組化架構，其維修服務響應長也是廣受非議的問題之一。
02HVDC 高壓直流供電制式
01HVDC 供電制式的應用背景
2010 年左右，由于當時中國通信行業機房的負載率普遍較低，又大都采用效率較低的工頻 UPS 供電，導致 UPS 的運行效率低下（大約在 80% 左右），這與當時國家已經開始倡導的節能減排政策相悖；其次是工頻 UPS 幾乎全是分立功率器件的塔式一體機，其故障定位與維修時間都較長，這也給數據機房的實際運行帶來了一定的負面影響。
為此,通信行業的電源專家開始探索是否可以采用 240V 的直流來給 IT 設備供電，經實驗測試發現,絕大部分之前由 AC220V 供電的數據設備可以直接用直流 240V 供電，而無需改變 IT 設備的內部結構。這一發現誕生了中國數據中心的第二種供電制式，即 HVDC（高壓直流）供電制式。這是國內電源專家第一次對數據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（與電網的 100 萬伏 HVDC 同名，但沒有關聯），其供電路徑分述如下:
■ 正常路徑：在市電供電正常時，HVDC 經過 AC/DC 及 DC/DC 變換輸出直流電（276V 或 380V）給數據設備負載供電，提供凈化電源功能。
■ 后備路徑：在市電供電中斷時，蓄電池經直接給 IT 負載供電，提供后備電源功能。
■ 應急路徑：無（因為交直流無法不間斷切換而無法設置。當直流系統故障后，無法提供旁路供電路徑）。
03HVDC 供電制式的早期應用優勢與現狀
HVDC 的成功推出相比于早期的工頻 UPS，確實提高了電源的運行效率大約 10% 以上，簡化了故障定位并縮短了維修時間，電池放電也不再受 UPS 逆變器故障的影響。同時，很多數據中心早期通過一路市電、一路 HVDC 的“準 2N ”架構，也確實節省了建設投資。
這些都有益地推動了數據中心的發展，尤其是在得到 BAT 的“創新應用”青睞后，HVDC 供電制式安裝數量得到較快增長，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 的應用普及，目前 HVDC 相對于 UPS 的應用優勢如運行效率、故障定位、維修時間等的傳統優勢開始喪失，但其直流供電帶來的應用缺陷卻開始顯現；其次，在數據中心建設與改造中，由于其顯而易見的問題與隱患,原先的“準 2N ”架構正在普遍被“真 2N”HVDC 架構所淘汰，原先的節省投資功能也隨之消失。
04HVDC 供電制式的數據中心應用局限
■ HVDC“三級變換”的節能問題
HVDC 在初期推廣宣傳時非常強調其“一級變換”理論，宣稱比 UPS 效率高的原因是只需要 AC/DC 的一級變換，而不象 UPS 需要 AC/DC 和 DC/AC 的兩級變換，所以具有更高的運行效率。
事實上，HVDC 的 DC240V 并不能通過一級變換來得到。根據 YD/T2378—2011《通信用 240V 直流供電系統》通信行業標準的要求“交流輸入應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” 的三級變換拓撲，便是 HVDC 電源必然的選擇。
如果與 UPS 等同的變換級來比較，那 HVDC 應該是“三級變換”。公開資料顯示，最新的 HVDC 典型模塊效率僅達 94%～96%，而當前高頻 UPS 普遍已將整機效率做到了 97% 以上；在實際運行時，HVDC 與模塊架構的高頻 UPS，都可以通過模塊休眠技術來提高低負載率時的運行效率。所以與現代高頻 UPS 相比，HVDC 已經不再是節能產品了。
HVDC 正常運行時能量需要經過“三級變換”輸出，對于目前的電網供電品質和 IT 負載適應力來看，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。
■ 多元化客戶數據中心的供電局限
很多大型 Colo 數據中心都是多用戶群租的，由于用戶的多元化帶來了其 IT 機柜內服務器與通信設備品類的復雜化，HVDC 的直流供電很難保證能適應所有各類用戶 IT 服務器供電需求，所以，通常這樣的數據中心都無法采用 HVDC 來供電。
原先采用 HVDC 供電的客戶遷移退租后的數據中心設備改造問題。
原先采用 HVDC 供電的數據中心，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，導致需要更換原先整條供電鏈路的所有設備，如 HVDC 電源、直流配電系統、列頭柜、PDU、蓄電池和電纜，導致巨大的 Capex 損失。
■ 無法帶數據中心全域負載的問題
數據中心負載不僅有服務器、網絡設備、通信設備等 IT 負載，更有保障 IT 設備制冷需求的水泵、風機等動力負載，所有這些設備都是不能停電的。目前 HVDC 還不能保證能給所有的 IT 負載供電，更無法給動力系統負載。這意味著以 HVDC 供電為主的數據中心，同時需要配置交流 UPS 來供電，這導致交流、直流供電系統在數據中心供電和 IT 端供電的混用，使電源品類管理與運維復雜化。
■ 無應急供電路徑的局限
受制于交流電和直流電不能并存來實現不間斷切換的現實，HVDC 無法提供象 UPS 靜態旁路這樣的第三條應急供電路徑。當主輸入配電線路或電源柜系統故障時，后備電池（通常 15min）放電截止后，負載將直接面臨斷電風險又束手無策的尷尬境地。
■ 電池直掛負載母線問題
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 的電池直掛負載母線，電池放電電流不可控，無 UPS 所具備的共享放電測試功能，蓄電池的健康狀況難以判斷；其次是當電池出現故障（如漏液或短路）或電池系統性失效時，與電池直接相連的負載供電必然受到影響，甚至于出現斷電事故，這在國內數據中心已經有慘痛的教訓。
■ 配電開關、按鈕、PDU 等的選型操作及拉弧問題
實驗表明，HVDC 的 240V 直流供電系統在開關、按鈕、插拔等操作分斷電流時，出現拉弧、起火或燒毀等現象的嚴重程度及概率會遠高于交流 220V 系統；其次，目前直流配電開關單極分段的額定電壓等級只有 250V，HVDC 的 276V 應用已經超過了其安全范圍。
0310kV交流輸入的直流供電制式級
為了進一步提高數據中心的運行效率，業界對 HVDC 在效率與可交付性上進行了創新發展，推出了 10kV 交流輸入的直流供電不間斷電源系統（MVDC 電源），下文簡稱巴拿馬電源。
巴拿馬電源供電制式的主要創新可總結為三點：首次把 10kV 中壓變壓器、HVDC 組合成一體的供電系統；通過采用 36 脈沖中壓移相變壓器，優化了 HVDC 的拓撲，將 HVDC 模塊的變換級從原先的三級變為兩級，使 AC10kV 輸入端到 DC276V 輸出端的多級變換電源系統效率提升至 97%（99% 變壓器效率*97% 優化的 HVDC 效率）；同時將單系統的交付能力從原先 HVDC 的 1200A 提升到 1.2MW。
巴拿馬電源稍顯復雜的是使原先單繞組的變壓器變成了六繞組如圖 7 所示，使變壓器設計、制造與維護工作量增大；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體現在 MVDC 供電制式上。
交流直供供電制式
01數據中心交流直供供電制式及其優勢
綜合前面的分析可見,當前數據中心供電制式最大的問題是，在電網的供電品質完全超越 IT 負載安全供電需求的時段內，依然采用能耗浪費嚴重又導致電源設備自身故障率升高的“多級變換”交流或直流供電制式，來實現對 IT 負載的供電是否仍有必要的問題。正是基于對這一問題的正視，本文提出了基于“零級變換”理論的交流直供供電制式。
在市電供電良好的 99.955% 時間內，UPS 通過靜態旁路運行在交流市電直接向 IT 負載供電的狀態下，來實現高達 99% 的效率，因此得名為“交流直供”，以凸顯它的交流供電架構和與 HVDC 直流供電的區別;其次，由于它同時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“單機或并機系統雙變換回路在線休眠功能、逆變器無間斷啟動與切換功能、旁路快速鎖止功能功能、雷暴偵測與鎖止功能、逆變器的反向有源濾波功能、負載短路設部與鎖止功能、交直流濾波器的實時接入功能”的特定 UPS 來實現，其主電路拓撲與雙變換 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% 時間內，單機或并機系統的整流器和逆變器處于在線休眠狀態，系統效率可達 99%。此時,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 反向二極管構成的雙全橋整流電路維持直流母線電壓，UPS 的控制系統及同步跟蹤功能保持運行，確保市電不正常時能實現逆變器的“不間斷”投入；逆變器前后的 EMI 電路、交直流濾波電路參與對市電諧波、高頻干擾和瞬時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。
當市電超限（±10%、±15% 可設定）或斷電時轉到逆變模式，快速切換專利技術確保短時間內由市電經雙變換或電池逆變放電向負載供電，這一切換的典型時間不到 2ms（如果不考慮波形畸變,實際可為 0ms），充分滿足負載“不間斷”的供電要求。在市電回復后，根據預先設定的時間和滯回值，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 實時產生追蹤旁路市電的 PWM 驅動信號，但在最后施加到 IGBT 時被鎖止；當需要提供逆變輸出時 PWM 驅動信號可以在極短時間內驅動 IGBT 實現輸出帶載。相關控制單元及檢測電路（如面板顯示，電壓檢測，電流檢測、同步信號等）保持實時運行，確保系統能快速切換。
02電網適應性和IT負載適應性評估
交流直供供電制式下的供電品質是否能滿足 IT 負載的輸入電源需求，是交流直供制式能否作為數據中心標準供電制式來推廣的前提，為此，本文基于當前 IT 負載的相關標準做了下列比較（綜合 ATX/SSI/Intel 標準為例），詳見表 1。
從表 1 可見，在正常市電供電及交流直供相關功能的支持下，交流直供完全可以滿足數據中心 IT 負載的全時域供電需求。
03交流直供制式的技術優勢
①運行效率(PUE)與可靠性優勢
相對于前文提到的其它供電制式,交流直供制式在保 IT 負載安全供電的前提下，革命性地采用高效的“零級變換技術”，使 99.955% 的時間內電源系統的效率高達 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（假設兩者的 10kV 變壓器效率相同）；基于變換級的供電制式，效率通常隨負載率的升高而升高，而交流直供模式的效率基本不受負載率的影響,實現了全生命周期、全時態的 99% 效率。對于 20MW 的數據中心來說，相對于傳統 HVDC 供電模式，預估 10 年節省電費在 7000 萬以上。
由于交流直供電源基本處于在線休眠模式狀態，相比于其它運行在多級變換供電制式的電源而言，由于關鍵的器件如 IGBT、電容、電感都在靜態休眠狀態，減少了發熱和電磁作用，其工作壽命與實時可靠性都大幅提高。
②全交流供電輸配電架構優勢
相對于前文提到的數據中心直流供電局限與問題，交流直供采用交流輸配電架構，完全適應數據中心全域負載的供電需求。
04交流直供運行安全性保證
①切換安全性及其實踐驗證
采用 UPS 交流直供制式供電，用戶最大的擔心是，能否在市電停電時快速切換到逆變輸出以保證負載供電的連續性，而且這一切換安全性是否得到了長期運行實踐的驗證。
要實現快速轉換需滿足兩個條件：UPS 開啟逆變器的速度足夠快、關閉旁路靜態開關的速度足夠快。以伊頓公司的 9395 產品的技術為例來說明：伊頓 9395 內置的交流直供技術可以保證逆變器快速啟動并達到滿載輸出條件；續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；直流電壓恒定存在，為逆變器的瞬時啟動創造了條件；因逆變輸出保持閉合，逆變器始終處于“就緒狀態”；PWM 脈沖寬度調制信號與市電始終保持同步；逆變器退出“就緒狀態”并正常輸出所需的唯一步驟是對 IGBT 進行驅動導通，該過程 640μs 左右就能完成。
交流直供模式下旁路靜態開關處于閉合狀態，市電異常時必須將其快速斷開以確保將負載從電網脫離，從而隔離來自電網的干擾等不利因素。伊頓專利的靜態旁路快速切換技術（SCR 反向電壓激勵技術）可以確保靜態開關在 600μs 內的快速關斷,而無需等待傳統關機技術需要下一次過零點的 8ms 時間。
交流直供運行模式下市電出現斷電或異常時 UPS 系統需要一定的檢測時間，該檢測過程在 320μs 內能夠完成；從旁路帶載到逆變輸出的切換過程還需要約 320μs 的反饋時間，加上前述的逆變器啟動時間（9640μs）及靜態旁路的關斷時間（600μs），伊頓交流直供技術在旁路市電出現斷電等極端情況時切換到逆變滿載輸出的理論時間為 1880μs（1.8ms），極端情況下的實測轉換時間小于 2ms（如果不考慮波形畸變，這一時間為 0ms）。根據前述，IT 設備允許斷電時間為不超過 13ms，這充分保證了切換期間的 IT 設備運行安全。
目前，伊頓的交流直供技術已經在全球 7～12nm 等級芯片產線上得到了 5 年以上的大規模運行驗證（目前也用在 5nm 產線），也在中國許多大型數據中心的動力系統得到了近 5 年以上的大規模實踐驗證，證明了切換的高安全性和高可靠性。
②對惡劣供電環境下敏感負載的保護
交流直供技術具備智能的雷暴偵測功能，當 UPS 偵測到在一定時間內（默認 1h，可設定）持續出現 3 次市電異常，UPS 將會推斷可能正遭遇雷暴等異常狀況，系統退出交流直供模式，并將負載鎖定在雙變換運行狀態 1h。若市電不再出現異常，UPS 會解除鎖定,并再次自動進入交流直供模式。
③具備對上下游故障的智能判斷能力
交流直供技術能智能判斷電源問題是來自輸入電源還是由負載短路引起。若電壓和電流急劇下降，則 UPS 上游進線故障，UPS 快速轉換為逆變器供電，以確保負載供電的連續；若電壓急劇下降，但電流急劇增加，則 UPS 下游（負載側）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動作以分斷故障回路。
④與傳統 ECO 方式在安全性方面質的差異
出于對安全供電的擔心，ECO 自推出幾十年來，少有人問津。傳統 ECO 模式下，市電正常時整流器和逆變器始終處于空載待機狀態，整流器和逆變器的持續運行不僅導致運行效率的低下（一般僅為 97%），而且長期運行也抬高了系統的故障率，降低了系統壽命；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揮凈化電網的作用，供電品質變差；最為關鍵的是，市電中斷時需要在旁路徹底關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通，解決了客戶最擔心的動態切換安全性問題，其工作原理見前面介紹。與傳統 ECO 模式相比，交流直供模式在效率、供電品質、運行可靠性、切換安全性方面都存在質的不同。
結論
在保證數據中心 IT 負載供電安全與電源品質的前提下，采用近乎無損的“零級變換”技術來實現數據中心的供電，一直是數據中心供電制式變革的目標。通過采用零級變換的交流直供供電制式來代替當前數據中心普遍采用的多級變換供電制式，不僅可以顯著降低數據中心的運行 PUE，呼應國家的碳中和、碳達峰戰略，還可以提高電源系統自身的可靠性。
與目前部分數據中心采用的直流供電制式相比,全交流供電架構在保證數據中心客戶的連續性、供電負載的全域性方面具有得天獨厚的優勢。后續將會提供數據中心在交流直供模式下的安全運行與 PUE 實測數據,推動數據中心加速邁入更綠色的“交流直供”時代。
山東億達公眾號
山東科普公眾號
