采用綠色休眠在線UPS技術(shù)提升數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo)

一　引言

綠色節(jié)能已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)據(jù)中心建設(shè)的潮流，而能源使用效能值（PUE）則是衡量數(shù)據(jù)中心競爭力的一個(gè)重要指標(biāo)。據(jù)最新的報(bào)道，國外最先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心的PUE值可以達(dá)到1.06，而我們國家IDC的PUE平均值則在2.5以上，這意味著IT設(shè)備每耗一度電，就有多達(dá)1.5度電被數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施消耗掉了，這一現(xiàn)象在中小規(guī)模數(shù)據(jù)中心中更為嚴(yán)重，通常其PUE的測量值普遍在3左右。這表明有大量的電能被消耗在供電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)這些基礎(chǔ)設(shè)施上了，而用于IT設(shè)備中的電能僅為總耗電的33%。

專注于解決數(shù)據(jù)中心能耗問題的綠格子組織（GeenGrid）近日推出了兩個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)，分別是炭使用率（CUE）標(biāo)準(zhǔn)以及即將推出的水使用率標(biāo)準(zhǔn)（WUE），旨在更強(qiáng)烈地推動(dòng)數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)的快速改善。因此，無論從節(jié)能還是生存角度看，PUE值都應(yīng)該引起數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商的高度重視。

對于影響數(shù)據(jù)中心PUE值的供電、制冷兩大基礎(chǔ)設(shè)施而言，供電系統(tǒng)的能效是問題的根本，因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)的低效加劇了制冷系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，雙倍地導(dǎo)致了PUE指標(biāo)的攀升。而數(shù)據(jù)中心所有營運(yùn)負(fù)載幾乎都是通過UPS電源來供電的，因此如何進(jìn)一步挖掘UPS系統(tǒng)的工作效率，將是快速改善數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)乃至整個(gè)數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)的核心途徑。

二IT負(fù)載對供電系統(tǒng)的真實(shí)需求

要提高整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的能效，我們必須重新來科學(xué)地審視數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載，挖掘IT負(fù)載對輸入電源供電品質(zhì)的真實(shí)需求。

當(dāng)前IT負(fù)載內(nèi)部的輸入電源模塊基本采用兩種標(biāo)準(zhǔn)制式，即ATX制式和SSI制式。這兩種制式電源的主電路如圖1所示。

（a）ATX標(biāo)準(zhǔn)

（b）SSI標(biāo)準(zhǔn)

圖1　IT負(fù)載的輸入電源

分析這一電源的工作原理可以看出，無論是ATX還是SSI電源，輸入的220V交流電進(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后，都必須經(jīng)四級(jí)變換，最后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負(fù)載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的IT負(fù)載”使用。這四級(jí)變換分別為：

1.輸入濾波級(jí)：噪聲抑制與濾波，對輸入交流電進(jìn)行必要的濾波；

2.第一變換級(jí)，橋式整流器，將穩(wěn)定或不穩(wěn)定的220V交流電變?yōu)榧s200~300V的直流電；

3.第二變換級(jí)：高頻逆變器，將經(jīng)濾波的直流電經(jīng)高頻開關(guān)PWM調(diào)制轉(zhuǎn)換成精度非常高的穩(wěn)壓穩(wěn)頻交流電。不同的電源，這一交流電頻率通常會(huì)在50KHZ到250KHZ之間選定，隨著電源技術(shù)的進(jìn)步和功率器件的發(fā)展，這一頻率將來可能高達(dá)1MHZ；

4.第三變換級(jí)：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；

5.第四變換級(jí)及輸出濾波級(jí)：高頻整流器及輸出濾波，將穩(wěn)定的高頻交流電轉(zhuǎn)換成恒定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。

從這四級(jí)的變換過程可以看出，IT電源自身具有非常高的對電網(wǎng)干擾的凈化、隔離功能及對電壓、頻率波動(dòng)的穩(wěn)壓功能，而且一般服務(wù)器負(fù)載對輸入交流電源電壓、頻率窗口的適應(yīng)性非常寬。以HPProliantDL380服務(wù)器為例，其輸入電壓范圍為AC100~240V，頻率輸入范圍為50~60HZ；SunFireV100服務(wù)器的輸入電壓范圍為AC90~264V，頻率輸入范圍為47~63HZ。與UPS相比，其對市電電壓與頻率的適應(yīng)能力不亞于絕大部分的UPS電源，甚至優(yōu)于UPS電源。

由此，我們可以得出如下結(jié)論：IT負(fù)載完全允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的輸入交流電源。這一結(jié)論也與IEEE給出的計(jì)算機(jī)對電能質(zhì)量要求的ITIC曲線完全相符，如圖（2）所示。

圖2　IT設(shè)備的ITIC曲線

四、改變UPS工作模式來提高能效的可能性

當(dāng)前數(shù)據(jù)機(jī)房UPS系統(tǒng)的工作模式為雙變換在線工作模式，本來的目的是通過“AC-DC和DC-AC的雙變換”給IT負(fù)載提供穩(wěn)定的凈化電源。但是在這一模式下，UPS的效率很低，通常滿載工作效率僅90~95%（視UPS結(jié)構(gòu)的不同），如果對于當(dāng)前數(shù)據(jù)機(jī)房普遍采用的2N電源系統(tǒng)架構(gòu)，其正常工作的最大負(fù)載率僅為40%左右，在這一負(fù)載率下，UPS的工作效率也相應(yīng)降低，通常約為85~94%左右，這導(dǎo)致了能源的極大浪費(fèi)并降低了整個(gè)數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo)。

根據(jù)上一節(jié)的分析，IT負(fù)載自身的輸入電源具有“AC-DC、DC-AC、AC-AC和AC-DC的四個(gè)變換級(jí)”，而且其變換的頻率是當(dāng)前所有UPS的開關(guān)變換頻率的10~20倍以上，因此其變換輸出的精度也幾乎是UPS的10～20倍，而且IT電源自身也允許輸入交流電源在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，可見在絕大部分的工作時(shí)間內(nèi)，UPS的雙變換對于IT負(fù)載來說是完全沒有必要的多余重復(fù)，這就如同一個(gè)十歲的孩子不再需要預(yù)先嚼細(xì)的食物一樣。其次，從數(shù)據(jù)中心機(jī)房的輸入供電系統(tǒng)看，通常都配置了專用的大容量10KV/380V隔離變壓器、補(bǔ)償電容柜、防雷防浪涌抑制器等，其輸入市電的品質(zhì)也得到了較好的保證。筆者曾對某企業(yè)數(shù)據(jù)中心的輸入市電進(jìn)行了長達(dá)三個(gè)月的電能質(zhì)量檢測，測量結(jié)果看出市電的電能質(zhì)量是非常優(yōu)秀的，其電壓純凈度、穩(wěn)定度，頻率穩(wěn)定度及其它干擾、瞬時(shí)電壓畸變等的數(shù)據(jù)甚至優(yōu)于UPS供電輸出。

所以，在這樣的市電及IT負(fù)載電源背景下，為了進(jìn)一步提高節(jié)能水平，考慮對數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)引入效率高達(dá)99%的綠色休眠技術(shù)，并依據(jù)輸入市電的品質(zhì)設(shè)置自動(dòng)分級(jí)運(yùn)行模式，直接用IT負(fù)載內(nèi)部電源的“高精度四變換”代替UPS電源的“雙變換”，消除多余的“重復(fù)變換”，是完全可行和必要的。

五、UPS綠色休眠在線模式的原理

與雙變換在線工作模式剛好相反，綠色休眠在線模式的工作原理是在輸入市電品質(zhì)較好的情況下，將市電通過UPS旁路直接供電給數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)載，而UPS內(nèi)部的逆變器處于在線備份狀態(tài)，從而使整個(gè)UPS系統(tǒng)的供電效率高達(dá)驚人的99%，而且這一休眠效率不受UPS負(fù)載率的影響，實(shí)現(xiàn)了“UPS基本不耗能”的節(jié)能降耗總目標(biāo)；同時(shí)通過微秒級(jí)的快速跟蹤及DSP技術(shù)，始終保持逆變器在線備份的電壓、頻率、相位參數(shù)完全與旁路輸入同步，保證了分級(jí)切換的“不間斷”。

根據(jù)輸入市電的品質(zhì)，這一UPS系統(tǒng)的工作可分成下列三級(jí)：

第一級(jí)――綠色休眠在線模式。如下圖所示，當(dāng)UPS檢測到市電的電壓與頻率落在最里邊的圓內(nèi)時(shí)（圓的大小即第一級(jí)模式時(shí)的電壓U1與頻率F1可依據(jù)負(fù)載的性質(zhì)　及輸入市電的狀況改變與設(shè)置），UPS自動(dòng)進(jìn)入綠色休眠節(jié)能模式運(yùn)行。在這一模式下，UPS內(nèi)部的整流器、逆變器、充電器均處于在線休眠狀態(tài)，不僅基本不損耗電能，而且使主功率器件也處于電休眠狀態(tài)，提高了這些UPS內(nèi)部核心部件工作的可靠性并延長其使用壽命。

圖3　UPS分級(jí)運(yùn)行模式

第二級(jí)――雙變換在線模式。當(dāng)市電的電壓與頻率波動(dòng)加劇，超出最內(nèi)部的圓形界線落在圖3中間的圓環(huán)型帶區(qū)時(shí)，UPS立刻轉(zhuǎn)換到整流、逆變的雙變換模式，此時(shí)的UPS40%負(fù)載工作效率通常在85~94%左右,與目前數(shù)據(jù)機(jī)房UPS的工作模式完全相同。

第三級(jí)――電池放電逆變模式。當(dāng)市電的電壓與頻率越出中間的圓時(shí)或者停電時(shí)，即超出了UPS整流輸入所允許的電壓與頻率范圍時(shí)，UPS將關(guān)斷整流器，進(jìn)入電池放電工作模式，此模式下UPS的滿載工作效率約為86～95%左右。

根據(jù)國內(nèi)典型的數(shù)據(jù)中心實(shí)際電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對于進(jìn)行上述分級(jí)運(yùn)行的UPS系統(tǒng)，如果設(shè)定U1=240V,F1=51HZ，其一年的95%時(shí)間將運(yùn)行在休眠模式，小于5%的時(shí)間工作在雙變換模式，不到1%的時(shí)間工作在電池放電模式。如果以一個(gè)負(fù)載容量為5000KW的中等規(guī)模IDC機(jī)房采用老