采用綠色休眠在線(xiàn)UPS技術(shù)提升數據中心的PUE指標

一　引言

綠色節能已經(jīng)成為當今數據中心建設的潮流，而能源使用效能值（PUE）則是衡量數據中心競爭力的一個(gè)重要指標。據最新的報道，國外最先進(jìn)的數據中心的PUE值可以達到1.06，而我們國家IDC的PUE平均值則在2.5以上，這意味著(zhù)IT設備每耗一度電，就有多達1.5度電被數據中心的基礎設施消耗掉了，這一現象在中小規模數據中心中更為嚴重，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、制冷系統這些基礎設施上了，而用于IT設備中的電能僅為總耗電的33%。

專(zhuān)注于解決數據中心能耗問(wèn)題的綠格子組織（GeenGrid）近日推出了兩個(gè)新的標準，分別是炭使用率（CUE）標準以及即將推出的水使用率標準（WUE），旨在更強烈地推動(dòng)數據中心PUE指標的快速改善。因此，無(wú)論從節能還是生存角度看，PUE值都應該引起數據中心運營(yíng)商的高度重視。

對于影響數據中心PUE值的供電、制冷兩大基礎設施而言，供電系統的能效是問(wèn)題的根本，因為供電系統的低效加劇了制冷系統的負擔，雙倍地導致了PUE指標的攀升。而數據中心所有營(yíng)運負載幾乎都是通過(guò)UPS電源來(lái)供電的，因此如何進(jìn)一步挖掘UPS系統的工作效率，將是快速改善數據中心供電系統乃至整個(gè)數據中心PUE指標的核心途徑。

二IT負載對供電系統的真實(shí)需求

要提高整個(gè)數據中心供電系統的能效，我們必須重新來(lái)科學(xué)地審視數據中心IT負載，挖掘IT負載對輸入電源供電品質(zhì)的真實(shí)需求。

當前IT負載內部的輸入電源模塊基本采用兩種標準制式，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標準

（b）SSI標準

圖1　IT負載的輸入電源

分析這一電源的工作原理可以看出，無(wú)論是ATX還是SSI電源，輸入的220V交流電進(jìn)入IT負載內部后，都必須經(jīng)四級變換，最后轉換成穩定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負載內部的CPU、內存、存儲設備、網(wǎng)絡(luò )通信芯片等“真正的IT負載”使用。這四級變換分別為：

1.輸入濾波級：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，橋式整流器，將穩定或不穩定的220V交流電變?yōu)榧s200~300V的直流電；

3.第二變換級：高頻逆變器，將經(jīng)濾波的直流電經(jīng)高頻開(kāi)關(guān)PWM調制轉換成精度非常高的穩壓穩頻交流電。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(zhù)電源技術(shù)的進(jìn)步和功率器件的發(fā)展，這一頻率將來(lái)可能高達1MHZ；

4.第三變換級：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；

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

從這四級的變換過(guò)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)的穩壓功能，而且一般服務(wù)器負載對輸入交流電源電壓、頻率窗口的適應性非常寬。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論：IT負載完全允許在一定范圍內波動(dòng)的輸入交流電源。這一結論也與IEEE給出的計算機對電能質(zhì)量要求的ITIC曲線(xiàn)完全相符，如圖（2）所示。

圖2　IT設備的ITIC曲線(xiàn)

四、改變UPS工作模式來(lái)提高能效的可能性

當前數據機房UPS系統的工作模式為雙變換在線(xiàn)工作模式，本來(lái)的目的是通過(guò)“AC-DC和DC-AC的雙變換”給IT負載提供穩定的凈化電源。但是在這一模式下，UPS的效率很低，通常滿(mǎn)載工作效率僅90~95%（視UPS結構的不同），如果對于當前數據機房普遍采用的2N電源系統架構，其正常工作的最大負載率僅為40%左右，在這一負載率下，UPS的工作效率也相應降低，通常約為85~94%左右，這導致了能源的極大浪費并降低了整個(gè)數據中心的PUE指標。

根據上一節的分析，IT負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”，而且其變換的頻率是當前所有UPS的開(kāi)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波動(dòng)，可見(jiàn)在絕大部分的工作時(shí)間內，UPS的雙變換對于IT負載來(lái)說(shuō)是完全沒(méi)有必要的多余重復，這就如同一個(gè)十歲的孩子不再需要預先嚼細的食物一樣。其次，從數據中心機房的輸入供電系統看，通常都配置了專(zhuān)用的大容量10KV/380V隔離變壓器、補償電容柜、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)數據中心的輸入市電進(jìn)行了長(cháng)達三個(gè)月的電能質(zhì)量檢測，測量結果看出市電的電能質(zhì)量是非常優(yōu)秀的，其電壓純凈度、穩定度，頻率穩定度及其它干擾、瞬時(shí)電壓畸變等的數據甚至優(yōu)于UPS供電輸出。

所以，在這樣的市電及IT負載電源背景下，為了進(jìn)一步提高節能水平，考慮對數據中心機房UPS供電系統引入效率高達99%的綠色休眠技術(shù)，并依據輸入市電的品質(zhì)設置自動(dòng)分級運行模式，直接用IT負載內部電源的“高精度四變換”代替UPS電源的“雙變換”，消除多余的“重復變換”，是完全可行和必要的。

五、UPS綠色休眠在線(xiàn)模式的原理

與雙變換在線(xiàn)工作模式剛好相反，綠色休眠在線(xiàn)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(guò)UPS旁路直接供電給數據中心的IT負載，而UPS內部的逆變器處于在線(xiàn)備份狀態(tài)，從而使整個(gè)UPS系統的供電效率高達驚人的99%，而且這一休眠效率不受UPS負載率的影響，實(shí)現了“UPS基本不耗能”的節能降耗總目標；同時(shí)通過(guò)微秒級的快速跟蹤及DSP技術(shù)，始終保持逆變器在線(xiàn)備份的電壓、頻率、相位參數完全與旁路輸入同步，保證了分級切換的“不間斷”。

根據輸入市電的品質(zhì)，這一UPS系統的工作可分成下列三級：

第一級――綠色休眠在線(xiàn)模式。如下圖所示，當UPS檢測到市電的電壓與頻率落在最里邊的圓內時(shí)（圓的大小即第一級模式時(shí)的電壓U1與頻率F1可依據負載的性質(zhì)　及輸入市電的狀況改變與設置），UPS自動(dòng)進(jìn)入綠色休眠節能模式運行。在這一模式下，UPS內部的整流器、逆變器、充電器均處于在線(xiàn)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內部核心部件工作的可靠性并延長(cháng)其使用壽命。

圖3　UPS分級運行模式

第二級――雙變換在線(xiàn)模式。當市電的電壓與頻率波動(dòng)加劇，超出最內部的圓形界線(xiàn)落在圖3中間的圓環(huán)型帶區時(shí)，UPS立刻轉換到整流、逆變的雙變換模式，此時(shí)的UPS40%負載工作效率通常在85~94%左右,與目前數據機房UPS的工作模式完全相同。

第三級――電池放電逆變模式。當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(mǎn)載工作效率約為86～95%左右。

根據國內典型的數據中心實(shí)際電能質(zhì)量數據統計，對于進(jìn)行上述分級運行的UPS系統，如果設定U1=240V,F1=51HZ，其一年的95%時(shí)間將運行在休眠模式，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)負載容量為5000KW的中等規模IDC機房采用老