摘要：為了適應5G數據業務的發展，及由此帶來的數據中心IT設備激增的趨勢，迫切需要節約供電基礎設施占地，從而為IT設備提供更充足的空間，這成為數據中心規劃和設計逐漸顯露的難題。本文以高壓直流供配電系統為例，提出了提高空間利用率的設計思路和解決方案。

　　關鍵詞：數據中心;功率密度;高壓直流;HVDC

　　一、引言

　　近年來數據中心發展迅猛，正在成為社會運行發展的支柱產業。2019年是5G建設的元年。伴隨著AR增強現實、VR虛擬現實、4K/8K高清、無人駕駛、全息投影，智慧家居等新興行業的發展，海量的數據將會產生，服務器等設備的需求量將會爆發式增長，數據中心的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據中心，非常有必要在規劃設計之初就考慮IT設備的可擴展性及對應的供配電系統的高功率密度化設計。數據中心大容量直流供電系統的研究也就迫在眉睫。

　　二、數據中心組成及典型主機房設計實例

　　數據中心的組成應根據系統運行特點及設備具體要求確定，宜由主機房、輔助區、支持區和行政管理區等功能區組成。其中支持區是為主機房、輔助區提供動力支持和安全保障的區域，包括變配電室、柴油發電機房、電池室、空調機房、動力機房、不間斷電源系統用房、消防設施用房等，供配電系統所占面積比例最大。大中型數據中心是指主機房大于200n?的數據中心，給出主機房面積約為330m2的典型案例，共有134臺IT設備機柜提供電力支持的供配電系統放置在圖1(b)的綠色框內區域。

　　主機房的使用面積應根據電子信息設備的數量應根據電子信息設備的數量、外形尺寸和布置方式確定，并應預留今后業務發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),而按照相關國標規定，單臺機柜、大型電子信息設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接近設計值的下限。目前隨著超算等業務的日益普及，高密度或超高密度機柜即將成為主流，據不完全統計，單機柜平均功耗分別為6kW、8kW和10kW的業務比例分別為50%、30%和20%,因此單機柜平均功耗約為7.4kW,則負載需求的總功率為991.6kWo當數據中心總建筑面積一定時，設備機柜功率需求越高，支持區為高壓直流供配電系統提供的面積也會隨之越大，相應主機房面積越小，這是數據中心的規劃和設計的悖論和難題。

　　三、提升高壓直流供配電系統功率密度的具體措施

　　為了解決數據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新型解決方案的研究，從而進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，提出有針對性的應對方法：

　　3.1提升高壓直流供電系統自身功率密度

　　不間斷電源系統電池最少備用時間(柴油發電機作為后備電源時)為15mm111,選取設計中常見的典型值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傳統建設方式中，單個高壓直流系統需求多以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，由于數據中心服務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。但單系統容量經過評估，還不足以應對未來5G時代數據中心的需求變化，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不久的將來的發展方向，上例中如果配置更大容量的25kW恒功率整流模塊，相當于在270V標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

　　智能功率鏈系統的先進理念逐漸深入人心，如果將供電環節與配電環節徹底打通并整合到一起，另外系統內采用預制式銅排直接連接，可以節省大量電纜，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域，通過將繁雜的工程進行產品化處理，便于快速部署，減小建設和施工周期。上例中，配合25kW恒功率整流模塊，可以將該數據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中，代替傳統的供電系統和配電系統分離式布局，實現變配電室節地30〜50%。

　　3.3研究和開發新型供電架構及對應解決方案

　　進一步把視線延伸到低壓配電的更上游的中壓配電,可以發現配電系統逐層分配，從10kV變壓器到高壓直流電源設備總共有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，系統非常復雜，且施工界面很多，不易維護管理，也占用了大量寶貴的物理空間。上例中，將數據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，可以實現變配電室節約50〜70%的占地。

　　上述幾種新增機柜的內部組成如下：中壓配電柜采用組合電器(熔斷器+負荷開關)作為終端保護器件，具有隔離及短路保護功能，同時配有接地開關，便于檢修和維護。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系統用輸出開關對應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優化高壓直流系統的電氣性能參數

　　改善高壓直流系統的功率因數和效率，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降低，同時更易于設計散熱風道,不僅節省了投資費用，也減小了系統的占地面積。需要特別指出的是，一切提高數據中心高壓直流系統功率密度的措施一定要以保證系統可靠性和可用性為前提。

　　例如業界公認的主流設計方案是釆用AC/DC側隔離的功能，可避免直流側故障擴散到交流側，以及交流側浪涌和故障進入直流母線以致損壞負載或電池短路。為了獲取效率的微小提升而將變換器內部的高頻變壓器省去，采用做成非隔離拓撲，會產生很大的故障隱患。同樣為了簡化整流機柜內布局和降低成本而減少保護裝置也會帶來風險，例如業界公認的主流設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，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，而不釆取多級斷路器選擇性保護，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、結語

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

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