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分布式电源(DPS)在IDC机房中的应用分析
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概述

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IDC对于通信行业本身的发展愈发重要,其既是收入增长的来源,同时也是未来运营商加快网络转型、开展数字服务的基础。随着数据设备虚拟化技术的发展,以及刀片式服务器的应用,IDC机房最基础、核心的供电系统和蓄电池配置方式得到了前所未有的关注。传统IDC机房的UPS供电系统采用“N+1”冗余或2N双总线的配置原则,设备冗余量大,系统利用率相对较低。随着IDC设备功率密度越来越高,电力机房占地面积比例需求越来越大,导致电力基础设施不能适应后期发展变化,出现了机房承重要求高、初期建设成本大等问题。


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鉴于IDC机房房内大量使用的传统UPS供电技术存在系统效率低、基础设施占地较大、对建筑承重和结构要求高、初期建设成本大等弱点,此处介绍另一种供电方式—DPS电源(分布式电源系统)。不仅具有供电效率高、供电风险小且范围分散等优点,而且由于后备电池采用锂电池,相较传统UPS电源采用的铅酸电池,具有体积小、重量轻、清洁无污染、安全等优点,在未来数据中心的供电系统中有着光明的发展前景。


01

系统工作原理


分布式供电方式DPS是一种电源系统深入负荷中心的全新供电模式,即将电源系统DPS模块直接集成在IDC机柜内部。DPS模块有多种配置方式:市电+UPS锂电、市电+高压直流锂电、UPS锂电+UPS锂电,每个机架都可按需提供最优方案。在多种DPS配置方式中,市电+高压直流锂电的配置效率最高、最经济。这种新型的DPS,去掉了逆变单元,采用了高压直流技术,主要由输入输出单元、充电模块、锂电池组、系统监测控制电路、输出切换装置等部分组成,市电正常时,由市电直接给负载供电;市电异常或断电时,由后备锂电池给负载直接提供高压直流电源。


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(1)当市电正常时,市电经由DPS的交流旁路和输出切换装置所组成的供电系统向负载直接供电,系统监测控制电路同时进行市电检测及蓄电池充电管理。此时,用户负载实际使用的电源是来自电网的市电。因此,此时DPS电源工作在市电直供模式,可以有效地节能。


(2)当市电供电中断或市电电压超限时,输出切换装置在系统监测控制电路的调控下,立即切断DPS的交流旁路输出,投切至高压直流侧供电。此时,用户负载所使用的电源是通过蓄电池组提供的直流电源,而不是来自市电,比传统的UPS通过逆变器供电具有更高的效率,功耗很小,节能效果明显。


(3)当市电恢复正常时,DPS的系统监测控制电路首先监测到市电恢复正常,然后发出控制信号到输出切换装置,执行从高压直流供电向交流旁路供电的切换操作。此后,DPS在经交流旁路向负载提供市电的同时,还通过充电器向蓄电池组进行恒流或恒压充电。


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在实际应用中,由于IDC设备通常都要求具有两路电源供电,一般IDC机房也有两路不同的市电引入。因此,一台DPS电源设备通常也会集成两个独立的供电模块,各自引入一路市电,通过相互独立的交流旁路,为IDC设备提供两路电源。这样,每台IDC机柜只需配置一台DPS电源设备即可满足供电要求。


02

简要方案及经济性比较


分布式电源(DPS)系统设备由电源模块、控制模块和锂电池模块组成,各模块组合安装在一个主机箱中,主机箱可部署在标准的IDC机柜内,配合能源管理系统可以做到供电资源的按需调度。分布式电源向IDC设备提供240V高压直流或220V交流;当电网断电时,由后备锂电池组提供电源,以保证供电无中断。


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某IDC机房三楼长42m,宽13.5m,可安装208个机架,每机架功耗按4kW 考虑,总耗电量为832kW,合1040kVA;需建设3 套单机容量为400kVA的2台并机UPS系统共6台主机(UPS集中供电方案),或部署208架分布式电源设备(DPS分散供电方案),为IDC设备供电。两种供电方案的整体经济性比较如表1所示。


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直接投资分析结论:

考虑机房内208个机架,采用传统UPS集中供电建设方式,电源系统工程总投资约为880万元,大楼建设初期对于300平方米电力电池室承重要求的建设成本初步估算约为30万元,合计总投资910万元,折合单机架约为4.37万元/机架;采用DPS分散供电建设方式,电源系统工程总投资约为1241万元,折合单机架约为5.96万元/机架。但DPS分散供电建设方式,不需进行电力电池室建设,节约相应面积。此面积可以用于IDC机房,可布置60个IDC机架,年租金约为360万元。DPS分散供电建设方式增加的建设投资成本当年就能收回,而且机房每年可增加360万元的直接收益。


因此,综合各项成本及收益,DPS系统分散供电方案经济效益优于UPS集中供电方案。


03

系统特点及优势分析


与传统的UPS供电方式相比,DPS电源具有以下特点:

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(1)采用分散供电方式,系统安全性高。DPS供电分散至每个机柜,系统大面积发生故障的可能性大大降低。采用DPS电源系统后,电源系统容量可以根据机房实际装机需求进行逐步扩容,提高机房可用性,减少投资压力。

(2)DPS产品体积小、重量较轻,为机架内安装,对建筑结构没有特殊要求,适用于各类通信机房。取消电力电池室的建设,节约机房前期土建成本。

(3)DPS系统建设周期较短,可进行分批建设,根据用户设备进场时间分批购置电源设备,以减少电源系统空载或轻载时间。

(4)锂电池不含铅和硫酸,其生产、使用和回收处理不会对环境造成任何重金属和酸液污染,比较绿色环保。且相对于传统的铅酸蓄电池转换效率高,锂电池能量转化效率高达96%以上,而传统铅酸电池约为70%~80%。

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从上述分析来看,在工程建设方面,DPS电源系统与传统UPS相比,有着其独特的优势,具体表现如表2。


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04

应用前景


DPS设备由于其体积小、重量轻、供电效率高、清洁无污染,随着通信电源新技术的不断发展应用,通信电源设备可靠性的不断提高,以及IDC机房规划、设计、建设人员的观念革新,相应产品标准、建设规范的健全完善,特别在经济市场效益优先的背景下,相信DPS供电将成为建设高密度IDC机房的主要模式之一。



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