随着数据中心技术的大规模建设和对能效的重视，数据中心供电技术未来的发展方向必然是直供技术市电供电，在降低前提投资成本的同时，还通过高效供电降低后期运营成本。这里的高效不仅指从电网侧到IT设备的供电路径高效，还指从一次能源侧到CPU整个能源路径的高效环保。虽然传统概念的PUE可能会增加，但单位总能耗却降低了。未来总的发展趋势是高压/集中式/交流大型UPS向低压/分布式/直流小型UPS方向发展，从机房外的集中式铅酸蓄电池向分布式小型UPS发展IT机柜中的（锂）电池等，由化石能源向绿色能源发展。数据中心不间断电源的核心在于不间断电源及其电池技术，因此电池连接的位置也决定了不同的电源架构。目前业界主流的后备电池电压从UPS的400伏到直流电源的380V、240、48V，甚至IT设备内置电池的12V。下图为目前业界主要的数据中心供电技术方案。首先，从传统的400多伏铅酸电池集中式UPS，到标准服务器无需定制的240V高压直流技术，240V电池直接接在输出汇流排上，再也有服务器采用定制的48V或380V输入供电48VDC或380V高压直流电池直装技术，最后还有Google等12V电池直装服务器主板输入方案。电池离终端服务器的主板或CPU越近，供电系统越分散，对应的IT系统也越分散；越是接近尾声，对IT电源和电池的控制和管理要求就越高。最后，电池越靠近末端，从电网到CPU供电的路径上的转换级数会相应减少，转换效率会更高，但在低压端可能会增加传输损耗边。因此，比较集中式和分布式，高压还是低压，选择不同的供电架构将极大地影响供电系统的可靠性、供电效率、成本等，以及技术、生态的成熟度。和应用灵活性。.此外，随着电池技术的发展和数据中心引入风能、太阳能、燃料电池等绿色能源，给数据中心带来了更多的机遇和挑战。从某种意义上说，数据中心的不间断供电技术依赖于电池技术的发展，而电池的创新也将带来数据中心供电架构的变革，比如从传统的低密度铅酸电池向高能量密度锂电池技术发展随着IT的发展，很有可能将备用电池从电池房换到IT机柜。同样电池技术的发展，使得风能、太阳能等波动性绿色能源的储能成为可能，也将改变传统数据中心由单一电网供电的模式。这些进一步的讨论将不会在这里进行。本文将暂时关注业界使用的主流技术。通过粗略的分析，我们展开讨论，让您对数据中心电源技术未来的发展方向有更深入的探讨。一、380V高压直流系统1.1传统380V直流暂时没有市场。380V高压直流技术国内外已经发展多年，也有很多研究和标准。虽然与传统的UPS、48V通讯电源系统相比有很多优势，但是在IT设备电源的定制化以及后续的直流供配电方面，迄今为止的应用规模非常小，基本停留在在实验室中试阶段。数据中心内部的设备复杂多样，大到主要的服务器设备，小到数量相对较少的网络设备，还有消防、弱电、照明等，涉及到很多行业和不同的供应商。如果只是为了适应380V直流供电，数据中心内的所有设备都必须定制化，因此增加的成本和开发难度足以抵消其节能效益。在数据中心租赁端难以推广，在用户端也难以接受。因此，目前行业内开展的380V高压直流项目规模很小，示范意义大于实际节能效益。1.2380V高压直流未来在新能源上的应用空间较大。随着太阳能、风能、燃料电池等绿色能源的发展，这些分布式电源未来可能会推动380V高压直流供电技术的发展。由于大部分分布式清洁能源通常是波动的，需要经过整流、稳压并储存在电池中，才能直接用于数据中心供电。传统的48V供电系统电压低、传输损耗大、电缆投资大，不适合大规模分布式能源使用。相对而言，380V高压直流系统在这方面有很大的优势。在IT设备侧，DC/DC转换器可以直接将380V的高压直流降压到12V或5V甚至更低的电压，减少了电源内部的AC/DC整流环节。未来的发展趋势。但同时也涉及到IT设备电源的定制化和电池储能技术的开发，短期内无法大规模开展。#p#其次，基本不需要定制的240VDC对于380V高压直流技术来说还不够成熟，需要定制IT设备的电源。目前，国内广泛应用的240V高压直流技术解决了380V高压直流的这些问题。问题。由220V供电技术和48V通信供电技术衍生出的240V高压直流，具有相对成熟的技术和生态积累，绝大部分IT设备无需任何改造即可直接采用240V高压直流供电。此外，240V高压直流技术具有高达96%的高效率、智能节能休眠、高可靠性、热插拔和易维护等特点，这些优势极大地推动了高新技术的发展和实际应用。中国240V高压直流技术。超过10万台IT设备使用240V高压直流电。2.1AC+240VHVDC50%+50%目前腾讯等业内互联网公司提出的240V高压直流技术衍生出的市电+240V高压直流供电架构正在进一步改变传统的UPS等硬件冗余。高输入低能效模式确保可靠性。目前大多数双电源服务器，如上图所示，一个直接接市电，另一个接240V高压直流电。服务器电源内部自动均流，市电和240V高压直流各承担一半负载。由于市电直供支路可实现接近100%的供电效率，而240V高压直流电源的节能休眠控制策略可使其在满载范围内效率达到94%-96%。UPS综合供电效率高达97%-98%，远高于传统UPS供电架构的效率。在保证2N供电可靠性的基础上，还实现了准市电直供技术的高效率。当然，对于少数单电源服务器，可以直接接入240V高压直流支路。2.2AC+240VHVDC100%+0%服务器主从模式无需在前置市电+240V高压直流数据中心侧做任何改动。如果服务器供电可以做一些主从设置，或者目前一些厂商的服务器支持休眠供电功能，那么在这种主从模式下，市电主供电，高压直流系统休眠备份，综合供电效率高达99%，实现数据中心供电系统的超高效率。服务器供电主从模式的实现方式有很多种。如下，腾讯专利的服务器电源稳压技术，通过对电源硬件的微调，可以实现可靠的主从工作和故障切换。这很容易执行。当然，也可以采用更高级的软件控制等策略来实现双电源工作在主从模式，这里不再赘述。工作在主从模式的服务器，由于市电正常时从电源基本不带载，高压直流系统可以只是一个小容量的充电器，大大节省了投资和空间占用240V高压直流供电系统，可以是简单的电池柜设计，集电源和电池柜于一体。正常情况下，市电承担几乎所有负载，同时为备用电池充电，供电效率可达99%。当市电停电时，电池瞬间承担所有IT负载，直到柴油发电机组开始承担整个数据中心的负载，电池逐渐退出充电，继续等待下一次电源发生停电。采用240V高压直流技术可以实现比传统供电方案更高的效率，甚至可以实现近100%的市电直供，但其双电源配置（当然也可以类似于Facebook的单电源）采用市电+240V高压直流的模块双输入供电设计（降低成本）和高压电池仍然不是完美的解决方案，仍属于过渡技术，会被更新更好的技术所取代。#p#三、现有12V市电直供应用情况：3.1谷歌12V分布式UPS谷歌12V挂机电池方案采用分布式供电加分布式电池掉电备用。原理是每台服务器都有一个电源，并且配备了铅酸电池。市电正常时，市电直接给设备供电，给电池充满电。当市电中断时，电池会放电并备份几分钟，直到柴油发电机开始继续供电。有两个显着特点：1.电源为国产，输出参数为13.65V&20.***。本服务器总输出功率不会超过250w。有意思的是，这个电池是接在开关电源上的，所以开关电源可以看成是一个UPS。是13.65v输出的UPS，不会比市面上几百块的高端UPS贵。2、电池方面，毫无疑问，免维护铅酸电池根据公开资料容量只有3.2ah，最多只能维持服务器断电保护时间在3秒以内或4分钟。该方案的核心技术是电池管理和开关控制。原理如下图所示，供电效率可达99.99%。3.2微软12VBBU集中市电直供方案下图为微软12V电池BBU集中市电直供方案。微软在2010年推出了ITPAC机柜式服务器供电方案，从概念图上看，机柜采用集中供电。电源，12V汇流排集中锂电池备份方案。分为上半区和下半区独立供电，单机柜功率达到18.6KW，可为96台服务器供电。选用的4.5KW服务器电源也是一个高效电源模块，通过12V集中母排给服务器子单元供电。当市电正常时，直接给设备供电。当市电中断时，锂电池会短时间放电，直到柴油机接管满负荷。3.3随着功率的增加，12V将不再适用于数据中心从前面两个案例可以看出，无论是谷歌的12V带电池的分布式小型UPS供电方案，还是微软的12V锂电池BBU半集中供电解决方案，实现了市电直供的近100%的供电效率。而12V电池要么直接挂在IT设备上，要么安装在服务器机柜中。主要目的是尽量减少12V低压电源的传输损耗。Google12V分布式电源虽然12V传输损耗小，但电源和电池数量多/成本高/电源负载率低，效率会低；而微软的12V集中供电，供电和电池数量少/成本/负载高，供电效率高，但12V传输损耗大，存在一定的不足。随着行业IT机柜功率越来越大，能效要求越来越高，12V低压输电损耗和成本将成为严重制约因素。举个简单的例子，12KW的机柜，如果采用12V集中单母线供电，供电电流可达1000安培。假设电源箱与汇流排之间的接触电阻为1毫欧，光接触电阻的损耗也将高达1KW。不算铜排上的大电流传输损耗和电源插框的功率转换效率损耗，总共高达3、4千瓦。采用更高电压的48V供电方案，可以大大降低传输和接触电阻损耗，48V供电效率比12V供电效率提高2%以上。两者的损耗分析和比较如下图所示。采用12V集中供电方案，机柜总功率不超过6-8KW。如果超过10KW，传输损耗和接触电阻会很大。而48V供电方案则不存在这个问题。整柜总功率可达30KW，传输和接触损耗可控制在较小水平。当然，类似于微软之前的做法，将总功率分配给两个或多个电源插框可以降低母线电流，但仍然会导致更多的电源插框占用宝贵的机柜空间，以及更多的电源和电池带。以较大的投资成本等问题。***，对于12V低压市电直供，电源和电池BBU的设计还有很大的挑战。毕竟通常5%的电压波动是允许的，至少需要几分钟的电池掉电后备时间。对于电源和电池来说，电池的设计和选择是非常具有挑战性的。总体而言，目前业内采用12V直装电池直供方案的用户较少，未来将逐步向48V直供技术方向发展。#p#4、面向未来的48V市电直供架构如上图所示，从上图可以看出，在整个供电路径上，传统12V供电方式带来的功率损耗会远高于48V供电方式。电网侧到CPU。尤其是在未来的高功率密度应用中，12V已经不适合使用了。48V市电直供方案在通信行业已经非常成熟，但传统的48V供电方案是集中供电系统，未来发展的48V市电直供方案是集分布式电源和IT于一体的方案，并且电源和电池放在附近。在IT机柜侧面，甚至置于IT机柜内部，大大减少输电损耗和线缆投资。并且允许48V电池电压有较宽的波动范围，电池后备时间也可以大大提高。目前，48V电源的最高效率高达97%，成本远低于12V电源。是一种低成本、高效率的解决方案，但问题是部分IT设备需要定制化。但目前在数据中心行业，很多IT设备和基础设施已经实现了48V的供电架构，相比使用380V高压直流，推广难度要小很多。目前业内已有多家互联网公司等采用48V供电架构。1.Facebook的48V半集中供电和下一代架构从Facebook的公开资料来看??，它采用分布式服务器供电加分布式48V电池的方案。每台服务器都配备277Vac和48Vdc双输入和12.5V单输出。定制电源。其中，277Vac接口直接连接市电ACPDU，48Vdc接口连接48VDCPDU。市电正常时，市电直接供电，48V蓄电池作为备用。当市电异常或中断时，48V蓄电池瞬间放电作短时备用，直至柴油发电机组开始带载。在实际物理布局中，由于分布式48V后备电源不能远距离送电，电池紧挨着IT柜放置，每个电池柜覆盖6个IT柜。前文提到，正常情况下，市电承担所有负载，所以48V电源只是作为充电器使用，保证后备电池的充电。所以48V电源只是一个小小的充电插座，直接放在电池柜里面。在顶部，如下图所示。Facebook市电直供48V后备方案采用铅酸电池作为后备。考虑到铅酸电池功率密度低、对温度敏感、夜间漏电等风险，将电池置于IT机柜外，靠近机柜。IT机柜安装。每个市电+48V双输入服务器电源实际上是并联了两个电源。量大，定制成本高，投资成本还是很高的。因此，在后续版本的整柜中，facebook使用的电源更少。集中供电由子架供电。而且随着电池技术的发展，比如锂电池密度更高、放电能力更好、高温特性更好，价格会下降，那么电源和电池会更加分散，直接从IT机柜外部转移IT机柜内部，如开放式机架V2.0版本。和之前的12V供电分析一样，虽然Facebook的V2版本电源集中供电得当，电池和电源就近安装，但是单柜依然采用了三个电源插座和多个电源汇流排，这不解决不了供电问题。12V低压传输损耗大等问题较多。48V的供电架构只需要一个电源插座和一根汇流排就可以搞定，而且48V的锂电池组已经比较成熟，设计起来也比较容易，所以这个V2应该只是过渡版，以后肯定会转48V的未来的供电架构（数据中心基础设施基本可以保持不变，只需将电池柜换成整机柜即可完成升级）。上图中市电转为48V，然后直接降压为1.2V的供电架构，如上所述，供电效率极高，传输损耗低，技术成熟度先进，可选供应商众多，因此它已经是未来数据中心供电架构的方向。据不可靠消息，业内谷歌、亚马逊、思科等公司已经在采用该方案。当然，这种架构的缺点是需要修改传统服务器主板上的12V输入电源，改用48V输入电源，但技术难度很小。例如，很多刀片服务器和网卡都是采用48V输入电源供电。而在服务器白标化、深度定制化的今天，对于前述的互联网巨头来说，定制48V输入供电的服务器已经不是问题。2、考虑数据中心的整体需求，包括交换机、网络设备、行间空调等供电常态化。随着数据中心技术的发展，未来的IT和基础设施会更加融合，就像我们今天看到的机柜级服务器集成了电源和风扇。服务器将改成单板，配套的电源和散热部件也将适当集中。再往下一层，比如微模块层面，分布式供电和散热必须更靠近IT负载，分期投入，灵活配置，实现就近供电和高效散热。在这种情况下，散热系统的电源遵循分布式电源。一起走。恰好EC风机等主流终端空调也大多采用48V供电，分布式电池也能为制冷系统提供持续供电保障。数据中心内部的交换机、防火墙等网络设备基本都可以配备能够支持48V供电的电源。比如Facebook数据中心的网络设备基本都是采用48V直接供电，所以网络设备和其他弱电、监控、照明等都可以很容易的选择合适的48V电源来支持数据的其他部分中心，最终实现IT和基础设施的常态化支持48V供电。#p#3、直流微电网架构结合铁锂电池、燃料电池、太阳能、风能等。前面我们提到，数据中心供电技术在很大程度上取决于电池技术的进步和发展。传统铅酸电池由于功率密度和安全原因不适合与IT设备直接放置，而锂电池由于其高功率密度和高可靠性，未来很可能以BBU的形式放置在IT设备附近温度特性。它甚至可以放置在IT设备内部。当电网正常或新能源满足负载需求时，设备直接供电，电池作为储能单元进行充电备用。当电源波动或中断时，电池放电接管负载，其大电流放电能力非常适合此应用。除了铁锂电池集成到IT机柜中，未来燃料电池也有可能为IT机柜供电。根据微软发布的一份白皮书，微软正在研究利用沼气燃料电池来提高设备能效，同时也可以达到降低整体运营成本的目的。微软表示，将燃料电池直接放置在机架层面，将大大降低设备对UPS、发电机和开关设备等“电力消耗大户”的依赖。数据中心的高能耗和当前主流依赖燃烧化石能源发电所造成的环境污染正逐渐成为整个数据中心行业关注的问题。绿色环保组织也在不断曝光各家企业的碳排放情况。企业开始采用绿色风能、太阳能等新能源为数据中心供电，而这些通常不稳定的绿色能源产生的交流电需要经过整流存储后才能用于计算IT设备，因此对于大型数据中心，可能会采用380V等高压直流进行储能，但对于小型分布式数据中心，则会采用48V直流微电网架构。五、结语随着数据中心技术的发展以及降低运营成本和节能减排的需要，市电直供方案将越来越广泛地应用于大型互联网数据中心等场合，成为一个未来的趋势。380V高压直流由于缺乏产业生态，短期内无法大规模应用，但未来绿色能源普及后有一定的应用可能性。目前可采用240V高压直流技术，无需改造设备即可快速实现节能。如果对IT设备供电进行微调，甚至可以实现效率接近100%的市电高压直流备份架构。但双电源成本高，整路效率不足，只是未来数年的过渡技术。随着IT设备单机柜功率的提升，以及对能效和成本的极致追求，未来12V总线电源无论是在能耗还是技术难度上都不会占据优势，将逐渐被替代48V分布式电源架构，而48V架构也规范了IT设备、网络、空调终端、弱电监控等统一供电，以及锂电池、燃料电池、风能、太阳能等绿色能源的进步与发展将加速这一进程。带电池座的48V市电直供技术将是未来数据中心和IT供电架构的重要发展方向。期待数据中心技术规划、IT设备乃至基础设施设备厂商共同打造这个生态，实现高效、节能、绿色环保、弹性灵活的低成本高可靠数据中心供电之路。
