成果報告書詳細
管理番号20130000000376
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 「グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト(グリーンITプロジェクト) エネルギー利用最適化データセンタ基盤技術の研究開発 データセンタの電源システムと最適直流化技術の開発」
公開日2013/6/22
報告書年度2009 - 2012
委託先名株式会社NTTファシリティーズ 三菱電機株式会社 国立大学法人長崎大学
プロジェクト番号P08017
部署名省エネルギー部
和文要約日本及び米国をはじめとした海外において、データセンタにおける消費電力量は急増しており、省エネルギー化は重要な課題である。データセンタにおける電源システムにおいても、電力変換効率向上のための研究開発や、省エネルギー性能を評価する認証制度など、省エネルギー化の動きが活発化しており、今後は省エネルギー性能が新たな競争軸になりつつある。そのため、データセンタの電源システムにおける省エネルギー技術の開発は、地球環境への貢献と同時に産業競争力の観点からも重要な要素となっている。現在、IT機器に電力を供給する方式は、交流給電方式が主流である。データセンタでは、企業の基幹システムが多く運用されており、高信頼な電力供給が必要とされるため無停電電源装置(UPS:Uninterruptible Power Supply)により高信頼な交流電力を供給している。UPSは、停電・瞬時電圧低下対策用の蓄電池への充電のため、交流電力を一度直流電力に変換し、さらに交流電力に変換してIT機器に電力供給している。IT機器内では、最終的には直流電力が必要となるため、IT機器に搭載されている電源(PSU:Power Supply Unit)により、UPSから供給された交流電力を直流電力に変換している。このように、UPSでは交流電力から直流電力、直流電力から交流電力に、PSUでは交流電力から直流電力に電力変換を行っているが、この電力変換の度に変換損失が発生している。また、UPSやPSUは、それらの機器に障害が発生しても、可能な限りIT機器への給電を継続されるように、冗長化や二重化といった構成となっている。そのためIT機器の稼動計画と実際の稼動台数との差やIT機器の情報処理状況に応じた消費電力量の変化により、電源容量とIT機器の実際の消費電力には乖離が発生し、UPSやPSUは低負荷運転状態となる。一般的にUPSやPSUは、低負荷運転状態では電力変換効率が低下するため、こうした状態における電源システム全体の給電効率は低効率なものとなる。
一方、直流給電方式は、電源装置出力からIT機器入力までの配電システムの母線電圧を直流とすることで電力変換段数が交流から直流への一段となり、電力変換段数の削減による電力変換損失の削減が可能となる。さらに停電・瞬時電圧低下対策用の蓄電池を母線に直結するシンプルな電源システム構成が実現でき、高い給電信頼度の確保が可能である。そのため、高効率・高信頼が求められるデータセンタに適した給電方式であり、国内外で特に注目されている。また、これまでデータセンタの電力需要については、データセンタ内部の状態(情報処理量等)によって決定され、系統側の状態については特に配慮されていなかった。しかし、2011年3月11日に発生した東日本大震災を契機としたピーク電力抑制や今後普及が進むと想定されるスマートグリッドでの電力需給制御の効果的な運用のために、データセンタについても系統の状態にあわせて消費電力量を抑制する需要応答(DR:demand response)が求められている。本研究開発では、直流給電方式を用いたデータセンタにおける電源システムの省エネルギー化とあるべき姿の実現のため、電源アダプティブマネージメント技術および直流を利用する上での信頼性・安全性確保に必要な要素技術の研究開発を実施し、消費電力量30%以上の削減を目標とする。
本研究開発の検証の結果、従来の交流給電方式と比較して、ICT装置および電源システムで消費される電力量において30%以上の削減効果を達成した。
英文要約Power consumption in data center in Japan as well as abroad, such as the USA, is rapidly increasing and energy saving has become an important issue. Energy saving performance is becoming a focus of competition.
At present, the main method of supplying electric power to IT equipment  is AC power feeding. In data center, UPS (Uninterruptible Power Supply) is used because a highly reliable power supply is needed. In UPS, the AC power is first converted to DC power to charge up the battery used as a measure against service interruptions, and then the DC power is converted back into AC power to feed the IT equipment. In the IT equipment, which requires DC power for operation, the PSU (Power Supply Unit) equipped with the IT equipment is used to convert the AC power into DC power. Such power conversion takes place power loss is inevitable. Moreover, UPS and PSU adopt redundant configurations or duplicated configurations to continue feeding power to the IT equipment as much as possible even in the event of equipment failure. Depending on the difference between the number of IT devices that are planned and the number of active IT devices, and on the change in the power consumption of the IT equipment, the actual power consumption of the IT equipment will deviate from the power supply capacity, resulting in low-load operation of UPS and PSU. In general, the power conversion efficiency of UPS and PSU decreases under low-load operation. As a result, the power feeding efficiency decreased under such conditions.
By contrast, for DC power feeding, where a DC voltage is used for power distribution lines, the power conversion from AC to DC alone is required, and the power conversion loss can be reduced. Moreover, the DC power feeding allows for a simple configuration of the power supply system, where the battery is connected directly to the DC power distribution line, thus securing highly reliable power feeding.
For the purposes of control of peak electric power in the wake of the Great East Japan Earthquake on Mar. 11, 2011 and effective operations of demand-supply control of electric power through smart grids which are expected to be diffused in the future, the data center are also requested for demand response which inhibits electric power consumption according to the system conditions. The objective of this R&D project is to implement R&D of elemental technologies required for securing reliability and safety in the use of adaptive power supply management technologies and DC power for the purpose of realizing an energy-saving power supply system and of defining an ideal power supply system for use as the power supply system in data center which rely on DC power feeding. The target value of 30% reduction in power consumption had been achieved as a result of the verification test.
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