數據中心HVDC供配電技術探討

邱子良

摘要：高壓直流配電系統應運而生，得到快速的發展。文章通過對高壓直流電源供配電技術與傳統UPS在原理、能效以及經濟上的分析，指出HVDC在現在應用中的優勢，并在最后提出HVDC在未來的發展方向及應用。

關鍵詞：數據中心；HVDC；供配電系統；直流電壓供配電技術；高壓線路 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM71 文章編號：1009-2374（2016）20-0127-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.063

UPS在數據中心占有主要的作用，能夠有效保護各類服務器以及存儲設備的正常運行，隨著電力電子技術的不斷發展，功率器件從原來的晶閘管到現在的IGBT的出現，UPS在供配電上問題也逐漸顯現，如效率低、結構復雜、能耗大等。隨著高壓直流電源的提出，一種能夠適應新形勢下的電源供電系統逐漸取代傳統UPS的使用。

1 HVDC供配電技術和傳統UPS供配電原理比較

1.1 HVDC供配電的原理和特性

高壓直流供配電技術（HVDC）就是在供配電系統中將交流電進行轉換，轉換成為穩定的直流電，然后再應用到供配電中。在特點上HVDC供配電技術不存在感抗，容抗也在線路中不起作用，不存在同步問題。

1.2 UPS供配電原理和特性

不間斷供電電源供配電技術（UPS）在原理上是一種將數字電路和模擬電路集合在一起的一種儲能裝置，在供配電中通過逆變器的作用，提供恒壓恒頻的不間斷電源，UPS采用數字信號處理器能夠將輸入的電流正弦化，從而符合用戶的用電要求，還能夠提高用戶電壓允許變化的范圍。

2 HVDC供配電技術與傳統UPS供配電用電量能耗與效率的分析

2.1 傳統UPS供配電用電量能耗與效率的分析

UPS在數據中心中不是單獨存在的，通常與電纜等設備構成一個電力供配電系統的架構。數據中心供配電主要的目的是為IT負載使用，但是根據數據中心電能消耗的統計可以知道IT負載所用的電量不到總輸入的一半，大部分的電能都消耗在電力轉換的過程中，比如說制冷系統、線路損耗等。UPS除了具有主電路進行電源的輸入外，還會對空載待用的電路進行電能的輸入，這樣就會降低電源的使用效率。而且UPS的供配電系統擴容難度大，在供電系統中會出現大量的諧波分量，這樣會降低變壓器在電能上的利用效率，從而影響到整個供電系統的穩定性和利用效率。如果UPS采用的是并聯的形式，還會增加電能環流的問題，從而加大了電路的維修難度，降低了系統的穩定性和可靠性。

2.2 HVDC供配電技術效率的分析

隨著UPS供電技術的不斷發展，UPS供配電技術已經無法實現更大的突破。但是在IT負載中還是交流與直流同時存在的情況，針對這個問題，研究人員開始將研究方向轉向高壓直流，而且到目前為止HVDC供配電技術作為一種不間斷的電源已經初具規模。直流供配電技術在線路上只需要兩個導線，這兩根導線能夠有效提高線路的可靠性，而且當供配電系統一個極產生故障的時候，另一極就會接地，與地面形成回路，從而能夠繼續配送功率。而且對于這種接地的故障，直流供配電技術能夠迅速響應，然后通過降壓運行或者是再啟動的方式進行故障處理，然后恢復正常的運行。

HVDC是采用的直流系統，HVDC供配電技術不存在無功功率的傳遞過程，因而相比UPS來說，熱能損耗較少，尤其是在較小的負載下，能夠明顯看出HVDC的熱損耗小。在HVDC供配電技術上不存在諧波源，因而再也不會在變壓器等設備上產生損耗。

2.3 HVDC供配電技術與UPS供配電技術的能效對比

本文通過對兩種不同供配電技術下的能效進行分析，通過實驗，還得出UPS與HVDC供配電技術中的能耗因子的關系見表1：

從表1中可以看出，當負載很大的時候，兩種供配電技術中的能耗因子在能耗上的差別不是很大，但是在負載較小的情況下，有明顯的能耗差距。

UPS跟HVDC相比多一級變換，就會造成效率低下，而且UPS在輸出上采用的是工頻濾波輸出，這種輸出方式能耗大。UPS在控制上結構復雜，造成了系統的可靠性低，UPS的電池設置在輸入端，這樣一旦自身出現故障就會造成負載上的停電，但是HVDC電池在輸出端，這樣系統自身出現問題，仍會繼續為負載提供電源，保證負載不停電，可以說HVDC才是真正意義上的不間斷電源。另外，UPS采用的是交流并聯的方式，這樣在進行系統并機時，因為相位、電位以及頻率的不同，將會加大并機的控制難度，也增加了并機的失敗率。大型的UPS在進行維護時，因為系統結構的復雜，造成了維修時的困難。而HVDC采用的是冗余并聯，一個模塊出現故障，不影響其他模塊之間的正常工作，且維護簡單。HVDC與UPS相比的主要優勢見表2：

3 HVDC供配電技術的未來發展及應用方向

3.1 HVDC供配電技術的優勢

3.1.1 可靠性。HVDC在直流配電的末端，能夠利用多母線冗余技術保證系統供電的可靠性。而且在系統中存在電力電子變換器，這種變換器能夠在系統內部形成一個具有自我保護的區域，在這個區域內如果出現故障，系統會進行自修護，不會影響在這個區域外各系統的正常工作。

3.1.2 高效性。直流供電系統簡化系統結構，在電源結構上和服務器的架構上減少了一個直流變交流的逆變器和交流變直流的整流器，從而有效地提高了整個系統的供電效率，同時件和結構還從根本上降低了系統由于發熱造成的電能損耗，還降低了空調損耗，這樣保證了系統的高效性。

3.1.3 節電性能好。因為高壓直流供配電技術供電方式的改變，與傳統的UPS系統相比，大約節約電能20%左右，這樣就可以節約大量的電費。

3.1.4 成本低。在進行建設高壓直流供配電系統中成本較低。建設一個120kVA的UPS的供配電系統和2套50kVA的高壓直流電源可以發現，高壓直流電源的成本有降低70%左右，占地面積也會大量減少，系統運營成本會降低20%左右，這樣一年大約可以節省27萬的投資成本。

3.1.5 無電阻抗。在高壓直流供配電系統中，沒有交流電存在的狀況，因此輸送功率就不會受到距離的影響，從而產生系統穩定性的問題。

3.2 HVDC供配電技術未來發展

隨著社會的發展，傳統的UPS不間斷電源已經不能滿足需求，而且隨著數據通信的發展，各種設備的用電量也逐步增加，因此在未來的發展中HVDC具有廣泛的應用前景。

HVDC供配電技術在未來的發展方向主要是在智能電網上。我國地大物博，但資源分布不均勻，HVDC供配電技術能夠有效解決我國在遠距離輸送大容量電能的問題，還可以解決我國海陸新能源的傳輸和并網問題。HVDC供配電技術的等級混合直流，能夠為各種新能源的并入提供技術支持，HVDC供配電技術不僅可以將不同等級和不同電壓之間的交直流電系統進行聯系，還可以將這些交直流點進行故障隔離。但是高壓直流供電系統也需要在技術上和設備上進行更新，比如說我們常見的直流斷路器和直流電纜等設備的發展水平在很大程度上制約著HVDC供配電技術在智能電網上的應用與發展。

4 結語

HVDC的出現使供配電技術的效率更高。我國當前對新能源的發展也大力支持，風能、太陽能等這些新型的發電裝置在進行輸出時，都是將交流電轉換成直流電的形式，這樣就會促進HVDC的發展。但是設備不齊全或者是不能夠完全滿足HVDC的技術要求，很多專業人士對這項供配電技術的認識還不是很全面等，這些都需要對HVDC供配電技術進行更深層次的研究與推廣。將HVDC供配電技術在未來數據中心的電源應用上能夠發揮出更大的價值。

參考文獻

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