數(shù)據(jù)中心高壓直流與傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的技術探討

王肖騫

【摘要】 隨著數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，其業(yè)務、規(guī)模均在不斷提高，供電安全問題受到越來多的關注。數(shù)據(jù)中心采用何種類型的不間斷電源系統(tǒng)成為各方爭論的重點。本文主要介紹高壓直流系統(tǒng)的結構及其工作原理，總結分析了高壓直流系統(tǒng)的性能特點，并將其與傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)進行了對比，進而從高壓直流系統(tǒng)的基本條件、節(jié)能可靠性、技術可行性及安全性等方面對高壓直流系統(tǒng)探討，以期為今后高壓直流系統(tǒng)的設計提供可以借鑒的資料。

【關鍵詞】 數(shù)據(jù)中心 高壓直流系統(tǒng) 應用

一、高壓直流系統(tǒng)簡介

高壓直流系統(tǒng)的組成主要包括了電池組、交流配電屏、直流配電屏、監(jiān)控等單元以及整流屏。技術原理圖如圖所示：

在兩路市電供電正常時，由高壓直流整流模塊將交流電轉換成高壓直流電送至直流配電屏，然后由直流配電屏分配至列頭柜，再供電各通信設備，同時對蓄電池進行浮充電。當市電和油機電不正常時，因整流機架停電不工作，這時由蓄電池組放電來維持通信設備的正常運行。待市電或油機正常后，再由高壓直流整流屏轉換的直流電供電，同時對蓄電池組進行補充電。

在該供電系統(tǒng)中，監(jiān)控部分會管理、控制該系統(tǒng)，信號經(jīng)相應的處理后，監(jiān)控單元會對其進行統(tǒng)一的管理，顯示屏上具有人機操作功能，運維工作人員能夠管理、監(jiān)控高壓直流供電設備。

二、高壓直流系統(tǒng)的性能特點

2.1降低成本，提高效率

與傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)相比，高壓直流系統(tǒng)將整流逆變環(huán)節(jié)減少了，不僅大大降低了損耗，工作效率顯著提高，這是因為該系統(tǒng)的并機技術相對簡單，能夠同時并聯(lián)大量的模塊，大大提高了每一模塊的利用率，高達七成。而且高壓直流系統(tǒng)中不存在靜態(tài)旁路開關、濾波設備以及DC/AC逆變器，統(tǒng)主機上器件的數(shù)量明顯降低，能夠顯著減小設備的成本[2]。

2.2節(jié)約能耗

目前使用的UPS主機均為在線雙變換型，在負載率大于50%時，其轉換效率與開關電源相近。但在實際工程應用中，受后端負載輸入的諧波和波峰因數(shù)的影響，通常UPS單機的設計最大穩(wěn)定運行負載率僅為35～45%。而受后端設備業(yè)務發(fā)展的影響，系統(tǒng)通常在壽命中后期才達到設計負載率，使其長期運行在很低的負載率，其轉換效率通常為80%多，甚至更低。

對于高壓直流系統(tǒng)而言，因其采用模塊化結構，可實際根據(jù)后端設備的裝機率配置或者控制整流模塊的開機運行數(shù)量，使模塊負載率與轉換效率始終保持在較高水平。

2.3提高帶載能力

UPS系統(tǒng)帶載能力受兩個因素的制約，一是負載的功率因數(shù)，以國內(nèi)某大型UPS廠商的某型主機為例，在輸出功率因數(shù)為0.5（容性）時，其最大允許負載率僅為50%；二是負載的電流峰值系數(shù)，通常UPS主機的設計波峰因數(shù)為3，如果負載的電流峰值系數(shù)大于3，則UPS主機將降容使用。

對于直流系統(tǒng)而言，不存在功率因數(shù)的問題；因其并聯(lián)了內(nèi)阻極低的大容量蓄電池組，加之整流器模塊有大量的富余（充電和備用），其負載高電流峰值系數(shù)的負荷能力很強，不需專門考慮安全富余容量。

2.4提高可靠性

UPS供電系統(tǒng)的架構使其系統(tǒng)的總體可靠性低于單個組件的可靠性。而為了解決可靠性不高的問題，須采用多機并聯(lián)成雙總線冗余供電模式，使系統(tǒng)總成本變高，且存在逆變失效、蓄電池組能量不能直接供給負載等問題。

而高壓直流供電系統(tǒng)的并聯(lián)整流模塊、蓄電池組均構成了冗余關系，不可靠性是各組件連乘結果，總體可靠性高于單個組件的可靠性。當交流市電停電后，蓄電池組的能量能夠直接供給負載使用，在技術上大大提高了供電系統(tǒng)的安全可靠性。

三、高壓直流系統(tǒng)的基本條件

要想實現(xiàn)高壓直流配電，應當具備以下幾個基本條件：

1、應當具備專門的高壓直流電源系統(tǒng)；

2、服務器PSU能接受高壓直流電源供電。現(xiàn)有的交流輸入PSU只能夠接受一定值的高壓直流，直接在現(xiàn)有的服務器PSU上加高壓直流電壓，只能簡單地達到高壓直流供電的目的，不夠完善，只能將其作為過渡方案。面臨的最大挑戰(zhàn)是備用單元、路由器以及服務器等一定要具備HVDC輸入或者AC/HVDC通用輸入。

3、相關的連接器以及接地等應當符合相應的安全標準的要求。

四、高壓直流系統(tǒng)的技術合理性

4.1節(jié)能效益

IDC機房供電系統(tǒng)中原采用UPS供電，由于并機、雙總線冗余系統(tǒng)的使用，分攤到每臺UPS的實際帶載率都小于50%，UPS的整機效率約88%左右，本工程采用高壓直流系統(tǒng)后，效率超過95%。電源轉換效率提高7%，而抵消電源設備散熱制冷空調電耗也相應減少。

4.2投資效益

以聯(lián)通在合肥市的分公司為例，該公司相關人員通過對比2套50kW高壓直流電源、傳統(tǒng)1+1冗余120kVA UPS的建設，結果發(fā)現(xiàn)，建設同樣的100kW電源系統(tǒng)，高壓直流供電系統(tǒng)的成本占優(yōu)，其投資成本要低66%；機房的占地面積降低了24.22%；而系統(tǒng)的運營成本比傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)低了16.22%，經(jīng)統(tǒng)計，每年高壓直流系統(tǒng)能夠節(jié)省26.91萬元。

五、高壓直流系統(tǒng)的技術可行性

現(xiàn)在通信行業(yè)使用交流供電的絕大多數(shù)負載均由交流UPS系統(tǒng)供電，然后經(jīng)過負載自身的整流變換為+12V、+5V等直流電壓為本身的電路供電，其輸入不管是交流還是直流，最后都要轉換為自身電路板使用的低壓直流。所以在技術上，負載設備是能夠直接接入240V高壓直流系統(tǒng)的電能的。

使用交流220V供電的電壓范圍為180V～240V，因此負載理論上可以承受240V×1.414=339.36V的直流電壓；同樣標稱240V的高壓直流系統(tǒng)最高電壓約為120×2.35V=282V，遠小于339.36V，因此現(xiàn)在的交流負載肯定能夠承受高壓直流240V供電系統(tǒng)的耐壓。

當其由50Hz交流供電時，通過整流二極管的電流為脈動電流，而采用高壓直流供電時，通過整流二極管的電流為平滑電流，當整流二極管通過的平均電流一定時，電流脈動成分越大其發(fā)熱量也大，因此采用高壓直流供電的整流器件發(fā)熱量小，也不會提高其整流部分的故障率。因此240V高壓直流系統(tǒng)代替交流UPS系統(tǒng)為使用交流的通信負載供電是可行的。

六、結語

在數(shù)據(jù)中心中可以完全用高壓直流系統(tǒng)來替代UPS供電系統(tǒng)；當然高壓直流系統(tǒng)是否能夠采用，取決于未來對負載機柜的功率要求是否加大，最主要還取決于各大運營商與服務商的運維能力以及客戶的可接受度。

目前高壓直流供電系統(tǒng)憑借著自身的優(yōu)勢已被各大運營商、各大互聯(lián)網(wǎng)基礎設施服務提供商以及阿里巴巴、百度、騰訊等電子商務服務商逐步應用于數(shù)據(jù)中心。而且高壓直流系統(tǒng)的構建也符合我國提倡的節(jié)能減排理念，為數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)更加節(jié)能、高效的目標提供了極大的可能，以便為國家電網(wǎng)的建設提供更好的服務。因此高壓直流系統(tǒng)的發(fā)展前景還是非常廣闊的[4]。

參 考 文 獻

[1]張謙，李長春，趙利紅，喬尉林.數(shù)據(jù)中心高壓直流UPS供電系統(tǒng)的應用探討[J].信息系統(tǒng)工程，2015，01：98+89.

[2]張樂豐，歐陽述嘉，張林鋒，賈濤.高壓直流供電在數(shù)據(jù)中心中的應用探討[J].電力信息與通信技術，2016，05：88-92.