小容量HVDC在電力系統C2類信通機房中的應用

陳思超，邱海鋒，范 華，萬燕珍

（國網浙江杭州市蕭山區供電有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引 言

目前，國家大力發展新能源產業。高壓直流電源（即HVDC）作為一種新型不間斷電源，近年來已在電信運營商，阿里巴巴、騰訊、百度(即BAT)互聯網數據中心廣泛應用，其技術成熟，高效率、高可靠性、低能耗、低成本、易維護，相比UPS優勢顯著。本文從HVDC原理、應用效果出發，探討HVDC在電力系統C2類信通機房的解決方案[1-2]。

1 HVDC替代UPS的可行性和優勢

機房IT設備采用高頻開關電源。市電經過整流，變成直流電，再經過DC/DC變換成設備所需的工作電壓。即IT設備內元器件級一般是低壓直流電源，于是可以采用等效的直流電源，直接從原來的交流端口對設備供電，不必改動原設備，如圖1所示。

此外，只要設備電源的交流輸入端不是直接接入工頻變壓器，都可以通過直流供電。新建以及90%以上在運行機房，都可以采用等效直流電源替代交流UPS進行供電。

圖1 電源中“市電側整流濾波電路”可以通過直流電的示意圖

UPS含兩個變換環節，即整流濾波（AC/DC）和逆變（DC/AC）。圖2左側為UPS電路，市電220 V經橋式整流器，整流成直流電對蓄電池進行浮充電，蓄電池的直流電再逆變成220 V工頻交流電，供給計算機ATX開關電源。圖2右側為計算機ATX開關電源，220 V工頻交流電經“市電側整流濾波電路”整流成直流電，再經DC/DC變換成±12 V、±5 V及3.3 V向計算機供電。

圖2 交流UPS向計算機供電的原理框圖

從圖3看出，左側UPS中的整流器輸出與右側服務器電源中“市電側整流濾波電路”的輸出都是直流電壓。顯然，逆變成交流電是多余的，增加了故障風險和損耗。可以將逆變器省掉，直接將蓄電池的直流電經“市電側整流濾波電路”供給IT設備。

由此可見，HVDC替代UPS在技術原理上完全可行，而且有著明顯的優勢。

圖3 交流UPS和直流HVDC的結構比較

2 HVDC在BAT數據中心的應用效果

近年來，HVDC已被BAT數據中心很多新項目廣泛采用，如圖4所示。國家、行業標準也陸續出臺，形成高速發展的態勢。

BAT某數據中心，采用“市電+240 V HVDC”供電架構，在全負載范圍內保持高效率94%以上，比UPS節能超6%；ECO模式負載為30%以下時，節能尤為明顯，高達10%以上。2018年度PUE為1.26。

分析從2010年起統計數據發現，因UPS故障發生的宕機明顯較多，達9%，每年約四五起。高達41%的服務器掉電原因是UPS故障，波及面非常大。而采用HVDC供電，除個別模塊故障，服務器掉電事故為零。從應用效果看，HVDC可靠性明顯優于UPS，是數據中心供電的首選。

圖4 HVDC電源

3 電力系統C2類信通機房小容量HVDC供電解決方案

該類機房容量小，UPS及通信蓄電池兩種電源供電并存。現嘗試采用HVDC技術，對原電源進行優化整合，輸出240 V和-48 V供電模式，以提升供電可靠性、節能降耗。

以某機房為例，IT負載約二三千瓦，據此設計了240 V和-48 V組合供電的解決方案.

系統由240 V、200 A主機柜、-48 V、40 A嵌入式單元、電池開關箱及蓄電池構成。-48 V嵌入式單元安裝在240 V的主機柜中，不占用額外空間。240 V系統由交流輸入、直流輸出、整流模塊、防雷、絕緣監測及監控等單元組成；-48 V嵌入式單元由直流輸入、直流輸出、DC/DC變換模塊、防雷及監控等組成。

系統原理如圖5所示。

圖5 系統原理圖

240 V HVDC和-48 V嵌入式單元組合安裝在一個機柜內，結構緊湊，造型美觀，如圖6所示。

圖6 開門前視圖

該設計方案和UPS比較，有如下優勢。

（1）高可靠性。交流停電時由蓄電池直接供電，減少逆變故障點，且模塊有冗余備份。

（2）節能降耗。整流模塊效率可達96%以上，休眠模式時，能耗更低。

（3）-48 V單元從240 V母線上接入，共用一套蓄電池，節省投資成本。

（4）240 V和-48 V負載輸出集成在一個機柜內，用戶接線方便。

（5）采用模塊化設計，模塊熱插拔，更換維護簡單。

（6）240 V系統和-48 V單元均自帶監控，告警功能信息齊全，可以接入后臺動環。

（7）安全性更高。HVDC輸出浮地，單極母排觸電電壓只有135 V，比交流要低近1倍。

（8）HVDC并機簡單，擴容方便。

4 結 論

BAT大規模應用HVDC，可靠性及節能效果顯著。相比UPS，HVDC有諸多優勢，已成為IDC供電首選。除了政策支持、技術保障外，思想觀念上也要轉變，以有利于HVDC這樣高可靠性、低能耗的好產品在電力、金融、政企、公共基礎設施等領域應用推廣，造福社會。