目前新建的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，綜合考慮成本和可靠性而大量采用市電+高壓直流雙路供電。本文詳細(xì)對(duì)比介紹了UPS供電系統(tǒng)與高壓直流供電系統(tǒng)的原理及實(shí)際方案。

一  高壓直流供電系統(tǒng)原理及供電方案

1高壓直流供電系統(tǒng)原理

    高壓直流并非按我國(guó)電力系統(tǒng)高低壓區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)劃分，而是按相對(duì)于廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域的現(xiàn)有直流技術(shù)來(lái)稱呼的，240V直流是傳統(tǒng)48V直流的五倍電壓。我國(guó)制定了240V高壓直流電壓標(biāo)準(zhǔn)：YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》高壓直流系統(tǒng)基本原理如圖所示：

    高壓直流系統(tǒng)（HVDC）主要由交流配電單元、整流模塊、蓄電池、直流配電單元、電池管理單元、絕緣監(jiān)測(cè)單元及監(jiān)控模塊組。

    在市電正常時(shí)，整流模塊將交流配電單元輸出的380V交流電轉(zhuǎn)換成240V高壓直流，高壓直流經(jīng)直流配電單元給IT設(shè)備供電，同時(shí)也給蓄電池充電。在市電異常時(shí)，由蓄電池給IT設(shè)備供電。

2高壓直流供電方案

    在高壓直流供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需綜合考慮系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，靈活確定系統(tǒng)架構(gòu)方案。一般常見的方案有如下三種：

  方案一：高壓直流單電源系統(tǒng)雙路供電。

單路市電接入高壓直流系統(tǒng)，配置雙路供電線路到直流列頭柜和末端機(jī)柜負(fù)載。這種方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建設(shè)投資小。缺點(diǎn)是末端機(jī)柜服務(wù)器的雙路輸入電源均來(lái)自于同一套高壓直流電源系統(tǒng)，系統(tǒng)存在單點(diǎn)故障問題。

  方案二：高壓直流雙電源系統(tǒng)雙路供電。

雙路市電分別接入兩套獨(dú)立的高壓直流系統(tǒng)，分別配置供電線路到直流列頭柜和末端機(jī)柜負(fù)載。系統(tǒng)配置采用2N方式，系統(tǒng)冗余度大。這種系統(tǒng)每臺(tái)機(jī)柜配置的輸入電源分別來(lái)自于兩套電源系統(tǒng)，消除了系統(tǒng)的單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)，提高了供電的可靠性。缺點(diǎn)是建設(shè)投資大。

  方案三：市電+高壓直流雙路供電

    目前新建的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，綜合考慮成本和可靠性而大量采用第三種設(shè)計(jì)方式，即市電+高壓直流雙路供電。這種方式采用一路市電電源，一路高壓直流電源的雙路供電形式，該供電方式消除了系統(tǒng)的單點(diǎn)故障瓶頸，提高了供電的可靠性，且在每個(gè)機(jī)架內(nèi)提供了交/直流兩路電源，在市電一路無(wú)需電能的轉(zhuǎn)換，可最大程度提高系統(tǒng)效率。

某項(xiàng)目機(jī)房供電系統(tǒng)采用一路市電一路高壓直流方案。設(shè)計(jì)一路市電電源，另一路1組共8套800A 240V高壓直流供電系統(tǒng)共同為機(jī)房IT設(shè)備供電。市電電源系統(tǒng)采用低壓配電柜和交流精密列頭柜；高壓直流系統(tǒng)采用HVDC成套設(shè)備和直流精密列頭柜，兩套系統(tǒng)為服務(wù)器等雙電源設(shè)備提供雙回路供電。每個(gè)機(jī)柜設(shè)計(jì)配置2 路分別來(lái)自市電電源和高壓直流電源的電源，全面保障IT 設(shè)備的用電安全。市電+高壓直流雙路供電的優(yōu)點(diǎn)：

供電效率達(dá)98%，比傳統(tǒng)供電方案高近10%

2N 供電，高可靠，拓?fù)浜?jiǎn)單，可靠性高

技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)需定制設(shè)備

二  交流UPS和高壓直流供電系統(tǒng)的對(duì)比分析

1兩者結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

傳統(tǒng)交流UPS 和高壓直流系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)的差異較大。兩者供電結(jié)構(gòu)的對(duì)比圖如圖所示：

圖片

從上圖的對(duì)比，我們可以清晰地看到：

高壓直流系統(tǒng)相較傳統(tǒng)UPS 取消了兩級(jí)變換（分別是UPS端的逆變環(huán)節(jié)和服務(wù)器電源端的整流環(huán)節(jié)），整體效率更高。

高壓直流系統(tǒng)蓄電池作為電源直接并聯(lián)在輸出母線上，當(dāng)停電時(shí)，蓄電池可以直接供給負(fù)載，提高了供電可靠性。

高壓直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，可靠性提高。

2兩者優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

    傳統(tǒng)UPS 交流供電系統(tǒng)：

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心一直采用UPS交流供電系統(tǒng)，此模式在很多實(shí)際應(yīng)用中暴露出一些自身的缺陷：

  1.系統(tǒng)效率較低

    從UPS 結(jié)構(gòu)上不難看出，傳統(tǒng)UPS采用AC/DC整流，DC/AC逆變的雙變換，從UPS輸入到末端設(shè)備負(fù)載變換次數(shù)多，每次變換都有能量損耗，降低了系統(tǒng)供電效率。另外，由于UPS采用冗余設(shè)計(jì)，正常情況下單臺(tái)UPS負(fù)載率只在30-40%左右，很難達(dá)到最高效率點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行效率較低。

  2.系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性不高

    傳統(tǒng)UPS 以整機(jī)形式出現(xiàn)，整機(jī)設(shè)備容量較大，況且如果需要擴(kuò)容改造牽涉進(jìn)出線設(shè)備的大量改動(dòng)，比較繁瑣不便。雖然模塊化UPS的出現(xiàn)部分解決了此問題，但同樣存在多模塊設(shè)計(jì)并機(jī)復(fù)雜引起的可靠性問題。

  3.系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性較差，維護(hù)難度大

    傳統(tǒng)UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，會(huì)影響其單機(jī)可靠性。為了解決單點(diǎn)故障問題，通常設(shè)計(jì)成2N，甚至2（N+1）的冗余模式，由于并機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，提高了出現(xiàn)故障的可能性。系統(tǒng)的復(fù)雜，也帶來(lái)了投資成本成倍增加，而且占用了更多機(jī)房的寶貴空間，并增加了運(yùn)維的復(fù)雜程度。此外UPS輸出的是交流電，而作為后備電源的蓄電池輸出的是直流電。因此，UPS的蓄電池不能直接供給負(fù)載，必須通過逆變模塊輸出。這樣供電的持續(xù)性就取決于UPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果逆變模塊損壞，蓄電池作為后備電源就失去了存在的意義，無(wú)法供電給負(fù)載。

   高壓直流供電系統(tǒng)：

    隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，從可靠性和成本優(yōu)化角度考慮，240V高壓直流系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。240V高壓直流系統(tǒng)和傳統(tǒng)的UPS 系統(tǒng)相比起來(lái)，主要的優(yōu)點(diǎn)為：

    1.系統(tǒng)效率較高

    現(xiàn)在采用功率MOS 高頻開關(guān)技術(shù)的240V 高壓直流系統(tǒng)效率可高達(dá)96%以上，比采用晶閘管或IGBT的傳統(tǒng)UPS效率更高，體積更小。和交流UPS系統(tǒng)相比，直流供電系統(tǒng)去掉了逆變環(huán)節(jié)，而一般逆變環(huán)節(jié)的損耗在5%左右，因此電源的效率得以提升。其次，由于并機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)單，可以采用大量的模塊并聯(lián)，每個(gè)模塊的負(fù)載率可達(dá)70%~80%，比起傳統(tǒng)交流UPS系統(tǒng)提高很多。

    2.系統(tǒng)擴(kuò)容便捷

    高壓直流系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可大容量并機(jī)集中式供電，也可小容量一體柜分布式供電，供電方式非常靈活。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)初期預(yù)留好機(jī)架空間，擴(kuò)容是非常便捷的。而且設(shè)備內(nèi)部還可隨著IT設(shè)備數(shù)量不斷增加，逐步增加模塊數(shù)量。并且直流并機(jī)沒有傳統(tǒng)UPS同頻同相的要求，因此并機(jī)非常簡(jiǎn)單可靠，系統(tǒng)擴(kuò)容非常容易。

    3.系統(tǒng)穩(wěn)定性高，可維護(hù)性高

    高壓直流系統(tǒng)電池直接和整流器的輸出母線掛接并聯(lián)輸出給負(fù)載，可靠性更高。當(dāng)停電時(shí)，蓄電池的電能可以直接供給負(fù)載，確保供電不間斷。直流供電不同于交流供電，其只有電壓幅值一個(gè)參數(shù)。各個(gè)直流模塊之間不存在相位、相序、頻率同步的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單很多，可靠性大大提高。高壓直流系統(tǒng)為模塊化熱插拔設(shè)計(jì)，運(yùn)維簡(jiǎn)單方便，降低運(yùn)維成本。如果發(fā)現(xiàn)故障模塊，運(yùn)維人員只需熱插拔更換故障模塊，快速處理，非常便捷。

圖片

三  高壓直流系統(tǒng)面臨的一些問題

1直流斷路器問題

    在傳統(tǒng)交流電源系統(tǒng)中，斷路器是按照220V/380V交流來(lái)設(shè)計(jì)的。對(duì)于這些斷路器，可以有限地用于直流環(huán)境。對(duì)于交流電，電流在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)有過零點(diǎn)。當(dāng)短路時(shí),開關(guān)斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧因過零點(diǎn)的存在而容易熄滅。而如果是直流電,不存在過零點(diǎn)，滅弧相對(duì)困難。因此配電系統(tǒng)中就需要使用性能要求更高的直流斷路器，無(wú)疑會(huì)相應(yīng)增加建設(shè)成本。

2直流損耗問題

    從供電結(jié)構(gòu)上來(lái)看，傳統(tǒng)UPS采用的是三相四線制供電，高壓直流則是一相兩線供電。在輸送同等功率情況下，（交流采用380V，直流采用240V）直流電流更大，電纜截面相應(yīng)增大，電纜消耗量將增加。并且直流傳輸?shù)膿p耗較大，因此傳輸范圍有限，在遠(yuǎn)距離的供電環(huán)境，直流還很難取代交流。

結(jié)論

    到目前為止，240V高壓直流供電系統(tǒng)已被數(shù)據(jù)中心行業(yè)廣泛接受和使用。直流供電技術(shù)的可行性已經(jīng)得到很好的驗(yàn)證。隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的發(fā)展以及節(jié)能減排和降低運(yùn)營(yíng)成本的需要，高壓直流供電系統(tǒng)在節(jié)能、節(jié)省投資成本、提高可靠性、提升運(yùn)維便捷性等方面較傳統(tǒng)UPS交流供電系統(tǒng)都有明顯優(yōu)勢(shì)。高壓直流供電系統(tǒng)已經(jīng)在不斷改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心以交流UPS為主的格局。其中，本文提到的“市電+高壓直流雙路供電”的供電架構(gòu)，進(jìn)一步提升了供電效率，節(jié)能效果更為顯著。相信隨著時(shí)間的推移，高壓直流供電方案在大型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，將逐步成為未來(lái)數(shù)據(jù)中心供電的趨勢(shì)。