摘要：众所周知数据中心是能源消耗大户，近几年国家出台相关规范要求建造节能型绿色数据中心，应用新的供电技术方案是节能减耗的重要手段。传统的UPS供电系统已经出现效率低、占地面积大、故障率高、运维成本高等缺点。高压直流供电技术应运而生并得到迅速发展。本文主要分析高压直流供电系统与传统UPS供电系统相比所拥有的各方面优点；并分析了高压直流供电技术发展存在的障碍及发展趋势。
关键词：数据中心；供电系统；高压直流技术应用
1 引言
近几年在国家政策引导及社会信息化进程的推动下，大型、超大型数据中心建设以前所未来的速度高度发展。数据中心主要负荷是IT负荷，特别是云计算、大数据、应用平台日益增加，这些设施要求有一个高度可靠的连续供电系统作为保障。传统的UPS供电统系统存在转换效率低、产生大量谐波源污染电网、损耗大、高度冗余造价成本高、占地面积大、难维护等缺点。大型、超大型数据中心是能源消耗大户，对高额的运维成本、安全、节能低耗提出了空前的要求，迫使用户寻求新的供电技术方案。在此背景下，新的供电系统-高压直流供电系统越来越受到用户的认可。所谓高压直流供电，就是采用高压直流电源直接对采用220V交流输入电源的设备供电。高压直流供电系统（HVDC High-voltage Direct Ceurrent）就在这种需求中应运而生。下面描述用HVDC表示高压直流供电系统。
2 高压直流供电与UPS对比
2.1效率、节能对比
图1是UPS扑拓图。UPS工作原理：在机柜电源PDU前先将交流电源整流成直流电源；再将直流电源逆变成交流源；交流电源经过隔离变压器才到机柜电源PDU。从机柜电源PDU到服务器电源：服务器电源先将交流电源整流成直流电源；再将直流电源降压成低电压直流电源供服务器元件使用。
图2是HVDC 240V（336V）拓扑图。高压直流供电的原理是：在机柜电源PDU前：将交流电源整流成直流电源。从机柜电源PDU到服务器电源：服务器将直流电源降压成低电压直流电源供服务器元件使用。
从以上工作原理图可以看出UPS供电方案在机柜电源PDU前外部电源是经过两级变换及变压器隔离，而HVDC供电只需要一级变换，无需隔离变压器，在这电源转换环节部分UPS供电方案比高压直流供电方案多出了逆变过程、及隔离变压器这两个环节。电能在变换的过程中必定会产生能量的损耗，所以单是在这个环节高压直流供电系统工作效率就至少提高10%。在机柜电源PDU到机架这一级，HVDC供电少了交流整流成直流这一环节，直流供电方案实际效率进一步提升。
UPS单机效率可以达成90%以上，前提条件是负载率在85%以上，由于实际UPS供电方案是2N方案即2组UPS互为备用，正常工作时各自带50%的负荷，因此实际应用中UPS负载率约为35%，效率为85%。
HVDC供电设备由高频开关电源模块组成，按 N+1备份配置，只要整流模块工作在50%-80%的负载率区间，就能保证高效率运行。如果负载效率低，还可启动模块效能管理功能，提高模块的负载率，大大提高系统效率。根据实际改造对比，在相同负载的情况下，高压直流系统的效率都比UPS高。若采用多机并联的时候，UPS负载率（n机并联：总负载率/n），效率低；突显出来的就是高压直流电源系统的高效性这只是单纯算运行成本。建设成本：HVDC供电方案初期投资只需要一套同容量的电源系统，2 组备用电池。
UPS方案初期投资为2套同容量的 UPS，并有2 组备用电池。从系统组成配置来说，就已经增加了一套UPS的价格。
根据某个数据中心应用实例数据，按照一个240V 600A直流系统与“1+1”250KVA系统比较，实施高压直流已经累计节省建设投资3500万元。
2.2可靠性
UPS 单机和 HVDC拓扑结构，从结构上看高压直流电源系统采用的是N+1的配置方式，即便坏了一个整流模块，对系统的可靠性几乎没有影响，高压直流电源系统即便整流环节出了故障，还有电池直挂母线继续保障系统供电。
UPS 方案，由于涉及静态旁路、整流环节、逆变环节、以及输出静态开关，甚至输出升压变压器等，越复杂的系统，出故障概率就要增加。因此高压直流供电方案整体可靠性比UPS方案高。
2.3维护方便、安全
HVDC供电系统的最大优势是可维护。由于其模块化设计和模块可插拔功能。
使数据中心维护人员的维护能力得到了极大提高，在日常的维护或模块故障时，不再依赖厂家的技术支持，可自行独立完成模块的更换与系统的维护。如果发现了故障模块，需要做的只是热插拔更换故障模块，更换块服务器硬盘一样简单，一线的现场人员即可处理，非常便捷。
其次，由于高压直流系统内部的 N+M 配置方式，即便坏了一个高压直流模块，对系统的可靠性几乎没有影响。而且电池作为另外一个备份单元，也可给运维人员提供充足的割接改造等腾挪时间。
高压直流电源对人体的伤害远远小于交流电源对人体的伤害。高压直流电源系统由于整流模块内部输出安规电容的原因，实际高压直流系统正负极到大地的电压都是180V（36Vx5），根据人体正常电阻加上穿鞋 等绝缘，这样假如运维工作人员不小心触到直流带电体基本不造成伤害。
UPS 系统是交流电源，人体对交流的耐受能力远远低于直流（大概是5倍），其可能原因是人体心脏的心跳频率和交流50Hz 或者 60Hz 的工频较为接近，那么交流触电时候更容易引起心室震颤，导致生命危险。
2.4智能休眠功能
HVDC系统的一个非常明显的优点是不但自身可实现成熟的电池管理，而且还有智能休眠节能功能，其原因仍是电池直挂母线。由于电池直挂母线，那么瞬时的负载冲击可以通过电池放电来做缓冲，休眠退出过程中电池放电，然后设备退出休眠后再正常带载，因此不会拉垮系统；而传统的模块化UPS 方案若启动休眠，由于电池挂接在逆变环节之前，则可能无法及时退出休眠导致整个系统宕机掉电。
空载下HVDC系统启动节能休眠后功耗很低只有几百瓦，日耗不足10 度，而传统的UPS 空载日耗达百度以上，低载下节能非常明显。并且最新的高压直流系统休眠控制策略还具有同步老化以及定时唤醒功能，保证整个系统的各个整流模块同步老化， 并提高系统的可靠性。
2.5对供电网的污染
UPS设备，工作原理是先整流再逆变。在直流逆变成交流的过程中晶体管IGBT等器件产生大量的谐波电流，在数据中心供电系统中UPS设备供电负荷占总负荷大于50%~80%。当供电系统中存在大量的谐波电流时会污染供电网。所以数据中心选用UPS设备的供电系统需要在供电系统安装有源滤波装置，对谐波进行治理。
直流供电设备，工作原理只是整流，不存在逆变的过程，对供电系统产生的谐波电流很少，一般情是不需要做谐波治理。
3目前应用情况
中国电信、中国移动在HVDC供电系统中近年不断加大力度的应用。中特别是中国电信集团数据则显示，截止2017年6月底，中国电信全网用直流电源（240V）系统数已达到650个，直流总容量超过38万安培，功率为110600KW，相当于交流UPS容量134200KVA的供电能力。使用直流电源（240V）的IT设备已超过120000台，应用范围分布于20多个省（区、市）74个地区。
阿里巴巴是采用高压直流（240V）及机架集中供电技术最多的互联网公司：杭州东冠机房数据中心、千岛湖数据中心、腾龙亦庄数据中心等。此外，华润集团、江苏广电等都已采用高压直流供电（240V）技术。
4 高压直流供电技术发展存在的障碍及发展趋势
在中国通信运营商和BAT的努力与推动下，虽然HVDC供电系统在数据中心的应用取得了很大的成就，但是仍然不可避免的存在以下问题：
1.数据设备的直流适应性问题。对于将原来交流220V供电的数据设备，直接采用高压直流供电，根据公开报道的数据，有的说90%以上设备没问题，也有的说97%以上的设备没问题，但是不管是90%还是97%，有一点是肯定的，就是不是100%的数据设备都能采用高压直流供电。这就带来那些余下的不能用高压直流供电的数据设备怎么办的问题，目前常用的做法是加逆变器来解决，当然这部分的供电可靠性就会显得薄弱。
2.数据设备在高压直流供电时发生故障的法律问题。尽管前面说90%的数据设备可以接受高压直流供电，但是从法律意义上来说，直流供电毕竟不是这一数据设备规定的标准供电方式，相当于改变了这一设备的规定使用条件。这样，从法律角度看，设备故障厂家可以自动免除保修责任。（在中国通信运营商和BAT的不懈努力下，据报道，目前部分以高压直流作为标准供电方式的数据设备已经在一些数据中心得到了推广与应用）
HVDC供电技术具有许多优点，希望在国家提倡的节能环保的大环境下，完美地解决障碍。
5 结束语
节能是吸引用户采纳直流供电的重要原因之一，高压直流供电系统与传统的UPS相比具有压倒性优势，技术成熟、行业专家支持、国家政策支持，在数据中心供电系统中，高压直流供电系统代替传统的UPS已经是必然趋势。
参考文献：
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[5]陈冀生 张广明.现代数据中心供电系统规划设计八[D].电源世界，2014.
论文作者:覃永鉴
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/13
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