數(shù)據(jù)中心高壓直流與傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的技術(shù)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(wù)、規(guī)模均在不斷提高，供電安全問題受到越來多的關(guān)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(jié)構(gòu)及其工作原理，總結(jié)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(shù)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(shè)計提供可以借鑒的資料。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)據(jù)中心 高壓直流系統(tǒng) 應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)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(shè)備，同時對蓄電池進行浮充電。當(dāng)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(shè)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)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(shù)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(guān)、濾波設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換效率與開關(guān)電源相近。但在實際工程應(yīng)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(shè)計最大穩(wěn)定運行負載率僅為35～45%。而受后端設(shè)備業(yè)務(wù)發(fā)展的影響，系統(tǒng)通常在壽命中后期才達到設(shè)計負載率，使其長期運行在很低的負載率，其轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，可實際根據(jù)后端設(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(gòu)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(gòu)成了冗余關(guān)系，不可靠性是各組件連乘結(jié)果，總體可靠性高于單個組件的可靠性。當(dāng)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(shù)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(yīng)當(dāng)具備以下幾個基本條件：

1、應(yīng)當(dāng)具備專門的高壓直流電源系統(tǒng)；

2、服務(wù)器PSU能接受高壓直流電源供電?，F(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(wù)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(wù)器等一定要具備HVDC輸入或者AC/HVDC通用輸入。

3、相關(guān)的連接器以及接地等應(yīng)當(dāng)符合相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

四、高壓直流系統(tǒng)的技術(shù)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?jǐn)偟矫颗_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(zhuǎn)換效率提高7%，而抵消電源設(shè)備散熱制冷空調(diào)電耗也相應(yīng)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(guān)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(shè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，建設(shè)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(shù)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(zhuǎn)換為自身電路板使用的低壓直流。所以在技術(shù)上，負載設(shè)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(jié)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(dāng)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(wù)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(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供商以及阿里巴巴、百度、騰訊等電子商務(wù)服務(wù)商逐步應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。而且高壓直流系統(tǒng)的構(gòu)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(biāo)提供了極大的可能，以便為國家電網(wǎng)的建設(shè)提供更好的服務(wù)。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(yīng)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(yīng)用探討[J].電力信息與通信技術(shù)，2016，05：88-92.