數(shù)據(jù)中心高壓直流系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)

［唐燕 孫國(guó)同］

1 前言

數(shù)字經(jīng)濟(jì)已成為經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎，在推動(dòng)共同富裕方面發(fā)揮著重要作用。根據(jù)中國(guó)信息通信研究院2023 年4 月發(fā)布的《中國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究報(bào)告（2023年）》，2022 年我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模首次突破50 萬(wàn)億元，達(dá)到50.2 萬(wàn)億元，同比名義增長(zhǎng)10.3%，已連續(xù)11 年顯著高于同期GDP 名義增速，數(shù)字經(jīng)濟(jì)占GDP 比重相當(dāng)于第二產(chǎn)業(yè)占國(guó)民經(jīng)濟(jì)的比重，達(dá)到41.5%，數(shù)字經(jīng)濟(jì)已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要?jiǎng)幽躘1]。而支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支點(diǎn)便是數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心已然成為影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)中心既是“新基建”的重要組成部分，也是“新基建”發(fā)展的核心IT 基礎(chǔ)設(shè)施。

隨著國(guó)家層面“東數(shù)西算”工程的全面啟動(dòng)，先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)營(yíng)方法以及綠色節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)將助力數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)字化升級(jí)轉(zhuǎn)型。

本文對(duì)高壓直流系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用與設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，希望對(duì)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)有所幫助。

2 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)選擇

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器供電大都采用交流UPS 系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不間斷工作。交流UPS 系統(tǒng)一般由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等組成。市電正常時(shí)，交流輸入的一次電源經(jīng)整流器變換為直流電給逆變器，同時(shí)給蓄電池充電，逆變器再將直流電逆變成50 Hz交流二次電源供給服務(wù)器。市電停電時(shí)，由蓄電池放出直流電，經(jīng)過(guò)逆變器變換成交流電供給服務(wù)器。UPS 工作原理如圖1 所示[4]。

圖1 交流UPS 工作原理圖

為提高電源系統(tǒng)供電的可靠性，UPS 系統(tǒng)通常采用3 種供電模式：直接并機(jī)方案、模塊并機(jī)方案、雙母線（2N/3N）方案。這幾種模式大都采用兩臺(tái)甚至多臺(tái)設(shè)備直接并聯(lián)向服務(wù)器進(jìn)行供電，這些模式不可避免地存在一些必須要解決的問(wèn)題，比如UPS 設(shè)備系統(tǒng)環(huán)流問(wèn)題、電路復(fù)雜問(wèn)題、能耗問(wèn)題、占地面積大、蓄電池組機(jī)房承重問(wèn)題等等。

一般UPS 系統(tǒng)的效率跟服務(wù)器負(fù)載有著直接的關(guān)系，負(fù)載率高則系統(tǒng)效率高，負(fù)載率低則系統(tǒng)效率低。通常情況下，UPS 系統(tǒng)不會(huì)滿載運(yùn)行，單機(jī)UPS 電源系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)最大負(fù)載一般不超過(guò)UPS 額定容量的90%，2N雙總線UPS 電源系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)每套UPS 的負(fù)載率不應(yīng)超過(guò)額定容量的45%。假定某實(shí)際運(yùn)行的UPS 系統(tǒng)，平均效率為90%，那么每輸入100 kWh 的電量，就會(huì)損失10%；同時(shí)UPS 主機(jī)還有散熱需求，需要配置相應(yīng)的制冷空調(diào)來(lái)保障其正常運(yùn)行。因此在低負(fù)載狀態(tài)下，選擇UPS系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行供電時(shí)很不節(jié)能的。

目前數(shù)據(jù)中心上架的服務(wù)器大都采用雙電源工作，即配置兩個(gè)電源模塊，各個(gè)電源模塊之間為主備用關(guān)系，正常工作時(shí)兩個(gè)模塊共同承擔(dān)負(fù)載，當(dāng)起一個(gè)模塊出現(xiàn)故障或需要檢修時(shí)，則由另外一個(gè)模塊承擔(dān)起全部負(fù)荷。服務(wù)器電源模塊工作原理如圖2 所示。

圖2 服務(wù)器電源模塊工作原理

從電源模塊工作原理圖可以看出，服務(wù)器電源模塊的核心是DC/DC 部分，也就是說(shuō)只要提供給DC/DC 一個(gè)合適的直流電源即可保障電源模塊正常工作，而不一定非要輸入交流電源。

從電子電路原理來(lái)分析，服務(wù)器電源的整流電路大都采用全橋二極管整流電路，詳見(jiàn)圖3 所示。

圖3 全橋二級(jí)管整流電路圖

它的作用是為后級(jí)提供波動(dòng)的直流電源。整流電路對(duì)于直流電可以直接輸入，只要直流電壓達(dá)到220 V 以上就可使用[6]。

因此，從服務(wù)器電源的工作原理來(lái)分析，高壓直流是完全可以取代UPS 交流系統(tǒng)的。

3 高壓直流技術(shù)特點(diǎn)

高壓直流并非按我國(guó)電力高低壓區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)劃分的，而是相對(duì)于通信行業(yè)現(xiàn)有的-48 V 直流技術(shù)稱呼的。高壓直流技術(shù)跟傳統(tǒng)的UPS 交流技術(shù)相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）模塊化設(shè)計(jì)

高壓直流系統(tǒng)由于采用模塊化設(shè)計(jì)模式，供電方式更為靈活，可以采用并機(jī)集中供電方式，也有可采用分布式供電方式。另外整流模塊可以隨著IT 設(shè)備的上架量逐步按需配置，實(shí)現(xiàn)分期建設(shè)。同時(shí)直流系統(tǒng)并機(jī)沒(méi)有頻率和相位相同的需求，并機(jī)簡(jiǎn)單可靠。

采用模塊化設(shè)計(jì)的另外一個(gè)好處便是后期運(yùn)維：運(yùn)維人員可以不再依賴設(shè)備廠家的支持，在模塊出現(xiàn)故障時(shí)，只需熱插拔即可更換故障模塊。

而傳統(tǒng)的UPS 一般分為塔式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)，其中塔式結(jié)構(gòu)的UPS 容量固定，只能采取并機(jī)模式進(jìn)行容量擴(kuò)容；當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，需要整機(jī)退出系統(tǒng)進(jìn)行維修[8]。

（2）系統(tǒng)效率高

高壓直流系統(tǒng)內(nèi)部模塊采用N+1 配置，可以讓整流模塊工作在50～80%的負(fù)載率區(qū)間，系統(tǒng)效率最高；同時(shí)如果負(fù)載率偏低，還可以啟動(dòng)整流模塊效能管理功能，提高模塊的負(fù)載率，從而提高整體系統(tǒng)的效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比，在帶載相同的負(fù)載情況下，高壓直流系統(tǒng)比傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)至少節(jié)能15%[7]。

傳統(tǒng)的UPS 方案在機(jī)房建成初期由于設(shè)備上架率較低，造成電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率很低，而高壓直流系統(tǒng)的整流模塊還具備節(jié)能休眠功能，可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況開(kāi)啟合適的整流模塊數(shù)量，從而保證在全負(fù)載范圍和機(jī)房全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效率運(yùn)行。

（3）系統(tǒng)可靠性高

如圖4 所示，從結(jié)構(gòu)上看，高壓直流系統(tǒng)跟傳統(tǒng)的-48 V 電源系統(tǒng)相比，差異很小，只是電壓更高些，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)單。在運(yùn)行過(guò)程中，如果整流電路環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，還有電池直掛母線可以繼續(xù)保障系統(tǒng)供電。而UPS系統(tǒng)方案，由于涉及靜態(tài)旁路、整流電路、逆變環(huán)節(jié)，以及輸出靜態(tài)開(kāi)關(guān)，甚至輸出隔離變壓器等，系統(tǒng)復(fù)雜，故障節(jié)點(diǎn)多，因此出故障的概率相對(duì)較高。

圖4 高壓直流系統(tǒng)與UPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖5 高壓直流組合式供電系統(tǒng)

圖6 高壓直流分立式供電系統(tǒng)

從安全上看，高壓直流系統(tǒng)自身除了具有成熟的電池管理功能之外，還有智能休眠功能。由于電池直掛母線上，服務(wù)器負(fù)載產(chǎn)生的瞬時(shí)負(fù)載沖擊電壓和電流可以通過(guò)電池充放電來(lái)進(jìn)行緩沖；休眠退出過(guò)程中由電池進(jìn)行放電，然后設(shè)備退出休眠后再正常帶載，因此不會(huì)造成系統(tǒng)拉垮。而傳統(tǒng)的UPS 方案中，高頻模塊化UPS 要啟動(dòng)模塊休眠模式，由于電池掛接在逆變器前面，則有可能無(wú)法及時(shí)退出休眠導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)宕機(jī)掉電。另外高壓直流系統(tǒng)休眠控制策略還具有同步老化及定時(shí)喚醒功能，從而可以保證整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊同步老化，提高系統(tǒng)的可靠性。

（4）系統(tǒng)安全性高

我們知道，傳統(tǒng)的UPS 系統(tǒng)大都采用中線接地方式，-48 V 電源系統(tǒng)采用正極接地方式，而高壓直流系統(tǒng)則采用的是正負(fù)極輸出對(duì)地懸浮方式。由于高壓直流系統(tǒng)正負(fù)極到大地的電壓都是在135 V 左右，我們?nèi)梭w的正常電阻約在6 300 Ω，誤碰到其中一級(jí)的135 V 直流產(chǎn)生的電流約在0.02 A，不足以對(duì)人體造成較大傷害。

另外如果正負(fù)母排的任何一級(jí)接地，雖然不會(huì)造成系統(tǒng)掉電，此時(shí)若誤碰到另外一級(jí)，則270 V 直流可能會(huì)讓人有觸電感覺(jué)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了避免該意外發(fā)生，我們要求高壓直流系統(tǒng)配置絕緣檢測(cè)儀，提早預(yù)防和定位故障點(diǎn)，并在240 V 直流系統(tǒng)和蓄電池組周圍都放置絕緣墊，以確保操作人員的人身安全。

而反觀傳統(tǒng)的UPS 系統(tǒng)，由于人體心臟的心跳頻率和交流電50 Hz 的工頻較為接近，交流觸電時(shí)更容易引起心室整顫，導(dǎo)致生命危險(xiǎn)。如表1 所示。

表1 男性人體對(duì)電流耐受能力[5]

（5）系統(tǒng)性價(jià)比高

根據(jù)同樣容量的系統(tǒng)造價(jià)對(duì)比，高壓直流系統(tǒng)由于采用整流模塊N+1 模式，造價(jià)約為UPS 系統(tǒng)的60%左右。

綜上所述，在數(shù)據(jù)中心建設(shè)過(guò)程中，高壓直流系統(tǒng)跟傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)相比，無(wú)論在安全性、可靠性、效率、性價(jià)比等諸多方面有著較好的優(yōu)勢(shì)。

4 高壓直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跟傳統(tǒng)通信行業(yè)的48 V 直流系統(tǒng)類似，高壓直流系統(tǒng)也分為組合式系統(tǒng)和分立式系統(tǒng)。其中組合式系統(tǒng)的交流配電單元、整流模塊單元、直流配電單元以及監(jiān)控單元等同機(jī)架設(shè)置，蓄電池組單獨(dú)安裝；分立式系統(tǒng)的交流配電單元、整流模塊單元、直流配電單元分別設(shè)置在不同的機(jī)架內(nèi)，蓄電池組另外單獨(dú)安裝[3]。

系統(tǒng)容量大于400 A，宜采用擴(kuò)充性能較好的分立式電源系統(tǒng)；系統(tǒng)容量小于400 A 時(shí)，可考慮采用緊湊型的組合式電源系統(tǒng)。

高壓直流系統(tǒng)輸出容量應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的總負(fù)載和蓄電池組均充容量進(jìn)行計(jì)算選擇。其中整流模塊容量按近期負(fù)荷進(jìn)行配置，遠(yuǎn)期負(fù)荷不大時(shí)，可按遠(yuǎn)期容量配置；直流屏按照系統(tǒng)最大輸出能力進(jìn)行配置；蓄電池組容量按近期負(fù)荷配置，同時(shí)依據(jù)電池壽命情況，適當(dāng)考慮遠(yuǎn)期發(fā)展。

在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中可參考以下要求進(jìn)行配置：

（1）整流模塊配置

高壓直流系統(tǒng)整流模塊的配置按N+1 冗余模式考慮，其中N≤10 時(shí)，N 為主用，1 個(gè)為備用；N＞10 時(shí)，每10個(gè)備用1 個(gè)。主用整流模塊的容量按近期負(fù)荷電流和電池均充充電電流之和確定。

（2）蓄電池配置

高壓直流系統(tǒng)的蓄電池一般設(shè)置2 組，最多不宜超過(guò)4 組。

蓄電池組應(yīng)根據(jù)供電保證所需的后備時(shí)間進(jìn)行配置，蓄電池組的容量應(yīng)滿足系統(tǒng)滿載時(shí)的放電時(shí)長(zhǎng)需要，一般情況下按單機(jī)備電15 分鐘考慮；電池選型宜選用高倍率放電的鉛酸蓄電池組。

（3）配電設(shè)備配置

在雙電源系統(tǒng)供電要求的場(chǎng)合，高壓直流系統(tǒng)容量宜相互備份，全程采用雙路由、雙級(jí)保護(hù)的供電方式。

高壓直流系統(tǒng)直流屏的至數(shù)據(jù)中心機(jī)架PDU 之間的配電環(huán)節(jié)不宜超過(guò)3 級(jí)，直流屏主要輸出分路設(shè)置絕緣檢測(cè)裝置。

直流配電過(guò)程應(yīng)采用熔斷器或直流斷路器作為雙極過(guò)流保護(hù)器件，熔斷器和直流斷路器的額定電流一般按1.5～2.5 倍的最大負(fù)荷電流配置。

5 結(jié)束語(yǔ)

2017 年，我國(guó)頒布了《通信高壓直流電源設(shè)備工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB51215-2017，該規(guī)范明確了240 V 作為高壓直流系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓之一。[2]，該標(biāo)準(zhǔn)的制定有助于推動(dòng)高壓直流技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的廣泛應(yīng)用。

目前無(wú)論在理論上還是實(shí)踐上，均已證明數(shù)據(jù)中心服務(wù)器設(shè)備采用高壓直流技術(shù)，相比傳統(tǒng)的交流UPS 供電技術(shù)，既節(jié)能又安全。