数据中心高压直流UPS供电系统的分析
数据中心HVDC对比UPS的优势分析杜学良
数据中心HVDC对比UPS的优势分析杜学良发布时间：2021-10-07T02:25:04.924Z 来源：《基层建设》2021年第18期作者：杜学良[导读] 本文通过对数据中心UPS(Uninterrupted Power Supply，不间断电源)和HVDC（High-voltage Direct Current，高压直流）两种供电系统的介绍和分析杭州杭钢云计算数据中心有限公司杭州 310022摘要：本文通过对数据中心UPS(Uninterrupted Power Supply，不间断电源)和HVDC（High-voltage Direct Current，高压直流）两种供电系统的介绍和分析，详细阐述了各系统的优缺点，经过对供电结构、性能、效益以及可靠性等方面的对比分析，得出HVDC在大型或特大型数据中心运行成本更低，安全性能更好，拥有更加广阔的前景的结论。
关键词：HVDC，UPS，安全，效率，前景一、现状近几年，数据中心需求增长迅速，随着5G、物联网以及人工智能等信息技术逐渐应用于社会各行业领域，流媒体、电商、视频会议、远程办公等需求快速提升，加上这两年疫情防控加速数字化进程，政府和企事业单位大量使用科技防疫、远程办公、远程教育、电商生活等措施，培育了大量新客户的数据需求，带动我国IDC行业客户需求规模量级大幅增加。
数据产业快速发展，尤其是近几年，呈井喷形式，如何建设更加节能，高效，安全的数据中心成为我们必须面对并亟待解决的问题。
现在以传统UPS为机房服务器提供电源仍然占据市场的主流，但是HVDC已经在行业内得到越来越多的重视，一些物联网厂商成了第一批吃螃蟹的人，他们率先推广HVDC模式，在行业内引起很好地反响。
浙江云计算数据中心作为省重点项目，总投资158亿元，由杭钢集团与阿里巴巴共同投资建设，采用阿里巴巴最新的设计、建设、运营标准体系，可运行20万台服务器，将建设成为未来国内最节能的数据中心和全国单元区计算能力最大的项目之一，此次采用HVDC供电模式，也是对先进技术的一次积极地探索。
高压直流供电在数据中心的作用及影响
高压直流供电在数据中心的作用及影响让我们来了解一下高压直流供电的基本概念。
高压直流（High Voltage Direct Current，HVDC）是一种电力输送系统，通过将交流电转换为直流电，然后经过输电线路输送到目标地点，再将其转换为交流电供应给终端用户。
与传统的交流输电相比，高压直流输电系统具有输电损耗小、输电距离远和占地面积小等优点。
高压直流供电在数据中心中的作用和影响是非常重要的。
高压直流供电在数据中心中可以提高能效。
数据中心的电力需求非常庞大，而传统的交流供电系统存在能源损耗大的问题。
而采用高压直流供电系统可以减少能源损耗，提高能效。
根据统计数据显示，采用高压直流供电系统的数据中心的能源利用率可以提高10%至30%，这对于大型数据中心来说，将大大节约能源成本，降低运营成本。
高压直流供电可以提升数据中心的可靠性和稳定性。
传统的交流供电系统容易受到电网波动和电磁干扰的影响，导致数据中心的供电不稳定。
而高压直流供电系统对电网波动和电磁干扰的抗干扰能力更强，可以提升数据中心的供电稳定性和可靠性。
这对于一些对供电要求极高的数据中心来说，是非常重要的。
高压直流供电可以降低数据中心的运维成本。
在传统的交流供电系统下，数据中心需要配备大量的电源逆变器和稳压器等设备，以保证供电的稳定性和可靠性。
而高压直流供电系统可以降低这些设备的需求，减少设备故障的可能性，进而降低数据中心的运维成本。
高压直流供电在数据中心中的作用和影响是非常积极的。
它可以提高数据中心的能效，提升供电的可靠性和稳定性，降低运维成本。
当前正值数字化转型的时代，越来越多的数据中心正在采用高压直流供电系统，以满足不断增长的电力需求。
未来，随着技术的不断发展和进步，高压直流供电系统在数据中心中的应用前景将更加广阔。
数据中心的可持续发展也将更好地得到实现。
UPS电源系统在数据中心应用分析
UPS技术培训资料
2021年4月23日
N°3
前言：IDC背景与前景
前景资料：
> 随着我国信息化的深入推进，信息产业蓬勃发展和互联网用户的急剧增加 ，互联网信息平台和数据通信业务得到了广泛使用与快速增长，推动了数 据中心（IDC）建设和运营的发展高潮。
> 数据机房能源需求和能源成本的急剧增大，引起了业界的高度重视。为此 ，在规划设计数据中心（IDC）不断加大功能的同时，如何提高设备或系 统的可用性、效率、以及节约能耗，如何保障系统设备以及客户信息数据 的安全性，成为规划设计者、建设维护者和终端用户共同考虑的问题。
2021年4月23日
2000 W/m2 250Kcal/m2.h
1000 W/m2 500 W/m2
125Kcal/m2.h
N°18
参考指南：服务
维护人员
Tier I
工作时间现场 响应，其它时间按
照客户要求
预防性维护
无
设备培训计划
无
维修、维护 基础设施停机
集中的电源和场
地监测和控制系
No
统 (PEMCS)
第1 节 UPS电源系统 在数据中心的应用
UP
目录
数据中心UPS电源系统的技术规范： > 《ANSI-TIA 942》标准的规范 > 《GB 50174》标准的规范
数据中心UPS电源系统的应用案例
UPS技术培训资料
2021年4月23日
N°2
前言：IDC背景与前景
背景资料：
> IDC的发展史可追朔到1997年，美国和欧洲先后开始了数据中心的建设， 最初称之为Server Farm；
电源系统 UPS + 发电机
高压直流供电在数据中心的作用及影响
高压直流供电在数据中心的作用及影响高压直流（HVDC）供电技术在数据中心中的应用正日益受到关注。
传统的交流供电系统在数据中心中存在一些问题，而高压直流供电则可以有效地解决这些问题，并带来一系列的积极影响。
本文将从高压直流供电技术的作用及影响两个方面进行阐述。
作用1. 提高能效在数据中心中，能效是一个非常重要的指标。
高压直流供电技术可以显著提高能效，因为HVDC系统中不需要进行交流/直流的转换，从而减少了能量损耗。
而且在长距离输电过程中，HVDC系统还可以更有效地传输电能，这对于大型数据中心而言尤为重要。
2. 减少电能损耗HVDC系统的电缆线路损耗相对较小，因此可以减少能源的浪费。
在数据中心中，减少电能损耗不仅可以降低成本，还能减少对环境的影响。
3. 提高供电可靠性HVDC系统具有稳定的电压和频率特性，可以提高供电系统的可靠性。
数据中心作为信息基础设施的核心，对供电可靠性要求极高。
HVDC技术的应用可以有效地提高供电的可靠性，确保数据中心的稳定运行。
4. 便于设备集成许多现代化设备和系统都已经使用直流供电，包括存储系统、服务器和电池储能系统等。
采用高压直流供电技术可以更好地满足这些设备的电能需求，使得设备的集成更为便利。
影响1. 降低运营成本高压直流供电技术的应用可以降低数据中心的运营成本。
通过提高能效和减少能源损耗，HVDC系统可以降低数据中心的能源开支。
HVDC系统的稳定性和可靠性也可以降低运营维护成本和停机损失。
2. 降低环境影响采用高压直流供电技术可以减少数据中心对环境的影响。
较高的能效和更少的电能损耗意味着数据中心对能源的需求更少，减少了对环境的压力。
这对于企业履行社会责任，提高环境友好型也具有积极的影响。
3. 提升数据中心的竞争力高压直流供电技术的应用可以提升数据中心的竞争力。
在激烈的市场竞争中，能够提供更高能效、更可靠的供电系统的数据中心将更具吸引力。
这不仅可以吸引更多的客户，还可以提升数据中心在行业中的地位。
数据中心HVDC与UPS电源系统对比分析
Telecom Power Technology电源与节能技术HVDC与UPS电源系统对比分析董伟宏（联通（广东）产业互联网有限公司，广东当前，国内电信网络的运行速度较快，通信机房的建立数量持续增加，各类通信技术的应用越来越广泛。
其中，通信电源是保持通信运行质量的重要组成部分，相应获得了技术更新。
电源系统作为数据中心项目较为关键的技术，能够维持通信设施的运行秩序，防止出现信息交流问题。
目前，数据中心的供电选择以高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）和不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）技术为主。
以数据中心为研究侧种电源的运行理念，对比了2个电源系统的运行情况，探索了高压直流输电（HVDC）；不间断电源（UPS）；供电系统Comparative Analysis of HVDC and UPS Power Supply System in Data CenterDONG Weihong(Unicom (Guangdong) industry Internet Co., Ltd., Foshanspeed of domestic telecommunicationsto increase. The application 2023年7月10日第40卷第13期· 119 ·Telecom Power TechnologyJul. 10, 2023, Vol.40 No.13董伟宏：数据中心HVDC 与 UPS 电源系统对比分析交流电，确保通信设备平稳运行。
经过对比可以发现：UPS 供电效率比HVDC 电源系统低，更适用于复杂电路的供电设计。
在数据中心项目中引入UPS 供电技术后，共经历了3个技术更新过程，分别是工频供电、塔式供电以及单元式高频持续供电。
相应的UPS 系统容量也有3个更新过程：工频阶段，100 kVA ；塔式阶段，600 kVA ；单元式阶段，1 MVA 。
数据中心机房UPS供电模式可靠性分析
◎智IS城市◎数据中心机房UPS供电模式可靠性分析Reliability Analysis of UPS Power Supply Mode in Data Center Computer Room王凯WANG Kai(北京清控人居光电研究院有限公司)(Beijing Tsinghua Holdings Habitat Development Lighting Institute Co.,Ltd.)【摘要】对于总控中心、数据中心等运行重要设备的电子信息系统机房，而UPS的配置类型，决定了供电系统的可靠性。
文章介绍了数据中心常用的几种UPS配置类型，对其供电系统的可靠性与可用性进行计算和分析，为大型数据中心的UPS供电方案提供参考依据。
[Abstract]For electronic information system rooms that run important equipment such as the general control centers and data centers,the configuration type of UPS determines the reliability of the power supply system.This article introduces several UPS configuration types commonly used in data centers,calculates and analyzes the reliability and availability of its power supply system,and provides reference for UPS power supply scheme of large data centers.【关键词】数据中心；UPS；供电；可靠性；可用性；分析[Keywords!data center;UPS;power supply;reliability;availability;analysis1引言随着物联网、5G网络、智慧城市等新兴技术的发展，数据中心做为大数据和云计算的核心载体，其“城市大脑”的重要性也日益提高。
高压直流UPS应用在数据中心中常出现的问题
高压直流UPS应用在数据中心中常出现的问题数据中心的可靠性要求非常严格，然而问题也是层出不穷的。
UPS 系统本身也随着客户需要和技术进步飞速发展，其需求和功能是共同的驱动力量。
需求驱动是从IT 负载的供电需求角度讲的，永远会追求更高的可靠性，更低的建设成本、运行成本和更好的可适应性。
当前USP 已经不单单是为了改善IT 负载供电的可靠性而产生的供电设备，还为了持续不断地追求可靠性，已经完成了从产品到系统备份的演变，在目前的架构下，进一步追求可靠性显得步履艰难。
此外，从产品到系统的演变在某种程度上是以高昂的建设成本和运行成本为代价的，对于数据中心使用者来讲，很难接受越来越高昂的成本。
从建设的角度说，系统的冗余就以为这投资的倍增;从运营商的角度来讲，数据中心近年来最为火热的话题就是绿色和节能，归根到底就是数据中心使用者希望通过合理的方案降低数据中心的运行成本，主要指的是电费开支。
由于业务发展的阶段性必然导致分阶段的建设，而当前的UPS 分期建设远不如IT 设备的投资灵活，并且UPS 的建设步幅远大于IT 设备建设。
这样就必然会导致资源浪费或者利用不充分的情况。
如何能够使UPS 的建设和IT 设备的扩容更加匹配和适应，在当前的UPS 产品和方案的条件下是一个巨大的瓶颈。
功能驱动，从UPS 本身来讲，就是确保负载供电的连续性、对市电电网的净化及设备本身的易管理。
由于需求驱动和功能驱动，各种技术风起云涌。
高压直流UPS 高压直流(HVDC)UPS 很有可能是UPS 发展的下一个阶段，不仅是因为高压直流UPS 几乎能够合理传承当前所有UPS 的热点和技术前沿技术，也不仅是它能够兼收传统UPS 和-48VDC 通信电源之间所长而摒弃其短，更重要的是它能够在实现传统UPS 所有功能的基础上更好地满足负载供电的可靠性、经济性和适应性。
但是目前高压直流UPS 还面临一系列问题有待解决。
1、直流输出电压对于目前标准的服务器电源，其输入电压范围是100~240±0.1VAC，可做以下简要计算。
数据中心机房UPS供电系统可靠性问题探究
数据中心机房UPS供电系统可靠性问题探究摘要：所有数据中心机房的信息化设备都需要安全、稳定、可靠的通信电源供电运行系统来保障其正常运行，而 UPS 电源供电系统又是数据中心机房通信电源供电运行系统中最重要的一个供电系统，所以 UPS 电源供电系统能够持续、稳定、可靠的给数据中心机房设备供电,是保障数据中心机房用电设备的安全平稳运行的前提和基础。
因此，本文就主要针对数据中心机房UPS供电系统的可靠性进行研究，从多角度进行分析，真正将其优势发挥出来，以此为该系统的有效运用和发展提供有利保障。
关键词：数据中心机房；UPS供电系统；可靠性；一、数据中心机房信息化设备电源配置当前很多数据中心机房配置的信息化设备都大致相同，以小型机、存储机器、网络交换器、服务器、路由器等为主。
按设备的电源类型进行分类，可以大致分为两类，单电源设备与冗余电源设备；单电源设备配备有一个电源模块，通过电源模块能够为设备提供不间断的电力，对于这种供电模式，其电源模块与信息设备之间的关系非常密切的，如果在设备当中发现某一部件发生问题时，将会影响到整个设备的运转，对电源模块带来影响，甚至会导致设备停运，严重时还会导致机房设备发生宕机问题；而冗余电源系统通过多个电源模块的组装，将其变为一个整体，让大多数的信息设备都能够实现运行负担承载，一旦其中某一部件发生运行故障时，该部件关联电源模块会发生停运情况，但因其与单电源模块不相同，冗余电源设备因属于组合设备，一个部件发生问题后其他的电源模块还会一直支撑着设备继续运行，对于中大型机房中，安装冗余电源设备可以有效的提升设备稳定性，可以有效的实现增强该供电系统可行性的要求。
二、数据中心机房UPS供电模式的可靠性（一）串联单总线针对串联单总线供电模式，运用了两套UPS供电系统来运行，而这两套系统可分成主机、备用机，对于备用机属于主机静态旁路的电源。
在这一供电模式在实际运行中，主机是关键的供电设备；而一旦主机发生供电故障，那么其系统就会自动做出切换空载状态之下的备用机之上，通过向备用机供电，以此确保机房能够正常有效的运行。
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数据中心高压直流UPS供电系统的分析
以前的很多数据中心机房都是采用UPS供电系统来进行供电的，但是随着网络大数据时代的到来，数据中心业务量大大增加，越来越多的数据信息使得传统的供电系统已经无法满足使用要求。
长期以来，数据机房使用UPS供电系统供电，但传统的UPS供电系统存在结构复杂、安全性差、成本高、效率低、维护困难以及不易拓展等问题。
随着数据业务的高速发展，IT行业将增加大量新服务器，UPS设备应用规模不断扩大，导致使用UPS供电系统存在的问题变得越来越明显。
在通信行业节能降耗的背景下，高可靠性和低运行成本的高压直流供电系统将取代传统UPS电源为数据中心供电。
關键词：数据中心;高压直流;UPS;供电系统
1高压直流UPS供电系统特点分析
首先，常规UPS供电系统结构中存在DC/AC逆变器，因此功耗大大增加，占总功耗的5%左右。
高压直流UPS供电系统结构中不需要DC/AC逆变器、静态开关以及滤波器等设备，不仅能有效提高电源效率和供电设备运行效率，而且有效降低了设备成本。
其次，在数据中心使用的过程中，由于输入的是直流电，所以不会产生谐波以及功率因数的问题，这样就不会让谐波电流污染电网以及系统，从而维护整个系统以及电网的环境。
在设备中，由于使用相对来说比较稳定的直流电作为负载电流，所以会有效降低输入谐波的成分。
网络设备一般都会配备开关电源，所以使用稳定的直流电可以将30%的谐波成分降低至零，这样就不会产生谐波干扰设备的情况。
同时，由于没有谐波的干扰和影响，负载端也就很少甚至不会出现零地电压的问题。
再次，高压直流UPS供电系统提高了运行效率，主要是由于系统结构简单，通信技术更加先进，且可以并联多个模块，最大程度地利用了每个设备，避免了资源浪费。
常规的UPS供电系统通常使用2N或N+1冷却系统，因此常规UPS供电系统中任何UPS设备都可能具有高压，而且每个UPS设备都需要增加容量以满足负荷增加的容量，从而导致资源浪费。
最后，常规的UPS供电系统中，存在单点故障可能会给将来的维护带来困难。
高压直流的UPS供电系统不存在这样的问题，而且总体控制非常有效，提高了供电系统的可靠性。
另外，大型直流供电系统采用数字化模块存储系统，出现故障时可用相应的模块替换。
2高压直流UPS供电系统设计研究
2.1分布式锂电源系统
分布式锂电源系统是专门为数据中心机房开发的分散型电源系统，利用磷酸铁锂电池新技术改变了传统集中式的供电系统架构，并在每个机架中安装电源系统。
分布式锂电池系统体积小、重量轻，安全可靠，并节能环保。
磷酸铁锂电池相比阀控密封铅酸电池具有诸多优势，如使用寿命为铅酸电池的2-3倍，重量轻，而且体积小。
磷酸铁锂电池可直接插入标准机架中，因为启动器具有较大的启动
电流，所以可以快速深度放电，污染相对较小。
随着磷酸铁锂电池价格的下跌，它已逐渐成为数据中心供电系统的通用储能设备。
系统使用磷酸铁锂电池作为储能电源，电源模块安装在服务器机柜顶部的3U机房内，支持两路网络输入和两路网络输出的工作模式。
系统供电处理过程中，如果电网输入正常，则直接从电网供电;如果电源系统出现故障或市电中断，则分布式锂电源系统会自动切换到高压直流模式，由储能锂电池供电，确保数据中心不间断运行。
基于分散供电技术的分布式锂电源系统可以提高数据中心运行的可靠性，少数设备的故障不会破坏整个电源系统的稳定性。
系统在输入功率损失后会自动切换到高压直流模式，不再需要逆变器，进一步提高了能效。
2.2分布式电源架构
越接近末端服务器主板的电源系统，电池分布越分散，相应的IT系统分布也更加分散。
越靠近末端，对IT设备性能和电池的控制要求越高。
电池从网络到服务器主板末端的距离越近，功率路径中的能量转换级数越少，转换效率越高，但低压侧传输损耗增加。
电源架构的选择对供电系统的可靠性、能效、成本及灵活性具有重大影响。
将供电电源架构从集中式转变为分散式，数据中心设备供电使用240V高压直流供电系统+磷酸铁锂电池。
该体系结构的构想是去掉电力室，供电系统分散到机架间，而高压直流电源和储能锂电池取代常规的列头柜。
系统具有模块化结构，根据数据中心机房的实际布置进行堆叠。
磷酸铁锂电池配合高压直流电源供电，供电结构简单，系统位于负载中间的深处，缩短了直流配电的距离。
相比与直挂12V电池方案，该体系结构不需要安装大容量电池供电设备，在维护和经济方面具有更多优势。
该方案是集中式和分布式结合的产物，在集中式供电架构和分散式供电架构间找到了平衡点。
大多数分布式清洁能源通常都是被动供给，因此需要转换为电能为数据中心供电。
2.3高压直流UPS供电系统断路器设计
基于电弧电压技术原理开发一种新型机械+固态的混合式直流断路器作为输出开关，用于数据中心中高压直流供电系统的整体配电，结构如图1。
首先，机械开关接收中断信号，断开活动触点的过程产生电弧电压，在固态开关上形成正阳极电压，向其提供触发脉冲使其成功导通。
其次，由于动态触点和静态触点间直流电弧的等效电阻大于电力电子设备的电阻，因此电流从机械开关的分支电路流向固态开关的分支电路。
电流传输完成时机械开关被中断，且在触点移除后立即断开半导体开关点之间的固态开关。
最后，整个电源中断过程伴随着能量的吸收和释放。
这种自然的切换方法结构简单，不需要使用强制切换的振荡装置，同时对机械开关电弧放电的能力要求不高，只需建立正向电压使固态开关导通，传输后几乎实现零断流。
3结语
综上，随着数据中心技术的发展，为满足降低运营成本、节约能源以及减少排放的需求，数据中心机房可运用高压直流供电系统，有效解决常规UPS系统
可靠性低、效率低以及维护困难的问题。
可以预见，未来高压直流UPS供电系统的应用会快速普及开来，数据中心机房供电模式必然以高压直流UPS供电系统作为主流。
参考文献
[1]张印君.高压直流供电系统取代USP供电系统的探讨[J].数码世界.2019，（9）.286.
[2]杨飞.高压直流供电系统取代UPS供电系统研究[J].建材与装饰.2020，（13）.231，233.
[3]陈碧寒，杨胜广.高压直流供电在数据中心的作用及影响[J].中国新通信.2019，（21）.。