再论高压直流(HVDC )在数据机房的应用

再论高压直流（HVDC ）在数据机房的应用
摘要：数据中心首先应用在军事之上，随着社会科技不断发展、进步，逐渐在各个行业中使用，随着人们对数据的飞速增加的需求量，促进了通信行业在数据中心机房的建设压力，但庞大的数据市场，不可预估的数据增长趋势，也极大地刺激了通信行业、互联网行业在数据中心机房投入建设的决心，并付诸行动。

而在数据中心机房的配电系统的建设中，从最初的简单的机械化的UPS 到安全系数高的系统，再逐步发展到高压直流配电系统，仅仅几十年。

传统的UPS 电源，存在初始投资大，后期利用率低、可靠性差、运行能效低和维护困难等明显缺点。

因此，作为UPS 的替代产品—高压直流电源（HVDC）便应运而生，而且越来越受到电源、通信等行业的重视。

关键词：数据机房；UPS供电系统；高压直流供电系统；
引言：
在本文，从UPS配电系统产生、原理及使用与高压直流配电系统分开叙述，剖析高压直流电源与UPS 电源对比和数据中心配电不同，完全地论述高压直流的应用前景，为进入该行业或有兴趣的读者提供参考。

1、传统的UPS供电系统
1.1、传统UPS供电发展
不间断电源是随着电子计算机的发展而发展的，由最初纯机械机构逐渐改变成为科技含量高且电子集成的电气设备，不间断电源的历史至今也不过几十年的历史。

在不间断电源（UPS）发展经历了四代：第一代UPS电源—动态UPS：利用机械惯性储能以及电动机、发电机的能量传输机制以提供短时间的不间断供电，这种早期产品体积庞大、造价昂贵、噪声巨大，犹如一个小型电厂。

第二代UPS电源—工频UPS电源机。

工频UPS电源机目前常用于功率较大、用电环境较差的场合。

第三代UPS电源—高频UPS电源机。

高频机的出现进一步提升了功率密度，体积减小了50%，从功能模块上提升了维护性，缩短了MTTR时间，可在数小时内完成修复。

第四代UPS电源—模块化高频UPS电源。

高频机技术的发展为UPS的模块化架构提供了技术可能，结合类似通信电源的模块冗余技术的供电架构，模块化的高频UPS得以实现。

1.2、传统UPS供电方案
传统的UPS电源有一定的特点，它们虽然原理上简单，构造元件却比较多，除了燃料机和发电机之外还有整流器、飞轮等结构。

新型的UPS电源不会出现这种情况，它将所有起作用的组成部分集合在一个规则的箱体里，运输、操作及安装在都非常简单。

传统的数据中心的电源系统是UPS系统，当电网掉电时，蓄电池经过逆变器变换为交流电供给负载，主要有3种供电方式。

1）串联热备份UPS供电方式。

如图1所示，串联热备份UPS供电方式为2个UPS串联，但由于旁路开关的控制，其中只有1个UPS对负载供电，2个UPS互为备份，消除了单点故障，但存在超载能力差、备机老化不均等问题。

图1
2) 冗余并联UPS供电方式，如图2。

冗余并联UPS供电系统可以实现负载均分，其中任意一台UPS 发生故障，均可以进行在线切除，也可以将备份UPS在线投入运行，这种供电方式可以实现容量扩充。

图2
3) 双总线UPS供电方式，如图3。

双总线UPS供电方式提供2路独立的供电母线给双电源负载供电，再通过静态转换开关(static transfer switch，STS)提供给单电源负载，如图3所示。

这种供电方式消除了单点故障，但由于增加了STS和同步控制器(10ad bus synchronization，LBS)，又增加了故障点。

图3
1.3、传统UPS供电系统的优缺点
1、优点供电平稳电能利用率较高技术成熟
2、缺点：UPS多一级变换效率降低；UPS的输出采用工频滤波损耗大；UPS控制复杂，可靠性降低；UPS的电池在输入端，如果UPS本身出故障，负载仍然停电；UPS系统并机是交流并联，需要同频、同相、同电位，并机复杂控制难度大，并机失败率高，而且，一旦并机失败后会导致系统瘫痪！UPS系统并联数量上受到限制，一般最多6台并机
2、高压直流（HVDC）系统
2.1、高压直流（HVDC）系统产生、发展
高压直流-国外通信电源的发展情况
1999 年，在在21 届INTELEC 99（哥本哈根）会议：法国电信首次提出了高压直流概念。

随后日本NTT 公司提出了270V 的高压直流试验电压值。

2003 年，25 届INTELEC 03 （横滨）会议：瑞典POWERBOX，NETPOWER，ERICSSON 等公司提出采用300VDC系统供电的建议。

2005 年，在27 届INTELEC 05 （柏林）会议：法国电信提出采用300-400VDC 的建议。

在
2007 年，29 届INTELEC 07 （罗马）会议，美国INTEL 公司提出在电信和数据中心采用400VDC 配电；瑞典NETPOWER LABS AB 等介绍了9kW HVDC UPS 350VDC 运行一年的经验。

国内高压直流通信电源的发展情况
中国电信在2007 年在江苏电信开始试点240V（工作电压204-288V）高压直流通信电源产品。

主导了YD/T 2378-2011《通信用240V 电源系统》标准的产生。

中国移动在2008 年已经启动336V（工作电压300V-400V），并于2013 年首次启动集团采购。

中国联通采用240V 电压等级，主要是为适应中国电信存量较大的原有的220VAC 服务器的UPS 电源改造，以兼容220VAC服务器电源的输入整流后电压。

220VAC 的整流后电压公式： VDC = 2VAC
2,2、高压直流系统供电
高压直流供电系统，顾名思义就是将交流电整流成高压直流（240VDC，HVDC）形式，且比传统UPS系统减少了逆变环节，将整流出来的输出给用电设备的供电系统。

如下图：
图4
2.3、高压直流供电系统特点
其特点是体积小、重量轻、效率高、功率大、纹波小、储能低和高稳定度、高可靠性。

整流器采用有源功率因数校正技术，使输入的交流电流波形与交流电压波形相同，相位一致，因而功率因数和整机效率高，节省能源，降低成本，减少运营费用。

3、UPS供电系统与高压直流比较
3.1.UPS供电系统存在问题
1、可靠性不高；
2、建设成本高；
3、运行能效低；
4、维护可行性差。

图5（UPS双机并机系统）
3.2.高压流供电系统优势
HVDC的电池在输出端，即使HVDC本身出故障，电池仍然可以给负载供电，保障不间断供电，所以HVDC也成为直流不间断电源；HVDC并机是直流并联，只有同电位的问题，控制非常的
简单，而且并机失败也没有严重问题，最多就是“贫富不均”（不均流）！HVDC并机理论上可以做到“无穷大”，一般可以做到40台并联；HVDC采用N+X并联，整机系统的负荷可以工作在60%--70%的负载，整机效率可以达到90以上！HVDC由于电池的存在，N+1或N+X冗余并联，一台模块出故障，只是预警！HVDC维护简便，可以在线热插拔。

4、结论
目前，各类网络设备大多是可以直接使用直流的，因而可直接使用高压直流供电，去掉了UPS系统的逆变设施，从而降低了电源本身的能耗，提高了数据机房的PUE值，同时，因为少了逆变环节，降低了维护工作量，故障点随之减少，因此，高压直流供电方式是值得推广使用的。

参考文献：
杜秋.《IDC 机房高压直流供电系统的发展和应用技术》[EB/OL].2014 年6 月.
《通信用240V 直流供电系统》[M].出版地（北京）：北京邮电大学出版社，2011.
《高压直流输电原理与应用》清华大学出版社张勇军，陈碧云著2012-08。