再論高壓直流(HVDC )在數據機房的應用

再論高壓直流（HVDC）在數據機房的應用摘要：數據中心首先應用在軍事之上，隨著社會科技不斷發(fā)展、進步，逐漸在各個行業(yè)中使用，隨著人們對數據的飛速增加的需求量，促進了通信行業(yè)在數據中心機房的建設壓力，但龐大的數據市場，不可預估的數據增長趨勢，也極大地刺激了通信行業(yè)、互聯網行業(yè)在數據中心機房投入建設的決心，并付諸行動。而在數據中心機房的配電系統(tǒng)的建設中，從最初的簡單的機械化的UPS到安全系數高的系統(tǒng)，再逐步發(fā)展到高壓直流配電系統(tǒng)，僅僅幾十年。傳統(tǒng)的UPS電源，存在初始投資大，后期利用率低、可靠性差、運行能效低和維護困難等明顯缺點。因此，作為UPS的替代產品一高壓直流電源（HVDC）便應運而生，而且越來越受到電源、通信等行業(yè)的重視。關鍵詞：數據機房；UPS供電系統(tǒng)；高壓直流供電系統(tǒng)；引言：在本文，從UPS配電系統(tǒng)產生、原理及使用與高壓直流配電系統(tǒng)分開敘述，剖析高壓直流電源與UPS電源對比和數據中心配電不同，完全地論述高壓直流的應用前景，為進入該行業(yè)或有興趣的讀者提供參考。1、傳統(tǒng)的UPS供電系統(tǒng)1.1、 傳統(tǒng)UPS供電發(fā)展不間斷電源是隨著電子計算機的發(fā)展而發(fā)展的，由最初純機械機構逐漸改變成為科技含量高且電子集成的電氣設備，不間斷電源的歷史至今也不過幾十年的歷史。在不間斷電源（UPS）發(fā)展經歷了四代：第一代UPS電源一動態(tài)UPS:利用機械慣性儲能以及電動機、發(fā)電機的能量傳輸機制以提供短時間的不間斷供電，這種早期產品體積龐大、造價昂貴、噪聲巨大，猶如一個小型電廠。第二代UPS電源一工頻UPS電源機。工頻UPS電源機目前常用于功率較大、用電環(huán)境較差的場合。第三代UPS電源一高頻UPS電源機。高頻機的出現進一步提升了功率密度，體積減小了50%，從功能模塊上提升了維護性，縮短了MTTR時間，可在數小時內完成修復。第四代UPS電源一模塊化高頻UPS電源。高頻機技術的發(fā)展為UPS的模塊化架構提供了技術可能，結合類似通信電源的模塊冗余技術的供電架構，模塊化的高頻UPS得以實現。1.2、 傳統(tǒng)UPS供電方案傳統(tǒng)的UPS電源有一定的特點，它們雖然原理上簡單，構造元件卻比較多，除了燃料機和發(fā)電機之外還有整流器、飛輪等結構。新型的UPS電源不會出現這種情況，它將所有起作用的組成部分集合在一個規(guī)則的箱體里，運輸、操作及安裝在都非常簡單。傳統(tǒng)的數據中心的電源系統(tǒng)是UPS系統(tǒng)，當電網掉電時，蓄電池經過逆變器變換為交流電供給負載，主要有3種供電方式。1）串聯熱備份UPS供電方式。如圖1所示，串聯熱備份UPS供電方式為2個UPS串聯，但由于旁路開關的控制，其中只有1個UPS對負載供電，2個UPS互為備份，消除了單點故障，但存在超載能力差、備機老化不均等問題。圖1

2）冗余并聯UPS供電方式，如圖2。冗余并聯UPS供電系統(tǒng)可以實現負載均分，其中任意一臺UPS發(fā)生故障，均可以進行在線切除，也可以將備份UPS在線投入運行，這種供電方式可以實現容量擴充。仇一戦仇一戦圖23）雙總線UPS供電方式，如圖3。雙總線UPS供電方式提供2路獨立的供電母線給雙電源負載供電，再通過靜態(tài)轉換開關（statictransferswitch,STS）提供給單電源負載，如圖3所示。這種供電方式消除了單點故障，但由于增加了STS和同步控制器（loadbussynchronizati°n,LBS），又增加了故障點。圖31.3、傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的優(yōu)缺點1、 優(yōu)點供電平穩(wěn)電能利用率較高技術成熟2、 缺點：UPS多一級變換效率降低；UPS的輸出采用工頻濾波損耗大；UPS控制復雜，可靠性降低；UPS的電池在輸入端，如果UPS本身出故障，負載仍然停電；UPS系統(tǒng)并機是交流并聯，需要同頻、同相、同電位，并機復雜控制難度大，并機失敗率高，而且，一旦并機失敗后會導致系統(tǒng)癱瘓！UPS系統(tǒng)并聯數量上受到限制，一般最多6臺并機2、高壓直流（HVDC）系統(tǒng)2.1、高壓直流（HVDC）系統(tǒng)產生、發(fā)展高壓直流-國外通信電源的發(fā)展情況1999年，在在21屆INTELEC99（哥本哈根）會議：法國電信首次提出了高壓直流概念。隨后日本NTT公司提出了270V的高壓直流試驗電壓值。2003年，25屆INTELEC03（橫濱）會議：瑞典POWERBOX，NETPOWER，ERICSSON等公司提出采用300VDC系統(tǒng)供電的建議。2005年，在27屆INTELEC05（柏林）會議：法國電信提出采用300-400VDC的建議。在2007年，29屆INTELEC07（羅馬）會議，美國INTEL公司提出在電信和數據中心采用400VDC配電；瑞典NETPOWERLABSAB等介紹了9kWHVDCUPS350VDC運行一年的經驗。國內高壓直流通信電源的發(fā)展情況中國電信在2007年在江蘇電信開始試點240V（工作電壓204-288V）高壓直流通信電源產品。主導了YD/T2378-2011《通信用240V電源系統(tǒng)》標準的產生。中國移動在2008年已經啟動336V（工作電壓300V-400V），并于2013年首次啟動集團采購。中國聯通采用240V電壓等級，主要是為適應中國電信存量較大的原有的220VAC服務器的UPS電源改造，以兼容220VAC服務器電源的輸入整流后電壓。220VAC的整流后電壓公式：VDC=2VAC2,2、高壓直流系統(tǒng)供電高壓直流供電系統(tǒng)，顧名思義就是將交流電整流成高壓直流（240VDC，HVDC）形式，且比傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)減少了逆變環(huán)節(jié)，將整流出來的輸出給用電設備的供電系統(tǒng)。如下圖：2*41!>ghA<■IL22Z-4—JJ 'I■■圖42.3、高壓直流供電系統(tǒng)特點其特點是體積小、重量輕、效率高、功率大、紋波小、儲能低和高穩(wěn)定度、高可靠性。整流器采用有源功率因數校正技術，使輸入的交流電流波形與交流電壓波形相同，相位一致，因而功率因數和整機效率高，節(jié)省能源，降低成本，減少運營費用。3、UPS供電系統(tǒng)與高壓直流比較3.1.UPS供電系統(tǒng)存在問題1、可靠性不高；2、建設成本高；3、運行能效低；4、維護可行性差。高壓流供電系統(tǒng)優(yōu)勢HVDC的電池在輸出端，即使HVDC本身出故障，電池仍然可以給負載供電，保障不間斷供電，所以HVDC也成為直流不間斷電源；HVDC并機是直流并聯，只有同電位的問題，控制非常的簡單，而且并機失敗也沒有嚴重問題，最多就是“貧富不均”（不均流）！HVDC并機理論上可以做到“無窮大”，一般可以做到40臺并聯；HVDC采用N+X并聯，整機系統(tǒng)的負荷可以工作在60%—70%的負載，整機效率可以達到90以上！HVDC由于電池的存在，N+1或N+X冗余并聯，一臺模塊出故障，只是預警！HVDC維護簡便，可以在線熱插拔。4、結論目前，各類網絡設備大多是可以直接使用直流的，因而可直接使用高壓直流供電，去掉了UPS系統(tǒng)的逆變設施，從而降低了電源本身的能耗，提高了數據機房的PUE值，同時，因為少了逆變環(huán)節(jié)，降低了維護工作量，