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摘要:近年来我国数据中心快速发展，供配电系统作为保障数据中心运行的基础，是建设中的重点关注问题。采用传统UPS交流供电系统和240V高压直流供电系统的数据中心不断建成和投入使用。两套不同供电系统已在工程设计中积累了大量丰富的使用经验。本文结合实际工程，介绍了240V高压直流供电系统，并对目前传统UPS交流供电系统与240V高压直流供电系统进行对比研究。其中主要涉及到高压直流供电系统基本原理，高压直流供电系统的组成和三种不同供电方案的探讨和比较。在此基础上分析对比了传统UPS交流供电系统和240V高压直流供电系统在大型数据中心的工程实践中的优缺点，希望能够为工程设计人员提供参考。
关键词：数据中心 UPS 高压直流（HVDC） 供配电系统
1．高压直流供电系统原理及供电方案
1.1.高压直流供电系统原理
高压直流并非按我国电力系统高低压区分标准划分，而是按相对于广泛应用于通信领域的现有直流技术来称呼的，240V直流是传统48V直流的五倍电压。我国制定了240V高压直流电压标准：YD/T 2378-2011 《通信用240V直流供电系统》[1]
高压直流系统基本原理如图1所示：
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图1：高压直流系统原理图
高压直流系统（HVDC）主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。
在市电正常时，整流模块将交流配电单元输出的380V交流电转换成240V高压直流，高压直流经直流配电单元给IT设备供电，同时也给蓄电池充电。在市电异常时，由蓄电池给IT设备供电。
240V 高压直流系统配电系统组成如图2所示：[2]
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图2：240V直流供电系统图
此系统一般由交流屏+整流屏、整流屏、直流配电屏、电池开关箱、蓄电池及电池架等组成。系统额定输出电压为240V。目前在大型数据中心高压直流领域，240V电压等级系统仍占据主流。
1.2.高压直流供电方案
在高压直流供电系统的设计中，需综合考虑系统的安全性、可靠性和经济性，结合项目实际情况，灵活确定系统架构方案。一般常见的方案有如下三种：
方案一：高压直流单电源系统双路供电。本方案如下图3所示：
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图3：高压直流单电源系统双路供电
单路市电接入高压直流系统，配置双路供电线路到直流列头柜和末端机柜负载。这种方式系统结构简单，建设投资小。缺点是末端机柜服务器的双路输入电源均来自于同一套高压直流电源系统，系统存在单点故障问题。
方案二：高压直流双电源系统双路供电。本方案如下图4所示：
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图4：高压直流双电源系统双路供电
双路市电分别接入两套独立的高压直流系统，分别配置供电线路到直流列头柜和末端机柜负载。这种系统每台机柜配置的输入电源分别来自于两套电源系统，消除了系统的单点故障风险，提高了供电的可靠性，缺点是系统配置采用2N方式、系统冗余度大、建设投资大。
方案三：市电+高压直流双路供电
目前新建的互联网数据中心，综合考虑成本和可靠性而大量采用第三种设计方式，即市电+高压直流双路供电。
市电+高压直流双路供电这种方式采用一路市电电源，一路高压直流电源的双路供电形式，该供电方式消除了系统的单点故障瓶颈，提高了供电的可靠性，且在每个机架内提供了交/直流两路电源，在市电一路无需电能的转换，可最大程度提高系统效率。本方案如下图5所示：
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图5：市电+高压直流双路供电
某项目机房供电系统采用一路市电一路高压直流方案。设计一路市电电源，另一路1组共8套800A 240V高压直流供电系统（HVDC）共同为机房IT设备供电；分别在配电室A内设置市电低压配电柜和配电室B内设置8套800A 240V 高压直流供电设备。
市电电源系统采用低压配电柜和交流精密列头柜；高压直流系统采用HVDC成套设备和直流精密列头柜，两套系统为服务器等双电源设备提供双回路供电。每个机柜设计配置2路来自市电电源和高压直流电源的电源 ，市电一路配置32A/220V交流，直流一路配置240V直流。精密列头柜到机柜的电流与机柜内PDU连接，全面保障IT设备的用电安全。
市电+高压直流双路供电的优点：
供电效率达98%，比传统供电方案高近10%
2N供电，高可靠
技术实现简单，无需定制设备
拓扑简单，可靠性高
电源模块化设计，可按需配置，减少初期投入成本
支持热插拔，可快速更换，运维容易
2 交流UPS和高压直流供电系统的对比分析
2.1 两者结构对比分析
传统交流UPS和高压直流系统供电结构的差异较大。两者供电结构的对比图如图6所示：
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图6：两者结构对比图
从上图的对比，我们可以清晰地看到：
高压直流系统相较传统UPS取消了两级变换（分别是UPS端的逆变环节和服务器电源端的整流环节），整体效率更高。
高压直流系统蓄电池作为电源直接并联在输出母线上，当停电时，蓄电池可以直接供给负载，提高了供电可靠性。
高压直流系统拓扑结构更加简单，可靠性提高。
2.2 两者优缺点对比分析
2.2.1.传统UPS交流供电系统：
传统数据中心一直采用UPS交流供电系统，此模式在很多实际应用中暴露出一些自身的缺陷：
1.系统效率较低
从UPS结构上不难看出，传统UPS采用AC/DC整流，DC/AC逆变的双变换，从UPS输入到末端设备负载变换次数多，每次变换都有能量损耗，降低了系统供电效率。另外，由于UPS采用冗余设计，正常情况下单台UPS负载率只在30-40%左右，很难达到最高效率点，实际运行效率较低。
2.系统灵活性和可扩展性不高
传统UPS以整机形式出现，整机设备容量较大，况且如果需要扩容改造牵涉进出线设备的大量改动，比较繁琐不便。虽然模块化UPS的出现部分解决了此问题，但同样存在多模块设计并机复杂引起的可靠性问题。
3.系统复杂，可靠性较差，维护难度大
传统UPS的拓扑结构比较复杂，会影响其单机可靠性。为了解决单点故障问题，通常设计成2N，甚至2（N+1）的冗余模式，由于并机系统比较复杂，提高了出现故障的可能性。如果出现故障，往往需要厂家的维护人员进行操作。系统的复杂，也带来了投资成本成倍增加，而且占用了更多机房的宝贵空间，并增加了运维的复杂程度。此外UPS输出的是交流电，而作为后备电源的蓄电池输出的是直流电。因此，UPS的蓄电池不能直接供给负载，必须通过逆变模块输出。这样供电的持续性就取决于UPS系统的稳定性，如果逆变模块损坏，蓄电池作为后备电源就失去了存在的意义，无法供电给负载。
2.2.2.高压直流供电系统：
随着数据中心的发展，从可靠性和成本优化角度考虑，240V高压直流系统应运而生。240V高压直流系统和传统的UPS系统相比起来，主要的优点为：
1.系统效率较高
现在采用功率MOS高频开关技术的240V高压直流系统效率可高达96%以上，比采用晶闸管或IGBT的传统UPS效率更高，体积更小。和交流UPS系统相比，直流供电系统去掉了逆变环节，而一般逆变环节的损耗在5%左右，因此电源的效率得以提升。其次，由于并机技术简单，可以采用大量的模块并联，每个模块的负载率可达70%~80%，比起传统交流UPS系统提高很多。另外，由于服务器输入的是直流电，也就不存在功率因数及谐波的问题，降低了线路损耗。最后，高压直流系统启动节能休眠后，可以大大提升轻载下的系统效率，减少机房初期的运行能耗。
2.系统扩容便捷
高压直流系统采用模块化设计，可大容量并机集中式供电，也可小容量一体柜分布式供电，供电方式非常灵活。由于采用模块化结构，现在单一模块的容量一般在10kW左右，设计初期预留好机架空间，扩容是非常便捷的。而且设备内部还可随着IT设备数量不断增加，逐步增加模块数量。并且直流并机没有传统UPS同频同相的要求，因此并机非常简单可靠，系统扩容非常容易。
3.系统稳定性高，可维护性高
高压直流系统电池直接和整流器的输出母线挂接并联输出给负载，可靠性更高。当停电时，蓄电池的电能可以直接供给负载，确保供电不间断。直流供电不同于交流供电，其只有电压幅值一个参数。各个直流模块之间不存在相位、相序、频率同步的问题，系统结构简单很多，可靠性大大提高。高压直流系统为模块化热插拔设计，运维简单方便，降低运维成本。运维变得更加方便，不再大大依赖UPS厂家的支持，如果发现故障模块，运维人员只需热插拔更换故障模块，像换服务器硬盘一样简单，现场运维人员即可快速处理，非常便捷。
现将传统UPS和高压直流对比分析，总结如表1所示。
表1：传统UPS、高压直流对比分析
3.高压直流系统面临的一些问题
3.1.直流断路器问题
在传统交流电源系统中，断路器大都是按照220V/380V交流来设计的。对于这些断路器，可以有限地用于直流环境。对于交流电，电流在一个周期内会有过零点。当短路时，开关断开时产生的电弧因过零点的存在而容易熄灭。而如果是直流电，不存在过零点，灭弧相对困难。因此配电系统中就需要使用性能要求更高的直流断路器，无疑会相应增加建设成本。
3.2.直流损耗问题
从供电结构上来看，传统UPS采用的是三相四线制供电，高压直流则是一相两线供电。在输送同等功率情况下，（交流采用380V，直流采用240V）直流电流更大，电缆截面相应增大，电缆消耗量将增加。并且直流传输的损耗较大，因此传输范围有限，在远距离的供电环境，直流还很难取代交流。
3.3.产业整合问题
传统UPS系统已经在数据中心行业使用多年，市场比较成熟，产品也很完善。高压直流系统近些年已经在逐步推广应用，大型互联网公司也在大力发展该技术。但高压直流最大的问题还在于产业链的整合。由于高压直流系统的演进不仅涉及UPS行业，而且也涉及低压配电产业、服务器等产业，各方面的利益不尽一致，这也需要时间进行整合。
4.结论
到目前为止，240V高压直流供电系统已被数据中心行业广泛接受和使用。直流供电技术的可行性已经得到很好的验证。随着数据中心技术的发展以及节能减排和降低运营成本的需要，高压直流供电系统在节能、节省投资成本、提高可靠性、提升运维便捷性等方面较传统UPS交流供电系统都有明显优势。高压直流供电系统已经在不断改变传统数据中心以交流UPS为主的格局。其中，本文提到的“市电+高压直流双路供电”的供电架构，进一步提升了供电效率，节能效果更为显著。相信随着时间的推移，高压直流供电方案在大型互联网数据中心的应用，将逐步成为未来数据中心供电的趋势。
参考文献:
[1]YD/T 2378-2011 通信用240V直流供电系统. 中华人民共和国通信行业标准
[2]18DX009 数据中心工程设计与安装. 北京：中国计划出版社，2018 国家建筑标准设计图集