数据中心传统UPS与高压直流供电系统的对比

一  高压直流供电系统原理及供电方案
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》高压直流系统基本原理如图所示：
 
    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。
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。
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。
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。
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。系统配置采用2N方式，系统冗余度大。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。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*大程度提高系统效率。
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高压直流供电系统共同为机房IT设备供电。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 路分别来自市电电源和高压直流电源的电源，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：
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供电效率达98%，比传统供电方案高近10%
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2N 供电，高可靠，拓扑简单，可靠性高
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技术实现简单，无需定制设备
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二  交流UPS和高压直流供电系统的对比分析
两者结构对比
 
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所示：
 
从上图的对比，我们可以清晰地看到：
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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。
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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。
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高压直流系统拓扑结构更加简单，可靠性提高。
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两者优缺点对比
 
    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*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。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。
   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。
    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，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。如果发现故障模块，运维人员只需热插拔更换故障模块，快速处理，非常便捷。
 
 
三  高压直流系统面临的一些问题
直流断路器问题
 
    在传统交流电源系统中，断路器是按照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。
 
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。
 
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。