再論高壓直流(HVDC )在數(shù)據(jù)機(jī)房的應(yīng)用

再論高壓直流（HVDC）在數(shù)據(jù)機(jī)房的應(yīng)用摘要：數(shù)據(jù)中心首先應(yīng)用在軍事之上，隨著社會(huì)科技不斷發(fā)展、進(jìn)步，逐漸在各個(gè)行業(yè)中使用，隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)的飛速增加的需求量，促進(jìn)了通信行業(yè)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建設(shè)壓力，但龐大的數(shù)據(jù)市場(chǎng)，不可預(yù)估的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，也極大地刺激了通信行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房投入建設(shè)的決心，并付諸行動(dòng)。而在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的配電系統(tǒng)的建設(shè)中，從最初的簡(jiǎn)單的機(jī)械化的UPS到安全系數(shù)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(yùn)行能效低和維護(hù)困難等明顯缺點(diǎn)。因此，作為UPS的替代產(chǎn)品一高壓直流電源（HVDC）便應(yīng)運(yùn)而生，而且越來(lái)越受到電源、通信等行業(yè)的重視。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)機(jī)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(chǎn)生、原理及使用與高壓直流配電系統(tǒng)分開(kāi)敘述，剖析高壓直流電源與UPS電源對(duì)比和數(shù)據(jù)中心配電不同，完全地論述高壓直流的應(yīng)用前景，為進(jìn)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(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展的，由最初純機(jī)械機(jī)構(gòu)逐漸改變成為科技含量高且電子集成的電氣設(shè)備，不間斷電源的歷史至今也不過(guò)幾十年的歷史。在不間斷電源（UPS）發(fā)展經(jīng)歷了四代：第一代UPS電源一動(dòng)態(tài)UPS:利用機(jī)械慣性?xún)?chǔ)能以及電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量傳輸機(jī)制以提供短時(shí)間的不間斷供電，這種早期產(chǎn)品體積龐大、造價(jià)昂貴、噪聲巨大，猶如一個(gè)小型電廠。第二代UPS電源一工頻UPS電源機(jī)。工頻UPS電源機(jī)目前常用于功率較大、用電環(huán)境較差的場(chǎng)合。第三代UPS電源一高頻UPS電源機(jī)。高頻機(jī)的出現(xiàn)進(jìn)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(hù)性，縮短了MTTR時(shí)間，可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成修復(fù)。第四代UPS電源一模塊化高頻UPS電源。高頻機(jī)技術(shù)的發(fā)展為UPS的模塊化架構(gòu)提供了技術(shù)可能，結(jié)合類(lèi)似通信電源的模塊冗余技術(shù)的供電架構(gòu)，模塊化的高頻UPS得以實(shí)現(xiàn)。1.2、 傳統(tǒng)UPS供電方案?jìng)鹘y(tǒng)的UPS電源有一定的特點(diǎn)，它們雖然原理上簡(jiǎn)單，構(gòu)造元件卻比較多，除了燃料機(jī)和發(fā)電機(jī)之外還有整流器、飛輪等結(jié)構(gòu)。新型的UPS電源不會(huì)出現(xiàn)這種情況，它將所有起作用的組成部分集合在一個(gè)規(guī)則的箱體里，運(yùn)輸、操作及安裝在都非常簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)是UPS系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，蓄電池經(jīng)過(guò)逆變器變換為交流電供給負(fù)載，主要有3種供電方式。1）串聯(lián)熱備份UPS供電方式。如圖1所示，串聯(lián)熱備份UPS供電方式為2個(gè)UPS串聯(lián)，但由于旁路開(kāi)關(guān)的控制，其中只有1個(gè)UPS對(duì)負(fù)載供電，2個(gè)UPS互為備份，消除了單點(diǎn)故障，但存在超載能力差、備機(jī)老化不均等問(wèn)題。圖1

2）冗余并聯(lián)UPS供電方式，如圖2。冗余并聯(lián)UPS供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分，其中任意一臺(tái)UPS發(fā)生故障，均可以進(jìn)行在線切除，也可以將備份UPS在線投入運(yùn)行，這種供電方式可以實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)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(dú)立的供電母線給雙電源負(fù)載供電，再通過(guò)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（statictransferswitch,STS）提供給單電源負(fù)載，如圖3所示。這種供電方式消除了單點(diǎn)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(diǎn)。圖31.3、傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1、 優(yōu)點(diǎn)供電平穩(wěn)電能利用率較高技術(shù)成熟2、 缺點(diǎn)：UPS多一級(jí)變換效率降低；UPS的輸出采用工頻濾波損耗大；UPS控制復(fù)雜，可靠性降低；UPS的電池在輸入端，如果UPS本身出故障，負(fù)載仍然停電；UPS系統(tǒng)并機(jī)是交流并聯(lián)，需要同頻、同相、同電位，并機(jī)復(fù)雜控制難度大，并機(jī)失敗率高，而且，一旦并機(jī)失敗后會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓！UPS系統(tǒng)并聯(lián)數(shù)量上受到限制，一般最多6臺(tái)并機(jī)2、高壓直流（HVDC）系統(tǒng)2.1、高壓直流（HVDC）系統(tǒng)產(chǎn)生、發(fā)展高壓直流-國(guó)外通信電源的發(fā)展情況1999年，在在21屆INTELEC99（哥本哈根）會(huì)議：法國(guó)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(yàn)電壓值。2003年，25屆INTELEC03（橫濱）會(huì)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(huì)議：法國(guó)電信提出采用300-400VDC的建議。在2007年，29屆INTELEC07（羅馬）會(huì)議，美國(guó)INTEL公司提出在電信和數(shù)據(jù)中心采用400VDC配電；瑞典N(xiāo)ETPOWERLABSAB等介紹了9kWHVDCUPS350VDC運(yùn)行一年的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)高壓直流通信電源的發(fā)展情況中國(guó)電信在2007年在江蘇電信開(kāi)始試點(diǎn)240V（工作電壓204-288V）高壓直流通信電源產(chǎn)品。主導(dǎo)了YD/T2378-2011《通信用240V電源系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生。中國(guó)移動(dòng)在2008年已經(jīng)啟動(dòng)336V（工作電壓300V-400V），并于2013年首次啟動(dòng)集團(tuán)采購(gòu)。中國(guó)聯(lián)通采用240V電壓等級(jí)，主要是為適應(yīng)中國(guó)電信存量較大的原有的220VAC服務(wù)器的UPS電源改造，以兼容220VAC服務(wù)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(lái)的輸出給用電設(shè)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(diǎn)其特點(diǎn)是體積小、重量輕、效率高、功率大、紋波小、儲(chǔ)能低和高穩(wěn)定度、高可靠性。整流器采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，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(shù)和整機(jī)效率高，節(jié)省能源，降低成本，減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)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(wèn)題1、可靠性不高；2、建設(shè)成本高；3、運(yùn)行能效低；4、維護(hù)可行性差。高壓流供電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)HVDC的電池在輸出端，即使HVDC本身出故障，電池仍然可以給負(fù)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(jī)是直流并聯(lián)，只有同電位的問(wèn)題，控制非常的簡(jiǎn)單，而且并機(jī)失敗也沒(méi)有嚴(yán)重問(wèn)題，最多就是“貧富不均”（不均流）！HVDC并機(jī)理論上可以做到“無(wú)窮大”，一般可以做到40臺(tái)并聯(lián)；HVDC采用N+X并聯(lián)，整機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷可以工作在60%—70%的負(fù)載，整機(jī)效率可以達(dá)到90以上！HVDC由于電池的存在，N+1或N+X冗余并聯(lián)，一臺(tái)模塊出故障，只是預(yù)警！HVDC維護(hù)簡(jiǎn)便，可以在線熱插拔。4、結(jié)論目前，各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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?cè)O(shè)施，從而降低了電源本身的能耗，提高了數(shù)據(jù)機(jī)房的PUE值，同時(shí)，因?yàn)樯倭四孀儹h(huán)節(jié)，降低了維護(hù)工作量，