数据中心机房UPS供电系统的全新安全及节能技术设计

数据中心机房UPS供电系统的全新安全及节能技术设计

邓小寻

广东南方电信规划咨询设计院有限公司广东深圳518045

摘要：随着数据中心的快速发展，其业务、规模均在不断提高，供电安全问题受到越来多的关注。数据中心采用何种类型的不间断电源系统成为各方争论的重点。本文主要介绍高压直流系统的结构及其工作原理，总结分析了高压直流系统的性能特点，并将其与传统UPS供电系统进行了对比，进而从高压直流系统的基本条件、节能可靠性、技术可行性及安全性等方面对高压直流系统探讨，以期为今后高压直流系统的设计提供可以借鉴的资料。

关键词：数据中心；高压直流系统；应用

1前言

随着互联网技术的普及，以开展数据托管业务为目标的Internet数据中心(简称IDC)、以数据联网集中为目标的企业自用数据中心及以数据安全为目标的数据备份中心得到了迅猛的发展，通信运营商、银行金融系统、政府及各大型企业等都在进行大型数据中心机房的建设。如何确保如此数据高度集中机房的安全运行是供电系统设计的首要命题，其次是这些数据心的设备用电负荷通常都在数千千瓦以上，每年的电费动辄高达数千万元，如何在安全供电的前提下降低机房的能耗，是机房供电系统设计需要解决的另一关键课题。

2高压直流系统简介

高压直流系统的组成主要包括了电池组、交流配电屏、直流配电屏、监控等单元以及整流屏。

在两路市电供电正常时，由高压直流整流模块将交流电转换成高压直流电送至直流配电屏，然后由直流配电屏分配至列头柜，再供电各通信设备，同时对蓄电池进行浮充电。当市电和油机电不正常时，因整流机架停电不工作，这时由蓄电池组放电来维持通信设备的正常运行。待市电或油机正常后，再由高压直流整流屏转换的直流电供电，同时对蓄电池组进行补充电。

在该供电系统中，监控部分会管理、控制该系统，信号经相应的处理后，监控单元会对其进行统一的管理，显示屏上具有人机操作功能，运维工作人员能够管理、监控高压直流供电设备。

3高压直流系统的性能特点

3.1降低成本，提高效率

与传统的UPS系统相比，高压直流系统将整流逆变环节减少了，不仅大大降低了损耗，工作效率显著提高，这是因为该系统的并机技术相对简单，能够同时并联大量的模块，大大提高了每一模块的利用率，高达七成。而且高压直流系统中不存在静态旁路开关、滤波设备以及DC/AC逆变器，统主机上器件的数量明显降低，能够显著减小设备的成本。

3.2节约能耗

目前，UPS主机是在线双变频，负载比大于50%时，变换效率类似于开关电源。然而，在实际工程应用中，后负荷输入的谐波和波峰因数的影响通常最大，UPS单机的最大稳定负载率仅为35～45%。受后端设备发展的影响，系统通常在后期阶段达到设计负荷率，使其长期处于低负荷运行状态，其转换效率通常为80％多，甚至更低。

对于高压直流系统而言，因其采用模块化结构，可实际根据后端设备的装机率配置或者控制整流模块的开机运行数量，使模块负载率与转换效率始终保持在较高水平。

3.3提高带载能力

UPS系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，以国内某大型UPS厂商的某型主机为例，在输出功率因数为0.5（容性）时，其最大允许负载率仅为50％；二是负载的电流峰值系数，通常UPS主机的设计波峰因数为3，如果负载的电流峰值系数大于3，则UPS主机将降容使用。

对直流系统而言，没有功率因数方面的问题；由于其并行大容量电池内阻极低，和整流模块有大量盈余（充电和备用），高负载的电流峰值系数承载能力很强，不需要专门考虑备用容量的安全。

3.4提高可靠性

UPS供电系统的架构使其系统的总体可靠性低于单个组件的可靠性。而为了解决可靠性不高的问题，须采用多机并联成双总线冗余供电模式，使系统总成本变高，且存在逆变失效、蓄电池组能量不能直接供给负载等问题。

而高压直流供电系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，不可靠性是各组件连乘结果，总体可靠性高于单个组件的可靠性。当交流市电停电后，蓄电池组的能量能够直接供给负载使用，在技术上大大提高了供电系统的安全可靠性。

4高压直流系统的基本条件

要想实现高压直流配电，应当具备以下几个基本条件：

（1）应当具备专门的高压直流电源系统；

（2）服务器PSU能接受高压直流电源供电。现有的交流输入PSU只能够接受一定值的高压直流，直接在现有的服务器PSU上加高压直流电压，只能简单地达到高压直流供电的目的，不够完善，只能将其作为过渡方案。面临的最大挑战是备用单元、路由器以及服务器等一定要具备HVDC输入或者AC/HVDC通用输入。

（3）相关的连接器以及接地等应当符合相应的安全标准的要求。

5高压直流系统的技术合理性

IDC机房供电系统中原采用UPS供电，由于并机、双总线冗余系统的使用，分摊到每台UPS的实际带载率都小于50%，UPS的整机效率约88%左右，本工程采用高压直流系统后，效率超过95%。电源转换效率提高7％，而抵消电源设备散热制冷空调电耗也相应减少。

以某公司为例，该公司相关人员通过对比2套50kW高压直流电源、传统1+1冗余120kVAUPS的建设，结果发现，建设同样的100kW电源系统，高压直流供电系统的成本占优，其投资成本要低66%；机房的占地面积降低了24.22%；而系统的运营成本比传统UPS系统低了16.22%，经统计，每年高压直流系统能够节省26.91万元。

6高压直流系统的技术可行性

现在通信行业使用交流供电的绝大多数负载均由交流UPS系统供电，然后经过负载自身的整流变换为+12V、+5V等直流电压为本身的电路供电，其输入不管是交流还是直流，最后都要转换为自身电路板使用的低压直流。所以在技术上，负载设备是能够直接接入240V高压直流系统的电能的。

使用交流220V供电的电压范围为180V～240V，因此负载理论上可以承受240V×1.414=339.36V的直流电压；同样标称240V的高压直流系统最高电压约为120×2.35V=282V，远小于339.36V，因此现在的交流负载肯定能够承受高压直流240V供电系统的耐压。

当其由50Hz交流供电时，通过整流二极管的电流为脉动电流，而采用高压直流供电时，通过整流二极管的电流为平滑电流，当整流二极管通过的平均电流一定时，电流脉动成分越大其发热量也大，因此采用高压直流供电的整流器件发热量小，也不会提高其整流部分的故障率。因此240V高压直流系统代替交流UPS系统为使用交流的通信负载供电是可行的。

结语

在数据中心中可以完全用高压直流系统来替代UPS供电系统；当然高压直流系统是否能够采用，取决于未来对负载机柜的功率要求是否加大，最主要还取决于各大运营商与服务商的运维能力以及客户的可接受度。目前高压直流供电系统凭借着自身的优势已被各大运营商、各大互联网基础设施服务提供商以及阿里巴巴、百度、腾讯等电子商务服务商逐步应用于数据中心。而且高压直流系统的构建也符合我国提倡的节能减排理念，为数据中心实现更加节能、高效的目标提供了极大的可能，以便为国家电网的建设提供更好的服务。因此高压直流系统的发展前景还是非常广阔的。

参考文献

[1]张谦.数据中心高压直流UPS供电系统的应用探讨[J].信息系统工程.2015(01).

[2]张乐丰.高压直流供电在数据中心中的应用探讨[J].电力信息与通信技术.2016(05).