分析數據中心UPS系統與HVDC系統的不同效率

包銀秀

（中國民用航空西北地區空中交通管理局 陜西西安 710000）

分析數據中心UPS系統與HVDC系統的不同效率

包銀秀

（中國民用航空西北地區空中交通管理局 陜西西安 710000）

本文主要分析了數據中心UPS系統與HVDC系統的不同效率。在實際工作中，普遍定義方法以及相關計算法均產生不一致的作用，對數據中心用電量的能效進行有效的分析，同時完成兩種主流可靠電源UPS以及HVDC的個體以及系統結構進行分析。同時本文還分析了在供配電系統中UPS的效率情況，本文對未來數據中心UPS系統與HVDC系統的不同效率的分析提供相應的借鑒以及參考。

數據中心；UPS系統；HVDC系統；不同效率

1 前言

隨著社會的發展，對于傳統電信、金融以及政府等行業中逐漸使用IT信息技術，其技術的應用規模實現了擴大趨勢，人們關于數據方面的需求量同時也實現持續的增長，在上述的基礎上促使數據中心逐漸生成。數據中心電力基礎架構中的UPS是最為關鍵的一個環節，UPS其身份為關鍵的電源，主要的作用就是對各類服務器以及相關的存儲設備保持穩定、可靠、持續地工作提供切實的保障，將那部分來自市電以及環境所造成的影響順利的屏蔽掉。最為原始的是后備式，隨著在線互動式實現進一步的發展，直到目前的雙變換實現逐漸的在線式[1]。主要功率器件的選擇也實現了基本的發展，傳統形式是選取晶閘管以及MOSFET，今天發展選擇IGBT，其主要涉及到的品牌有以下幾種：科華、索克曼、伊頓、施耐德、艾默生等，單機功率可明顯的達到MVA級。在實際工作中，因為存在UPS的作用，數據中心因為上述原因導致長期存在其能量利用率非常低等情況。隨著社會的發展，能源危機以及節能減排情況日益突出，從根本上實現數據中心節能顯得十分重要。發展至20世紀90年代末期，高壓直流電源（HighVoltage Direct Current HVDC）是一種新型的電源[2]，高壓直流電源的能效指標目前已經實現主流UPS的全部超越，所以，HVDC目前已經逐漸發展成為數據中心的電源新選擇之一。

2 分析數據中心用電量的能效

UPS并不是在數據中心的電力環境中單獨存在的，一般情況下，需要適當的使用一部分電纜、風扇等其他的相關設備，跟這部分相關設備完成數據中心電力基礎架構的構建，數據中心低效中IT供電鏈路最為主要的環節之一。所以，數據中心電力消耗效率模型詳細如圖1所示[3]，在下圖中，存在以下情況，設備總輸入其中低于50.00%的是最終給IT負載使用的。但是，制冷消耗需要除外，在電力轉換的過程和路徑上存在大部分的能量損耗。

圖1 數據中心電力消耗效率模型示意圖

一個“超微型”[4]數據中心含有總負載100WIT的，275W總電能的分解示意圖如圖2所示，分析圖2我們可以得到，想要給終端負載輸送100W的電能，那么總共需要完成高達275W以上電能的消耗：

圖2 “超微型”數據中心示意圖

想要在數據中心領域完成效率的度量以及比較，一般情況下，都會通過電能的使用效率來定義PUE，即：PUE=所有設備的耗電量/IT設備的耗電量。可分解PUE得到：PUE=制冷能效因子（CLF）+供配電能耗因子（PLF）+1}PLF表示在每瓦IT負載上供配電系統的損耗。所以，在實際工作中，我們可以通過PLF指標來表征數據中心的能效，在上述的基礎上度量以及比較IT負載能源的效率[5]。

3 分析在供配電系統中UPS的效率

如果是單臺的UPS，效率會直接受到效率曲線表明帶載率的影響，也就是效率曲線表明帶載率越低其產生的效率就會越低，效率曲線表明帶載率越高，其產生的效率就會越高，但是數據中心中UPS直接關系到其他各種電力基礎設施。想要在實際工作中，對UPS效率情況進行真實地觀察，那么就需要宏觀地站在數據中心的角度完成有效的分析。分析UPS效率以及UPS負載的百分比情況，得到圖3。分析圖3我們可以得到實際給IT負載消耗的電量就是方格部位，UPS內部的損耗大小則由斜線柱來表示，方格柱其大小占整根柱長的百分比則指的是設備的實際運行效率。在實際工作中，分析實際數據得到，損耗百分比斜線柱部分一般會被分為以下幾個部分：第一個部分是No-Load Loss，指的是空載損耗，同時也是指空載時的損耗大小。空載損耗主要指的是風扇以及熱損等部分，其損耗占總損耗比例≥40.00%[6]。第二個部分是指Square-Law Loss，指平方律損耗，同時也指的是隨負載的不斷上漲，會直接造成元件電流增大所產生的一部分損耗，同時很IZ-R損耗關系存在明顯的相似之處，其主要以一種熱能的形式完成外部散播。第三個部分是Proportional Loss，指的是比例損耗，同時也指損耗變化跟負載量呈現正比，其主要由以下幾個部分構成：①功率器件開關損耗；②驅動損耗；③磁性器件鐵損；④其他損耗等。

圖3 UPS效率以及UPS負載的百分比情況

同時我們還可以得到，在沒有負載的情況下仍然存在一部分難以預估的空載損耗，也就是說不管在哪一種情況下，UPS其本身均會存在一定程度的損耗電能情況，同時會保持恒定的數量大小，但是在實際工作中，損耗比率會受到負載的直接影響，兩者呈現一個反比關系，例如負載減少，損耗比率增加；負載增加，損耗比率減少。但是第三種損耗其呈現的主要是等比例的細小的變化。第二種損耗一般情況下均在導線以及開關節點上存在，其所占的比例非常的小，所以其不會隨著負載的變化而發展巨大的變化，不會對那部分輸送給負載功率百分比產生影響，所以，總體而言，一般情況下，工作效率跟負載之間的關系還是較為明顯的，負載的增加，工作效率就會發生一定幅度的提升，在實際工作中，我們可以選擇通過各款主流UPS的效率圖查閱之后，得到進一步的確認。

4 結語

綜上所述，如果在實際工作中，按照實際情況的需要，更新以及生產效率更高的可靠性更強的HVDC產品，那么其產生的吸引力將會是非常大的，其產生的作用也是非常大的，可以將其作為一次變革來看。隨著社會的發展，新能源產業的發展速度非常的迅速，因為目前都是直流輸出的分布式電能裝置，例如：風能、燃料電池、太陽能光伏等分布式電能裝置，該類型的分布式電能裝置可以跟HVDC很好地相匹配。所以，將會在不久的未來取得非常有效的協同規模發展前景。雖然在目前實際工作中，那部分原有的高壓直流系統還存在一部分配套產品不齊全以及不規范等問題，難以實現電壓標準的有效統一等各個方面的問題，同時行業工作人員對高壓直流系統所保持的認知度還是相對比較低的，但YDB037-2009隨著相關規定的頒布。促使HVDC的市場開拓以及發展在行業層面完成預熱工作，促使其未來的發展道路實現進一步便捷化，同時HVDC的市場開拓還上游廠商、下游廠商創造了福利，例如：為其提供清晰接口。在未來的發展過程中，只要國家出臺關于“綠色能源”的政策條例，那么我們就可以將UPS完全替代，使用HVDC完全替代，同時促使HVDC實現大規模的推廣。促使HVDC實現進一步的智能化、精細化、模塊化，促使未來的數據中心電源應用實現有效化，促使節能途徑以及發展的方向實現進一步明確。

[1]PRATT A，KUMARumar P，Aldridge T V.Evaluation400 V DC disliatrilmtion in Trloo aml data orntrrs to improve energy effioienc；y[C].IEEE Intelec；Conf，2012：32～9.

[2]孫 超.拓展訓練引入初中體育與健康課程的實驗研究[D].揚州大學，2013，121.

[3]郭亦興.數據中心電源系統分析與節能探討[D].長安大學，2013，5，25.

[4]閆闖.我國高等院校拓展訓練課程教學理論的研究[D].北京體育大學，2012，666.

[5]尹磊杰.初中生拓展訓練的課程設計[D].陜西師范大學，2012，320.

[6]關通.應用于IDC機房供電系統的HVDC電源的設計與實現[D].哈爾濱工業大學，2012：224～225.

TN86

A

1004-7344（2016）08-0299-02

2016-3-5

包銀秀（1985-），女，助理工程師，本科，主要從事民航空管系統設備的維護管理工作。