HVDC在數據中心的節能作用淺析

郭利群

(中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

2008年以來，國內大型數據中心建設進入快車道，數據中心作為耗能大戶也日益受到關注。工業和信息化部、國家機關事務管理局、國家能源局2019年發布了關于加強綠色數據中心建設的指導意見《工信部聯節〔2019〕24號》，要求到2022年，數據中心平均能耗基本達到國際先進水平，新建大型、超大型數據中心的電能使用效率值達到1.4以下。《北京市新增產業的禁止和限制目錄(2018年版)》要求，PUE值在1.4以下；上海要求存量改造數據中心PUE不高于1.4，新建數據中心PUE限制在1.3以下；深圳實施減量替代，“以高(能效)代低、以大(規模)代小、以新(技術)代舊”，PUE1.4以上的數據中心不享有支持，PUE低于1.25的數據中心可享受新增能源消費量40%以上的支持。

從政策層面看，數據中心節能設計和運行已刻不容緩，而從運維角度看，電費支出也占到了數據中心整體運維費用的一半，節能需求對于企業來說非常必要。

在數據中心節能研究上，各種新技術紛紛涌現，其中高壓直流(HVDC)技術最為受人關注，相比傳統UPS系統方案，其節能效果據測算可以提高8%，因此，本文試著從產品原理及系統組成加以分析，探討其節能效果。

1 HVDC的拓撲演繹

傳統的UPS(拓撲圖參見圖1)是由整流器進行AC/DC整流、電池組掛在中間、逆變器進行DC/AC轉換三個環節來完成整個供電過程。相對而言，HVDC常見的拓撲圖(參見圖2)變得簡單，據生產商宣傳，HVDC減少一個DC/AC轉換后，可靠性提高的同時，也使得電能利用效率大大提高。

圖1 UPS拓撲圖

圖2 HVDC常見拓撲圖

那么，實際是不是提高了電能利用效率呢？筆者認為，可以從兩種設備的基礎電路加以分析。

無論高頻UPS還是HVDC，其前級都是IGBT整流器(此處忽略工頻UPS采用的SCR整流)，常見的整流電路為Boost電路(圖3)，整流方式是升壓整流，經過AC/DC轉換后，直流母線電壓為800V。我國現行兩大通信用HVDC電壓標準分別是336V和240V，顯而易見，800V是不能直接提供給負載使用的，必然需要經過DC/DC轉換為更低的直流電壓。

圖3 Boost整流電路示意圖

從電力電子學角度看，DC/DC轉換是將一個直流電壓轉換成另一個直流電壓的過程，也稱為直流斬波，其工作原理是先將直流電逆變(升壓或降壓)成交流電，然后再整流變換成另一種直流電壓。由此可以看出，HVDC實際上經歷了三次變換，比傳統UPS多了一個變換級，其實際拓撲圖參見圖4。

圖4 HVDC實際拓撲圖

2 HVDC的轉換效率

市面上類似“市電+HVDC綜合供電效率為97%，比最高效率為94%傳統的UPS高出不少”等宣傳語很多，但筆者在仔細查閱相關項目資料后發現，宣傳語中很多內容都是在偷換概念，或是用“市電+HVDC”來對比“2N設計的UPS”，或是用“HVDC”對比工頻“UPS”。從某云計算中心電氣架構圖(圖5)以及各系統架構的效率對比(參見表1)就可以看出HVDC的實際效率。

圖5 某云計算中心電氣架構圖

電氣架構的效率對比表 表1

從表1可以看出，該云計算中心把UPS的效率設定在90%，同時認為HVDC的效率僅92%，這也呼應了上文中分析的HVDC需要三次變換。常見HVDC的效率曲線如圖6所示，最高值比92%略高一點；如果是2N配置，在常規的30%～40%區間，效率基本在91%左右。

圖6 HVDC的效率曲線

然而，對于UPS來講，其效率是不是真的只有90%呢？筆者在2014年曾參與了一個多家廠商UPS產品的綜合測試工作，取樣包括5家高頻UPS和2家工頻UPS，測試地點為某實驗室，產品效率測試數據如表2所示。

從表2可以看到，即便是大家公認效率低下的工頻UPS，在滿載測試時也高于92%；在45%的半載測試中，高頻UPS效率也能達到95%，遠非業內“工頻UPS的效率只能按80%計算”的論調。雖然以上數據取自5年前，但是隨著UPS廠商技術研發水平的進步，近日某廠商的新品UPS滿載效率的第三方測試數據，即在雙變換模式下達到96.625%，E模式達到98.987%，也充分證明了“HVDC效率高于UPS”的論調不可信。

此外，對于金融數據中心而言，因其“兩地三中心”的組網形式及自身業務特點，對于基礎設施的可靠性要求很高，2N的系統架構是金融數據中心必要條件。從表1和表2可以看出，在相同的組網條件下，不管是兩路UPS(HVDC)還是一路市電+一路UPS(HVDC)，電氣系統的整體效率幾乎沒有差異。

某項目UPS效率泰爾實驗室實測值 表2

HVDC的特點分析 表3

3 HVDC的特點分析

雖然HVDC并非節能效果驚人，但是HVDC仍有其特點。筆者在下文通過對HVDC的特點加以分析，希望在工程實踐對設計人員有所幫助。

4 結束語

綜上所述，市場中對HDVC節能、效率高的宣傳具有片面性，筆者經過與多位IDC從業人士交流，總結發現若干應用了HVDC的數據中心之所以節能效果顯著，主要采用了以下方法：(1)市電+HVDC混合使用；(2)HVDC模塊休眠，以保證最大經濟負載率；(3)通過技術手段定制IT設備電源模塊，使得設備優先使用市電，HVDC回路保持有壓無流狀態，以提高系統效率。

這些方法雖然在用戶方有能力實現IT層面冗余的條件下不會凸顯問題，但對于其他用戶而言就存在實施障礙，如一路市電主供+一路休眠、電源瞬態閃斷和諧波治理等都是問題；市電直供沒有電源質量可言，業內人士也提到，電網的穩定性要綜合考慮各種因素，局部地區電網不穩定、閃斷頻率較高的情況下，不建議采用市電加高壓直流的方案。

采用高壓直流+市電直供時，對市電要求提高，市電直接供電的電源質量應滿足電子信息設備正常運行的要求，即服務器能承受市電波動帶來的影響。另外為減少對柴油發電機組的影響，服務器電源的功率因數需>0.95，諧波電流需≤5%，避免容性負載沖擊造成柴發機組帶載困難。