數據中心HVDC 與UPS 電源系統對比分析

董偉宏

（聯通（廣東）產業互聯網有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

在通信機房增加容量、規格擴大的背景下，單機柜消耗的電能與日俱增，供電平臺面臨著較大的風險。當出現通信中斷問題時，由通信電源供電平臺的故障問題引發的系統風險占比達到70%。因此，技術人員嘗試加強通信電源性能，以保持通信系統運行的平穩性。高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）電源系統和不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）電源系統均適用于高密度機房中。其中，HVDC 電源系統表現出組成簡單、節能性優異、供電平穩等技術優勢，比UPS電源系統的安全問題少，具有更強的技術安全防護功能。

1 數據中心HVDC 與UPS 電源系統簡介

1.1 HVDC 電源系統

當交流電電壓從220 V 增高至240 V 時，需引入HVDC 電源系統，在配電系統的支持下合理分配各類通信系統中的直流電。連接配電單元、鉛酸蓄電單元時，需要使用閥控裝置確保市電運行秩序穩定。鉛酸蓄電池可以在HVDC 電源系統的支持下補充電能，從而保證通信設備所需電能供給。當市電系統運行不暢時，為保證設備功能完好，需要借助鉛酸蓄電池為240 V的HVDC電源系統供電。整個供電過程較為簡單，僅需進行整流操作，電能轉換效率極高。HVDC 電源技術在去除一級直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）電流轉換程序后，備用電池直接部署在直流母線位置，以單元式整流形式并聯輸出直流電，使得供電運行效率不小于96%，負荷比例不高于50%。HVDC 電源系統的設備容量使用比例比UPS電源系統高10%左右，表現出較高的供電效率、技術安全以及運維便利等優勢，適用于大規模數據中心項目，可保證平穩供電[1]。

1.2 UPS 電源系統

電力系統中的電流形式為交流電，鉛蓄電池中的電流形式為直流電。市電系統運行無異常時，需要借助整流器將電網中的交流電轉化為直流電，給鉛酸蓄電池供電一段時間后，再運行逆變器，從而成功輸出220 V 電壓等級的交流電，進而保證通信設備擁有充足的電能。當市電系統運行出現問題時，需要借助逆變器將鉛蓄電池中的直流電轉化為相同電壓等級的交流電，確保通信設備平穩運行。經過對比可以發現：UPS 供電效率比HVDC 電源系統低，更適用于復雜電路的供電設計。在數據中心項目中引入UPS 供電技術后，共經歷了3個技術更新過程，分別是工頻供電、塔式供電以及單元式高頻持續供電。相應的UPS 系統容量也有3 個更新過程：工頻階段，100 kVA；塔式階段，600 kVA；單元式階段，1 MVA。在這個過程中，電源系統運行效率從最初的低于50%增長至95%，表明單元式UPS 具有一定供電優勢。UPS 電源系統負荷比例不應大于45%，多用于小規模互聯網、金融政企等類型的系統。

2 數據中心HVDC 與UPS 電源系統對比

2.1 供電性能對比

使用UPS 電源系統供電時，若市電系統出現供電故障，則使用逆變器將鉛酸蓄電池產生的直流電轉換為交流電來補充信息交互所需的電能。在此過程中，鉛酸蓄電池可以儲存一定量的電能，且備用電機運行狀態完好。然而，若逆變器運行出現問題，則會降低通信設備的運行能力，導致通信系統出現故障，因此單點故障存在較大的風險。在通信設備連接電源系統后，HVDC 電源系統較UPS 電源系統表現出了2點技術優勢：一是HVDC 電源系統內部裝置的鉛酸蓄電池能夠與配電單元直接連接，從而保證通信設備能夠持續獲取電能，簡化了電流轉換流程，減少供電事故的發生；二是HVDC 電源系統供電期間，主要是在通信設備側控制電壓降，無須進行設計頻率與相位，系統運行方式極為簡單，且能夠保持系統平穩運行[2]。

2.2 供電系統利用率對比

單機UPS 電源系統可能會出現單點故障的情況。若選擇主備型供電方式，則會形成一定冗余問題，更換為“主+主+備”的模式后，依然面臨冗余情況。按照運維規范，1 主+1 備的系統規劃中，單機電能利用率小于45%；2 主+1 備的供電規劃中，單機電能利用率小于60%。由此可知，UPS 電源系統在運行期間存在較大的能源冗余問題。隨著通信設備集成性逐步增強，要求通信電源電能利用率要達到較高的水平。而HVDC 電源系統采用模塊化結構，設計熱插拔型的整流單元，依據通信設施的實際負載量相應調整整流單元的運行個數，顯著提高了供電系統的電能利用率。

2.3 電能利用效率對比

以中國聯通企業為對象進行電能利用效率分析，引入其數據中心項目的相關內容，綜合分析2 種供電系統的電能利用情況。中國聯通企業在建立數據中心時，選擇的是T3 供電結構，以2N供電體系為技術基礎引入UPS 電源，在電源成功連接后，以雙路市電為基礎進行電流轉變。在此過程中，需要關注整流期間所產生的電能損耗。UPS 電源在實際供電運行中，是以經濟運行模式（Economy Control Operation，ECO）為技術更新方向。在旁路電源電壓符合技術要求時，開啟“旁路靜態開關”，進入“旁路供電”狀態。當旁路電源電壓不符合技術要求時，負載從旁路位置切換成逆變供電形式。在旁路、逆變2 種供電體系中，整流器均為“開啟”狀態，借助充電器補充備用電池所需的電能。該模式的系統運行效率能夠提升3%，但存在電流整流失敗和逆變失敗等風險，技術應用方案尚需完善。HVDC 電源系統運行時的電壓參數取240 V，其實用性比UPS 電源系統更高。案例單位采取“高壓直流+市電”的混合配電形式，HVDC運行效率增加了3%，且不存在電流整流失敗、逆變失敗等各類風險，供電系統能夠平穩運行，系統安全性較高，節能表現優異且投入資金量較少[3]。2 種技術的各項性能對比結果如表1 所示。

表1 2 種技術的各項性能對比結果

3 數據中心HVDC 與UPS 電源系統對比的啟示

3.1 技術挑戰

數據中心承擔較多的數據處理任務，對數據管理、通信交互需求較高，因此需要配備性能較好、供電持續的供電系統，以保證系統的運行能力。在數據存儲需求較高的情況下，各類端點設備、云計算技術的應用得到了加強。由于眾多臺式設備的數據存儲量較小，智能移動設備可能發展成為設備外部連接的存儲主體，進而增加數據中心的通信主體，導致HVDC 電源系統面臨更多的供電任務，支持數據中心各主體動態按需訪問的需求，確保數據通信的有效性。從5G 通信技術到人工智能（Artificial Intelligence，AI），各類先進技術的研發是以系統性能為前提條件，需要保證系統能夠運行平穩、有效控制延時問題，爭取達到零延時的系統運行效果。在該需求下，加強HVDC 供電支持，高效配電，減少供電異常，是提高數據中心處理較多數據、高效運行的關鍵因素[4]。

3.2 超大規模

初期建立的數據中心通信體系，借助云計算有效控制延遲問題。未來，數據中心項目將會以超大規模為技術更新方向。該項目規劃表現出4 個技術優勢。一是在項目規劃、設施組成以及性能表現等方面，均采取模塊設計方式；二是系統性能較強、功能表現優異；三是自動化處理各項數據管理任務；四是有效控制各端口的資金投入量，在新建系統、實際運行的數據中心項目中，均設計1 MW 為額定功率。UPS 電源系統的供電效率較低，在較高功率需求下，可能會增加系統運行負擔，因此以HVDC 為技術首選，建立更符合大型規模數據中心項目的供電體系，確保系統運行平穩[5,6]。

3.3 開發新型供電系統

綠色節能的HVDC 電源（以下簡稱XHVDC）兼具簡約性、運行高效性、節能降耗以及系統運行平穩等技術優勢，以極具綠色性的HVDC 供電結構融合于實際供電程序中。XHVDC系統開發的方向具體如下：一是系統運行效率提高，不低于97.8%；二是節省供電成本，其供電成本是HVDC 系統供電支出的70%；三是單元式設計，依照電能需求合理配置供電容量，能夠減少40%的設備容量占用空間；四是節省至少90 d 工程建設時間；五是簡潔規劃各項供電鏈路，切實保證系統供電平穩性。XHVDC 系統以10 kV 三相電流為主要輸入類型，電源電壓參數取240 V，具有較強的供電能力。新型系統有效整合240 V ～10 kV的全部資源，有效控制電氣器件的使用數量，優化轉化流程，切實提高系統運行效率[7,8]。

3.4 XHVDC 系統運行效益預測。

（1）節能節點預測。中國聯通在建立數據中心項目時，擬用XHVDC 電源，依照2N配電結構設計電源系統，給出了“2×650 kW+4×1 250 kW（XHVDC）”的電源方案。該系統擬運行時，在負荷率為50%的條件下，系統運行效率能夠達到97.6%，比一般HVDC 電源供電運行能力增長了約3.4%，預計每年能夠節省的電能為744 600 kW·h。假設用電成本為1 元/（kW·h），XHVDC 系統每年能夠節約74.46 萬元。

（2）減少空間占用量。XHVDC 系統的研發工作成功去除了初期變壓器、低壓配電程序的運行流程，將多組HVDC 電源整合在一組電源內，有效減少動力設備的占用空間。預測系統安裝空間會減少40%，切實提高機房空間利用率。例如，數據中心項目擴建后的容量為4 000 kW，以HVDC 系統為電源，采取1市電+1 HVDC 的供電方案，選擇2 臺變壓器，40 個低壓配電柜，8 組HVDC 系統，采用2N系統設計方法。新型XHVDC 與原有HVDC 所需設備對比如表2所示。

表2 設備配備對比表

XHVDC 的設備占地面積約為72 m2，HVDC 的設備占地面積約為105 m2，XHVDC 比HVDC 成功減少了33 m2的占地空間。

4 結 論

數據中心內部各類系統的運行量較大，形成了高能耗的問題，通信設施的供電系統需要保證通信設備處于安全平穩的運行狀態，并在節能減排思想的指導下加強技術更新。相比UPS 電源系統，HVDC 表現出較強的技術安全性，能夠節約能源，減少電耗量，具有廣泛的應用價值。