1、高压直流供电在数据中心的应用探析 刘凯琪 江西省电力设计院 摘 要： 以往交流 UPS 始终扮演着数据中心不间断电源的重要角色, 而伴随着数据中心业务的日益发展、规模逐渐扩大, 供电安全也逐步成为人们广泛关注的一个焦点, 由于高压直流供电系统拥有许多交流 UPS 所无法比拟的优点, 所以, 近年来, 其被广泛使用于数据中心之中。本文首先对高压直流供电的原理及优势进行了论述, 接着对高压直流供电平台的测试实验和结果进行了分析, 可供参考。关键词： 高压直流供电; 数据中心; 应用; 收稿日期：2017-8-13Received： 2017-8-13引言高压直流 (HVDC) 电源可以实现不间断地
2、供应直流电能, 其在应用前景、投资建设以及技术等方面均明显优于交流 UPS, 而且当前出有许多关于高压直流供电的研究, 其研究结果均证实 HVDV 供电远远优于交流 UPS。因为与 UPS 技术相比, 高压直流供电技术均明显更具优势, 所以, 是否可将高压直流供电技术应用于数据中心, 这已成为人们高度重视的一个话题。1 高压直流供电平台1.1 高压直流供电平台的工作原理高压直流供电系统主要是由如下五个单元共同构成的, 即交流配电单元、监控单元、整流单元、电池单元以及直流配电单元等1, 图 1 为高压直流供电系统的构造示意图。图 1 高压直流供电系统的构造示意图 下载原图在两路交流正常输入的情况
3、下, 交流切换装置会将其中一路交流作为交流配电单元的输入渠道, 交流电在整流模块的作用下会转变为高压直流电, 直流配电单元再将高压直流电直接供应给设备或负载, 与此同时, 也能将直流电供电给蓄电池。系统中的监控单元主要负责管控整个系统, 再分散收集、处理好信号之后, 再统一由监控单元进行管控, 人机操作界面会出现在显示屏上, 以便运维人员更好地管控高压直流供电设备。高压直流供电系统可以大大地缩减中间的整流逆变过程和损耗, 便整个系统的工作效率实现显著的提升, 这些均是交流 UPS 系统所无法比拟的。1.2 高压直流供电系统的优点高压直流供电系统的优点主要表现在如下几方面: (1) 交流 UPS
4、 系统主要是并机交流, 而高压直流供电系统并机主要是并联直流, 只需考虑同电位的问题, 便于操作。 (2) 高压直流供电系统便于维护和接线, 无需断电便可实现热插拔。(3) 交流 UPS 供电系统的电池是设置在逆变器与整流器之间, 而高压直流供电系统的电池是设置在输出端的, 在高压直流供电系统出现故障的情况下, 电池依旧可以对设备或负载进行供电, 实现对系统的不间断供电。 (4) 高压直流供电系统各子监控单元均采取的是模块化设计, 可以大大地提升系统的灵活性。 (5) 高压直流供电系统可以实现自由添加并机数量, 而且每个子监控单元均设置了独有的微机处理器, 可以进行自主控制, 这样可以大大提升
5、整个系统运行的稳定性及安全性。2 高压直流供电平台测试实验和结果2.1 高压直流供电平台测试实验将一台高压直流供电平台设置在国家电网公司北京灾备 (数据) 中心电源测试室内, 通过检测得知, 此平台的各项技术指标均达到标准要求, 能够保障数据中心服务器的正常运作。将数据中心的联想万全 R510 服务器作为负载设备, 在运作期间, 服务始终处于正常运作状态, 借助人机界面可以实现对高压直流供电平台运作状况的实时监测和管理。2.2 实验结果通过比较交流 UPS 的供电效果和高压直流供电平台的测试结果发现:(1) 高压直流供电平台可以使供电系统的输出参数实现显著的提升。在整流模块阶段, 在负载为 5
6、0%的情况下, 高压直流供电系统的输入电流谐波成分最大为 10%, 且其功率因数最小为 0.98;在负载为 100%的情况下, 高压直流供电系统的输入电流谐波成分最大为 5%, 且其功率因数最小为 0.99。而在增设了滤波器之后, 交流 UPS 供电系统的输入电流谐波成分约为 7.5%, 而其输入功率因数不会超过 0.95。通过改良输入参数, 可以有效的缩减前端设备的容量, 也无需将电抗器安装于前端低压配电柜, 这样便可以有效的降低补偿电容的耐压要求2。(2) 高压直流供电平台可以有效的提升电能供应的可靠性。对于交流 UPS 供电系统而言, 其各部分元件可靠性相乘结果即代表整个供电系统的可靠性
7、, 单个元件的可靠性远远高于整个系统的可靠性。而 UPS 供电系统听旁路开关及静态开关等不可备份的系统单点故障点均有可能引发整个系统断电。而高压直流供电设备可借助整流模块来进行在线热拔插, 不会干扰服务器的正常运行。因为高压直流供电系统采取的是模块化设计, 在某个模块出现异常的情况下, 可实现在线替换异常模块, 不会对系统的运行造成太大影响。由此可见, 与单个元件相比, 高压直流供电平台整体的可靠性要高得多, 其可靠性也远远优于交流UPS 供电系统。(3) 高压直流供电平台便于改造割接。以往国家电网公司北京灾备 (数据) 中心是选用的交流 UPS 供电系统, 其主要是通过“2N”模式对设备进行
8、不间断供电。在需要升级改造或更替其中某套 UPS 系统的情况下, 为了确保升级改造后2 台 UPS 系统可以输出相同的电能质量, 必须暂时停电进行割接处理, 所以, 每次升级改造或割接 UPS 系统均必须面临较大的风险, 甚至还有可能由于 UPS系统产品的更新换代而增加系统扩容的难度。而高压直流供电系统使用的是直流电源, 只需保证输出的电流极性及电压一致便可将其连接起来, 与交流 UPS系统相比, 其并机更加方便, 可以做到在线割接, 实现对设备的不间断供电3。(4) 高压直流供电平台可以有效的延长供电设备的使用年限、大大缩减其电能损耗。因为高压直流供电平台整流模块是通过 N+1 备份冗余模式
9、进行运作的, 在负载不是很高的情况下, 设备模块可以实现循环开关机, 这样便可以大大地延长供电设备的使用年限、有效地缩减其电能损耗。3 结语国家电网公司灾备 (数据) 中心存在着大量的服务器, 需要消耗大量的电能。通过建立高压直流供电平台, 再对其进行测试实验, 充分证实了高压直流供电的安全性及有效率远远优于传统的 UPS 供电, 而且高压直流供电可以大大地降低能源损耗, 符合国家大力倡导的节能降耗理念。总之, 将高压直流供电应用于数据中心之中, 可以大大地提升供电系统的效率、有效的降低能源损耗, 从而促进国家电网企业的更快、更好发展。参考文献1张乐丰, 欧阳述嘉, 张林峰, 等.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 (5) . 2张谦, 李长春, 赵利红, 等.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 (1) . 3陈纯, 张连平, 范波.高压直流供电系统在数据中心的应用探讨J.中国电机工程学会电力通信专业委员会学术年会, 2015 (1) .
