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              數據中心傳統UPS與高壓直流供電系統的對比

              ?行業新聞 ????|???? ?2022-08-04 09:22
              一  高壓直流供電系統原理及供電方案
              高壓直流供電系統原理
               
                  高壓直流并非按我國電力系統高低壓區分標準劃分,而是按相對于廣泛應用于通信領域的現有直流技術來稱呼的,240V直流是傳統48V直流的五倍電壓。我國制定了240V高壓直流電壓標準:YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統》高壓直流系統基本原理如圖所示:
               
                  高壓直流系統(HVDC)主要由交流配電單元、整流模塊、蓄電池、直流配電單元、電池管理單元、絕緣監測單元及監控模塊組。
              在市電正常時,整流模塊將交流配電單元輸出的380V交流電轉換成240V高壓直流,高壓直流經直流配電單元給IT設備供電,同時也給蓄電池充電。在市電異常時,由蓄電池給IT設備供電。
              高壓直流供電方案
                  在高壓直流供電系統的設計中,需綜合考慮系統的安全性、可靠性和經濟性,結合項目實際情況,靈活確定系統架構方案。一般常見的方案有如下三種:
                方案一:高壓直流單電源系統雙路供電。
              單路市電接入高壓直流系統,配置雙路供電線路到直流列頭柜和末端機柜負載。這種方式系統結構簡單,建設投資小。缺點是末端機柜服務器的雙路輸入電源均來自于同一套高壓直流電源系統,系統存在單點故障問題。
                方案二:高壓直流雙電源系統雙路供電。
              雙路市電分別接入兩套獨立的高壓直流系統,分別配置供電線路到直流列頭柜和末端機柜負載。系統配置采用2N方式,系統冗余度大。這種系統每臺機柜配置的輸入電源分別來自于兩套電源系統,消除了系統的單點故障風險,提高了供電的可靠性。缺點是建設投資大。
                方案三:市電+高壓直流雙路供電
                  目前新建的互聯網數據中心,綜合考慮成本和可靠性而大量采用第三種設計方式,即市電+高壓直流雙路供電。這種方式采用一路市電電源,一路高壓直流電源的雙路供電形式,該供電方式消除了系統的單點故障瓶頸,提高了供電的可靠性,且在每個機架內提供了交/直流兩路電源,在市電一路無需電能的轉換,可最大程度提高系統效率。
              某項目機房供電系統采用一路市電一路高壓直流方案。設計一路市電電源,另一路1組共8套800A 240V高壓直流供電系統共同為機房IT設備供電。市電電源系統采用低壓配電柜和交流精密列頭柜;高壓直流系統采用HVDC成套設備和直流精密列頭柜,兩套系統為服務器等雙電源設備提供雙回路供電。每個機柜設計配置2 路分別來自市電電源和高壓直流電源的電源,全面保障IT 設備的用電安全。市電+高壓直流雙路供電的優點:
              § 
              供電效率達98%,比傳統供電方案高近10%
              § 
              § 
              2N 供電,高可靠,拓撲簡單,可靠性高
              § 
              § 
              技術實現簡單,無需定制設備
              § 
               
              二  交流UPS和高壓直流供電系統的對比分析
              兩者結構對比
               
              傳統交流UPS 和高壓直流系統供電結構的差異較大。兩者供電結構的對比圖如圖所示:
               
              從上圖的對比,我們可以清晰地看到:
              § 
              高壓直流系統相較傳統UPS 取消了兩級變換(分別是UPS端的逆變環節和服務器電源端的整流環節),整體效率更高。
              § 
              § 
              高壓直流系統蓄電池作為電源直接并聯在輸出母線上,當停電時,蓄電池可以直接供給負載,提高了供電可靠性。
              § 
              § 
              高壓直流系統拓撲結構更加簡單,可靠性提高。
              § 
              兩者優缺點對比
               
                  傳統UPS 交流供電系統:
              傳統數據中心一直采用UPS交流供電系統,此模式在很多實際應用中暴露出一些自身的缺陷:
                1.系統效率較低
                  從UPS 結構上不難看出,傳統UPS采用AC/DC整流,DC/AC逆變的雙變換,從UPS輸入到末端設備負載變換次數多,每次變換都有能量損耗,降低了系統供電效率。另外,由于UPS采用冗余設計,正常情況下單臺UPS負載率只在30-40%左右,很難達到最高效率點,實際運行效率較低。
                2.系統靈活性和可擴展性不高
                  傳統UPS 以整機形式出現,整機設備容量較大,況且如果需要擴容改造牽涉進出線設備的大量改動,比較繁瑣不便。雖然模塊化UPS的出現部分解決了此問題,但同樣存在多模塊設計并機復雜引起的可靠性問題。
                3.系統復雜,可靠性較差,維護難度大
                  傳統UPS的拓撲結構比較復雜,會影響其單機可靠性。為了解決單點故障問題,通常設計成2N,甚至2(N+1)的冗余模式,由于并機系統比較復雜,提高了出現故障的可能性。系統的復雜,也帶來了投資成本成倍增加,而且占用了更多機房的寶貴空間,并增加了運維的復雜程度。此外UPS輸出的是交流電,而作為后備電源的蓄電池輸出的是直流電。因此,UPS的蓄電池不能直接供給負載,必須通過逆變模塊輸出。這樣供電的持續性就取決于UPS系統的穩定性,如果逆變模塊損壞,蓄電池作為后備電源就失去了存在的意義,無法供電給負載。
                 高壓直流供電系統:
                  隨著數據中心的發展,從可靠性和成本優化角度考慮,240V高壓直流系統應運而生。240V高壓直流系統和傳統的UPS 系統相比起來,主要的優點為:
                  1.系統效率較高
                  現在采用功率MOS 高頻開關技術的240V 高壓直流系統效率可高達96%以上,比采用晶閘管或IGBT的傳統UPS效率更高,體積更小。和交流UPS系統相比,直流供電系統去掉了逆變環節,而一般逆變環節的損耗在5%左右,因此電源的效率得以提升。其次,由于并機技術簡單,可以采用大量的模塊并聯,每個模塊的負載率可達70%~80%,比起傳統交流UPS系統提高很多。
                  2.系統擴容便捷
                  高壓直流系統采用模塊化設計,可大容量并機集中式供電,也可小容量一體柜分布式供電,供電方式非常靈活。由于采用模塊化結構,設計初期預留好機架空間,擴容是非常便捷的。而且設備內部還可隨著IT設備數量不斷增加,逐步增加模塊數量。并且直流并機沒有傳統UPS同頻同相的要求,因此并機非常簡單可靠,系統擴容非常容易。
                  3.系統穩定性高,可維護性高
                  高壓直流系統電池直接和整流器的輸出母線掛接并聯輸出給負載,可靠性更高。當停電時,蓄電池的電能可以直接供給負載,確保供電不間斷。直流供電不同于交流供電,其只有電壓幅值一個參數。各個直流模塊之間不存在相位、相序、頻率同步的問題,系統結構簡單很多,可靠性大大提高。高壓直流系統為模塊化熱插拔設計,運維簡單方便,降低運維成本。如果發現故障模塊,運維人員只需熱插拔更換故障模塊,快速處理,非常便捷。
               
               
              三  高壓直流系統面臨的一些問題
              直流斷路器問題
               
                  在傳統交流電源系統中,斷路器是按照220V/380V交流來設計的。對于這些斷路器,可以有限地用于直流環境。對于交流電,電流在一個周期內會有過零點。當短路時,開關斷開時產生的電弧因過零點的存在而容易熄滅。而如果是直流電,不存在過零點,滅弧相對困難。因此配電系統中就需要使用性能要求更高的直流斷路器,無疑會相應增加建設成本。
               
              直流損耗問題
                  從供電結構上來看,傳統UPS采用的是三相四線制供電,高壓直流則是一相兩線供電。在輸送同等功率情況下,(交流采用380V,直流采用240V)直流電流更大,電纜截面相應增大,電纜消耗量將增加。并且直流傳輸的損耗較大,因此傳輸范圍有限,在遠距離的供電環境,直流還很難取代交流。
               
              結論
               
                  到目前為止,240V高壓直流供電系統已被數據中心行業廣泛接受和使用。直流供電技術的可行性已經得到很好的驗證。隨著數據中心技術的發展以及節能減排和降低運營成本的需要,高壓直流供電系統在節能、節省投資成本、提高可靠性、提升運維便捷性等方面較傳統UPS交流供電系統都有明顯優勢。高壓直流供電系統已經在不斷改變傳統數據中心以交流UPS為主的格局。其中,本文提到的“市電+高壓直流雙路供電”的供電架構,進一步提升了供電效率,節能效果更為顯著。相信隨著時間的推移,高壓直流供電方案在大型互聯網數據中心的應用,將逐步成為未來數據中心供電的趨勢。
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