数据中心HVDC 与UPS 电源系统对比分析

2023-08-22董伟宏

通信电源技术 2023年13期

董伟宏

（联通（广东）产业互联网有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

在通信机房增加容量、规格扩大的背景下，单机柜消耗的电能与日俱增，供电平台面临着较大的风险。当出现通信中断问题时，由通信电源供电平台的故障问题引发的系统风险占比达到70%。因此，技术人员尝试加强通信电源性能，以保持通信系统运行的平稳性。高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）电源系统和不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）电源系统均适用于高密度机房中。其中，HVDC 电源系统表现出组成简单、节能性优异、供电平稳等技术优势，比UPS电源系统的安全问题少，具有更强的技术安全防护功能。

1 数据中心HVDC 与UPS 电源系统简介

1.1 HVDC 电源系统

当交流电电压从220 V 增高至240 V 时，需引入HVDC 电源系统，在配电系统的支持下合理分配各类通信系统中的直流电。连接配电单元、铅酸蓄电单元时，需要使用阀控装置确保市电运行秩序稳定。铅酸蓄电池可以在HVDC 电源系统的支持下补充电能，从而保证通信设备所需电能供给。当市电系统运行不畅时，为保证设备功能完好，需要借助铅酸蓄电池为240 V的HVDC电源系统供电。整个供电过程较为简单，仅需进行整流操作，电能转换效率极高。HVDC 电源技术在去除一级直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）电流转换程序后，备用电池直接部署在直流母线位置，以单元式整流形式并联输出直流电，使得供电运行效率不小于96%，负荷比例不高于50%。HVDC 电源系统的设备容量使用比例比UPS电源系统高10%左右，表现出较高的供电效率、技术安全以及运维便利等优势，适用于大规模数据中心项目，可保证平稳供电[1]。

1.2 UPS 电源系统

电力系统中的电流形式为交流电，铅蓄电池中的电流形式为直流电。市电系统运行无异常时，需要借助整流器将电网中的交流电转化为直流电，给铅酸蓄电池供电一段时间后，再运行逆变器，从而成功输出220 V 电压等级的交流电，进而保证通信设备拥有充足的电能。当市电系统运行出现问题时，需要借助逆变器将铅蓄电池中的直流电转化为相同电压等级的交流电，确保通信设备平稳运行。经过对比可以发现：UPS 供电效率比HVDC 电源系统低，更适用于复杂电路的供电设计。在数据中心项目中引入UPS 供电技术后，共经历了3个技术更新过程，分别是工频供电、塔式供电以及单元式高频持续供电。相应的UPS 系统容量也有3 个更新过程：工频阶段，100 kVA；塔式阶段，600 kVA；单元式阶段，1 MVA。在这个过程中，电源系统运行效率从最初的低于50%增长至95%，表明单元式UPS 具有一定供电优势。UPS 电源系统负荷比例不应大于45%，多用于小规模互联网、金融政企等类型的系统。

2 数据中心HVDC 与UPS 电源系统对比

2.1 供电性能对比

使用UPS 电源系统供电时，若市电系统出现供电故障，则使用逆变器将铅酸蓄电池产生的直流电转换为交流电来补充信息交互所需的电能。在此过程中，铅酸蓄电池可以储存一定量的电能，且备用电机运行状态完好。然而，若逆变器运行出现问题，则会降低通信设备的运行能力，导致通信系统出现故障，因此单点故障存在较大的风险。在通信设备连接电源系统后，HVDC 电源系统较UPS 电源系统表现出了2点技术优势：一是HVDC 电源系统内部装置的铅酸蓄电池能够与配电单元直接连接，从而保证通信设备能够持续获取电能，简化了电流转换流程，减少供电事故的发生；二是HVDC 电源系统供电期间，主要是在通信设备侧控制电压降，无须进行设计频率与相位，系统运行方式极为简单，且能够保持系统平稳运行[2]。

2.2 供电系统利用率对比

单机UPS 电源系统可能会出现单点故障的情况。若选择主备型供电方式，则会形成一定冗余问题，更换为“主+主+备”的模式后，依然面临冗余情况。按照运维规范，1 主+1 备的系统规划中，单机电能利用率小于45%；2 主+1 备的供电规划中，单机电能利用率小于60%。由此可知，UPS 电源系统在运行期间存在较大的能源冗余问题。随着通信设备集成性逐步增强，要求通信电源电能利用率要达到较高的水平。而HVDC 电源系统采用模块化结构，设计热插拔型的整流单元，依据通信设施的实际负载量相应调整整流单元的运行个数，显著提高了供电系统的电能利用率。

2.3 电能利用效率对比

以中国联通企业为对象进行电能利用效率分析，引入其数据中心项目的相关内容，综合分析2 种供电系统的电能利用情况。中国联通企业在建立数据中心时，选择的是T3 供电结构，以2N供电体系为技术基础引入UPS 电源，在电源成功连接后，以双路市电为基础进行电流转变。在此过程中，需要关注整流期间所产生的电能损耗。UPS 电源在实际供电运行中，是以经济运行模式（Economy Control Operation，ECO）为技术更新方向。在旁路电源电压符合技术要求时，开启“旁路静态开关”，进入“旁路供电”状态。当旁路电源电压不符合技术要求时，负载从旁路位置切换成逆变供电形式。在旁路、逆变2 种供电体系中，整流器均为“开启”状态，借助充电器补充备用电池所需的电能。该模式的系统运行效率能够提升3%，但存在电流整流失败和逆变失败等风险，技术应用方案尚需完善。HVDC 电源系统运行时的电压参数取240 V，其实用性比UPS 电源系统更高。案例单位采取“高压直流+市电”的混合配电形式，HVDC运行效率增加了3%，且不存在电流整流失败、逆变失败等各类风险，供电系统能够平稳运行，系统安全性较高，节能表现优异且投入资金量较少[3]。2 种技术的各项性能对比结果如表1 所示。

表1 2 种技术的各项性能对比结果

3 数据中心HVDC 与UPS 电源系统对比的启示

3.1 技术挑战

数据中心承担较多的数据处理任务，对数据管理、通信交互需求较高，因此需要配备性能较好、供电持续的供电系统，以保证系统的运行能力。在数据存储需求较高的情况下，各类端点设备、云计算技术的应用得到了加强。由于众多台式设备的数据存储量较小，智能移动设备可能发展成为设备外部连接的存储主体，进而增加数据中心的通信主体，导致HVDC 电源系统面临更多的供电任务，支持数据中心各主体动态按需访问的需求，确保数据通信的有效性。从5G 通信技术到人工智能（Artificial Intelligence，AI），各类先进技术的研发是以系统性能为前提条件，需要保证系统能够运行平稳、有效控制延时问题，争取达到零延时的系统运行效果。在该需求下，加强HVDC 供电支持，高效配电，减少供电异常，是提高数据中心处理较多数据、高效运行的关键因素[4]。

3.2 超大规模

初期建立的数据中心通信体系，借助云计算有效控制延迟问题。未来，数据中心项目将会以超大规模为技术更新方向。该项目规划表现出4 个技术优势。一是在项目规划、设施组成以及性能表现等方面，均采取模块设计方式；二是系统性能较强、功能表现优异；三是自动化处理各项数据管理任务；四是有效控制各端口的资金投入量，在新建系统、实际运行的数据中心项目中，均设计1 MW 为额定功率。UPS 电源系统的供电效率较低，在较高功率需求下，可能会增加系统运行负担，因此以HVDC 为技术首选，建立更符合大型规模数据中心项目的供电体系，确保系统运行平稳[5,6]。

3.3 开发新型供电系统

绿色节能的HVDC 电源（以下简称XHVDC）兼具简约性、运行高效性、节能降耗以及系统运行平稳等技术优势，以极具绿色性的HVDC 供电结构融合于实际供电程序中。XHVDC系统开发的方向具体如下：一是系统运行效率提高，不低于97.8%；二是节省供电成本，其供电成本是HVDC 系统供电支出的70%；三是单元式设计，依照电能需求合理配置供电容量，能够减少40%的设备容量占用空间；四是节省至少90 d 工程建设时间；五是简洁规划各项供电链路，切实保证系统供电平稳性。XHVDC 系统以10 kV 三相电流为主要输入类型，电源电压参数取240 V，具有较强的供电能力。新型系统有效整合240 V ～10 kV的全部资源，有效控制电气器件的使用数量，优化转化流程，切实提高系统运行效率[7,8]。

3.4 XHVDC 系统运行效益预测。

（1）节能节点预测。中国联通在建立数据中心项目时，拟用XHVDC 电源，依照2N配电结构设计电源系统，给出了“2×650 kW+4×1 250 kW（XHVDC）”的电源方案。该系统拟运行时，在负荷率为50%的条件下，系统运行效率能够达到97.6%，比一般HVDC 电源供电运行能力增长了约3.4%，预计每年能够节省的电能为744 600 kW·h。假设用电成本为1 元/（kW·h），XHVDC 系统每年能够节约74.46 万元。

（2）减少空间占用量。XHVDC 系统的研发工作成功去除了初期变压器、低压配电程序的运行流程，将多组HVDC 电源整合在一组电源内，有效减少动力设备的占用空间。预测系统安装空间会减少40%，切实提高机房空间利用率。例如，数据中心项目扩建后的容量为4 000 kW，以HVDC 系统为电源，采取1市电+1 HVDC 的供电方案，选择2 台变压器，40 个低压配电柜，8 组HVDC 系统，采用2N系统设计方法。新型XHVDC 与原有HVDC 所需设备对比如表2所示。