数据中心HVDC供配电技术探讨

摘要：高压直流配电系统应运而生，得到快速的发展。文章通过对高压直流电源供配电技术与传统UPS在原理、能效以及经济上的分析，指出HVDC在现在应用中的优势，并在最后提出HVDC在未来的发展方向及应用。

关键词：数据中心；HVDC；供配电系统；直流电压供配电技术；高压线路 文献标识码：A

中图分类号：TM71 文章编号：1009-2374（2016）20-0127-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.20.063

UPS在数据中心占有主要的作用，能够有效保护各类服务器以及存储设备的正常运行，随着电力电子技术的不断发展，功率器件从原来的晶闸管到现在的IGBT的出现，UPS在供配电上问题也逐渐显现，如效率低、结构复杂、能耗大等。随着高压直流电源的提出，一种能够适应新形势下的电源供电系统逐渐取代传统UPS的使用。

1 HVDC供配电技术和传统UPS供配电原理比较

1.1 HVDC供配电的原理和特性

高压直流供配电技术（HVDC）就是在供配电系统中将交流电进行转换，转换成为稳定的直流电，然后再应用到供配电中。在特点上HVDC供配电技术不存在感抗，容抗也在线路中不起作用，不存在同步问题。

1.2 UPS供配电原理和特性

不间断供电电源供配电技术（UPS）在原理上是一种将数字电路和模拟电路集合在一起的一种储能装置，在供配电中通过逆变器的作用，提供恒压恒频的不间断电源，UPS采用数字信号处理器能够将输入的电流正弦化，从而符合用户的用电要求，还能够提高用户电压允许变化的范围。

2 HVDC供配电技术与传统UPS供配电用电量能耗与效率的分析

2.1 传统UPS供配电用电量能耗与效率的分析

UPS在数据中心中不是单独存在的，通常与电缆等设备构成一个电力供配电系统的架构。数据中心供配电主要的目的是为IT负载使用，但是根据数据中心电能消耗的统计可以知道IT负载所用的电量不到总输入的一半，大部分的电能都消耗在电力转换的过程中，比如说制冷系统、线路损耗等。UPS除了具有主电路进行电源的输入外，还会对空载待用的电路进行电能的输入，这样就会降低电源的使用效率。而且UPS的供配电系统扩容难度大，在供电系统中会出现大量的谐波分量，这样会降低变压器在电能上的利用效率，从而影响到整个供电系统的稳定性和利用效率。如果UPS采用的是并联的形式，还会增加电能环流的问题，从而加大了电路的维修难度，降低了系统的稳定性和可靠性。

2.2 HVDC供配电技术效率的分析

随着UPS供电技术的不断发展，UPS供配电技术已经无法实现更大的突破。但是在IT负载中还是交流与直流同时存在的情况，针对这个问题，研究人员开始将研究方向转向高压直流，而且到目前为止HVDC供配电技术作为一种不间断的电源已经初具规模。直流供配电技术在线路上只需要两个导线，这两根导线能够有效提高线路的可靠性，而且当供配电系统一个极产生故障的时候，另一极就会接地，与地面形成回路，从而能够继续配送功率。而且对于这种接地的故障，直流供配电技术能够迅速响应，然后通过降压运行或者是再启动的方式进行故障处理，然后恢复正常的运行。

HVDC是采用的直流系统，HVDC供配电技术不存在无功功率的传递过程，因而相比UPS来说，热能损耗较少，尤其是在较小的负载下，能够明显看出HVDC的热损耗小。在HVDC供配电技术上不存在谐波源，因而再也不会在变压器等设备上产生损耗。

2.3 HVDC供配电技术与UPS供配电技术的能效对比

本文通过对两种不同供配电技术下的能效进行分析，通过实验，还得出UPS与HVDC供配电技术中的能耗因子的关系见表1：

从表1中可以看出，当负载很大的时候，两种供配电技术中的能耗因子在能耗上的差别不是很大，但是在负载较小的情况下，有明显的能耗差距。

UPS跟HVDC相比多一级变换，就会造成效率低下，而且UPS在输出上采用的是工频滤波输出，这种输出方式能耗大。UPS在控制上结构复杂，造成了系统的可靠性低，UPS的电池设置在输入端，这样一旦自身出现故障就会造成负载上的停电，但是HVDC电池在输出端，这样系统自身出现问题，仍会继续为负载提供电源，保证负载不停电，可以说HVDC才是真正意义上的不间断电源。另外，UPS采用的是交流并联的方式，这样在进行系统并机时，因为相位、电位以及频率的不同，将会加大并机的控制难度，也增加了并机的失败率。大型的UPS在进行维护时，因为系统结构的复杂，造成了维修时的困难。而HVDC采用的是冗余并联，一个模块出现故障，不影响其他模块之间的正常工作，且维护简单。HVDC与UPS相比的主要优势见表2：

3 HVDC供配电技术的未来发展及应用方向

3.1 HVDC供配电技术的优势

3.1.1 可靠性。HVDC在直流配电的末端，能够利用多母线冗余技术保证系统供电的可靠性。而且在系统中存在电力电子变换器，这种变换器能够在系统内部形成一个具有自我保护的区域，在这个区域内如果出现故障，系统会进行自修护，不会影响在这个区域外各系统的正常工作。

3.1.2 高效性。直流供电系统简化系统结构，在电源结构上和服务器的架构上减少了一个直流变交流的逆变器和交流变直流的整流器，从而有效地提高了整个系统的供电效率，同时件和结构还从根本上降低了系统由于发热造成的电能损耗，还降低了空调损耗，这样保证了系统的高效性。

3.1.3 节电性能好。因为高压直流供配电技术供电方式的改变，与传统的UPS系统相比，大约节约电能20%左右，这样就可以节约大量的电费。

3.1.4 成本低。在进行建设高压直流供配电系统中成本较低。建设一个120kVA的UPS的供配电系统和2套50kVA的高压直流电源可以发现，高压直流电源的成本有降低70%左右，占地面积也会大量减少，系统运营成本会降低20%左右，这样一年大约可以节省27万的投资成本。

3.1.5 无电阻抗。在高压直流供配电系统中，没有交流电存在的状况，因此输送功率就不会受到距离的影响，从而产生系统稳定性的问题。

3.2 HVDC供配电技术未来发展

随着社会的发展，传统的UPS不间断电源已经不能满足需求，而且随着数据通信的发展，各种设备的用电量也逐步增加，因此在未来的发展中HVDC具有广泛的应用前景。

HVDC供配电技术在未来的发展方向主要是在智能电网上。我国地大物博，但资源分布不均匀，HVDC供配电技术能够有效解决我国在远距离输送大容量电能的问题，还可以解决我国海陆新能源的传输和并网问题。HVDC供配电技术的等级混合直流，能够为各种新能源的并入提供技术支持，HVDC供配电技术不仅可以将不同等级和不同电压之间的交直流电系统进行联系，还可以将这些交直流点进行故障隔离。但是高压直流供电系统也需要在技术上和设备上进行更新，比如说我们常见的直流断路器和直流电缆等设备的发展水平在很大程度上制约着HVDC供配电技术在智能电网上的应用与发展。

4 结语

HVDC的出现使供配电技术的效率更高。我国当前对新能源的发展也大力支持，风能、太阳能等这些新型的发电装置在进行输出时，都是将交流电转换成直流电的形式，这样就会促进HVDC的发展。但是设备不齐全或者是不能够完全满足HVDC的技术要求，很多专业人士对这项供配电技术的认识还不是很全面等，这些都需要对HVDC供配电技术进行更深层次的研究与推广。将HVDC供配电技术在未来数据中心的电源应用上能够发挥出更大的价值。

参考文献

[1] 高凯亮，周荔丹.数据中心UPS系统与HVDC系统的效率比较[J].电器与能效管理技术，2015，（15）.

[2] 郭淑晓.数据中心高压直流配电技术及趋势分析[J].通讯世界，2015，（8）.

[3] ，毛承雄，陆继明，陈迅，曾杰，张俊峰.直流配电系统技术分析及设计构想[J].电力系统自动化，2013，（8）.

[4] 凌越，陶向东.中小型数据中心电力系统设计的几点探讨[J].机电信息，2015，（33）.