小容量HVDC在电力系统C2类信通机房中的应用

陈思超，邱海锋，范 华，万燕珍

（国网浙江杭州市萧山区供电有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引 言

目前，国家大力发展新能源产业。高压直流电源（即HVDC）作为一种新型不间断电源，近年来已在电信运营商，阿里巴巴、腾讯、百度(即BAT)互联网数据中心广泛应用，其技术成熟，高效率、高可靠性、低能耗、低成本、易维护，相比UPS优势显著。本文从HVDC原理、应用效果出发，探讨HVDC在电力系统C2类信通机房的解决方案[1-2]。

1 HVDC替代UPS的可行性和优势

机房IT设备采用高频开关电源。市电经过整流，变成直流电，再经过DC/DC变换成设备所需的工作电压。即IT设备内元器件级一般是低压直流电源，于是可以采用等效的直流电源，直接从原来的交流端口对设备供电，不必改动原设备，如图1所示。

此外，只要设备电源的交流输入端不是直接接入工频变压器，都可以通过直流供电。新建以及90%以上在运行机房，都可以采用等效直流电源替代交流UPS进行供电。

图1 电源中“市电侧整流滤波电路”可以通过直流电的示意图

UPS含两个变换环节，即整流滤波（AC/DC）和逆变（DC/AC）。图2左侧为UPS电路，市电220 V经桥式整流器，整流成直流电对蓄电池进行浮充电，蓄电池的直流电再逆变成220 V工频交流电，供给计算机ATX开关电源。图2右侧为计算机ATX开关电源，220 V工频交流电经“市电侧整流滤波电路”整流成直流电，再经DC/DC变换成±12 V、±5 V及3.3 V向计算机供电。

图2 交流UPS向计算机供电的原理框图

从图3看出，左侧UPS中的整流器输出与右侧服务器电源中“市电侧整流滤波电路”的输出都是直流电压。显然，逆变成交流电是多余的，增加了故障风险和损耗。可以将逆变器省掉，直接将蓄电池的直流电经“市电侧整流滤波电路”供给IT设备。

由此可见，HVDC替代UPS在技术原理上完全可行，而且有着明显的优势。

图3 交流UPS和直流HVDC的结构比较

2 HVDC在BAT数据中心的应用效果

近年来，HVDC已被BAT数据中心很多新项目广泛采用，如图4所示。国家、行业标准也陆续出台，形成高速发展的态势。

BAT某数据中心，采用“市电+240 V HVDC”供电架构，在全负载范围内保持高效率94%以上，比UPS节能超6%；ECO模式负载为30%以下时，节能尤为明显，高达10%以上。2018年度PUE为1.26。

分析从2010年起统计数据发现，因UPS故障发生的宕机明显较多，达9%，每年约四五起。高达41%的服务器掉电原因是UPS故障，波及面非常大。而采用HVDC供电，除个别模块故障，服务器掉电事故为零。从应用效果看，HVDC可靠性明显优于UPS，是数据中心供电的首选。

图4 HVDC电源

3 电力系统C2类信通机房小容量HVDC供电解决方案

该类机房容量小，UPS及通信蓄电池两种电源供电并存。现尝试采用HVDC技术，对原电源进行优化整合，输出240 V和-48 V供电模式，以提升供电可靠性、节能降耗。

以某机房为例，IT负载约二三千瓦，据此设计了240 V和-48 V组合供电的解决方案.

系统由240 V、200 A主机柜、-48 V、40 A嵌入式单元、电池开关箱及蓄电池构成。-48 V嵌入式单元安装在240 V的主机柜中，不占用额外空间。240 V系统由交流输入、直流输出、整流模块、防雷、绝缘监测及监控等单元组成；-48 V嵌入式单元由直流输入、直流输出、DC/DC变换模块、防雷及监控等组成。

系统原理如图5所示。

图5 系统原理图

240 V HVDC和-48 V嵌入式单元组合安装在一个机柜内，结构紧凑，造型美观，如图6所示。

图6 开门前视图

该设计方案和UPS比较，有如下优势。

（1）高可靠性。交流停电时由蓄电池直接供电，减少逆变故障点，且模块有冗余备份。

（2）节能降耗。整流模块效率可达96%以上，休眠模式时，能耗更低。

（3）-48 V单元从240 V母线上接入，共用一套蓄电池，节省投资成本。

（4）240 V和-48 V负载输出集成在一个机柜内，用户接线方便。

（5）采用模块化设计，模块热插拔，更换维护简单。

（6）240 V系统和-48 V单元均自带监控，告警功能信息齐全，可以接入后台动环。

（7）安全性更高。HVDC输出浮地，单极母排触电电压只有135 V，比交流要低近1倍。

（8）HVDC并机简单，扩容方便。

4 结 论

BAT大规模应用HVDC，可靠性及节能效果显著。相比UPS，HVDC有诸多优势，已成为IDC供电首选。除了政策支持、技术保障外，思想观念上也要转变，以有利于HVDC这样高可靠性、低能耗的好产品在电力、金融、政企、公共基础设施等领域应用推广，造福社会。