数据中心高压直流系统应用与设计

［唐燕 孙国同］

1 前言

数字经济已成为经济高质量发展的重要引擎，在推动共同富裕方面发挥着重要作用。根据中国信息通信研究院2023 年4 月发布的《中国数字经济发展研究报告（2023年）》，2022 年我国数字经济规模首次突破50 万亿元，达到50.2 万亿元，同比名义增长10.3%，已连续11 年显著高于同期GDP 名义增速，数字经济占GDP 比重相当于第二产业占国民经济的比重，达到41.5%，数字经济已成为社会经济增长的重要动能[1]。而支撑数字经济发展的支点便是数据中心，数据中心已然成为影响经济社会发展的重要基础设施。

数据中心既是“新基建”的重要组成部分，也是“新基建”发展的核心IT 基础设施。

随着国家层面“东数西算”工程的全面启动，先进的数据中心建设和运营方法以及绿色节能创新技术将助力数据中心实现数字化升级转型。

本文对高压直流系统在数据中心的应用与设计进行探讨，希望对数据中心的建设有所帮助。

2 数据中心供电系统选择

传统的数据中心服务器供电大都采用交流UPS 系统来实现不间断工作。交流UPS 系统一般由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。市电正常时，交流输入的一次电源经整流器变换为直流电给逆变器，同时给蓄电池充电，逆变器再将直流电逆变成50 Hz交流二次电源供给服务器。市电停电时，由蓄电池放出直流电，经过逆变器变换成交流电供给服务器。UPS 工作原理如图1 所示[4]。

图1 交流UPS 工作原理图

为提高电源系统供电的可靠性，UPS 系统通常采用3 种供电模式：直接并机方案、模块并机方案、双母线（2N/3N）方案。这几种模式大都采用两台甚至多台设备直接并联向服务器进行供电，这些模式不可避免地存在一些必须要解决的问题，比如UPS 设备系统环流问题、电路复杂问题、能耗问题、占地面积大、蓄电池组机房承重问题等等。

一般UPS 系统的效率跟服务器负载有着直接的关系，负载率高则系统效率高，负载率低则系统效率低。通常情况下，UPS 系统不会满载运行，单机UPS 电源系统正常运行时最大负载一般不超过UPS 额定容量的90%，2N双总线UPS 电源系统正常运行时每套UPS 的负载率不应超过额定容量的45%。假定某实际运行的UPS 系统，平均效率为90%，那么每输入100 kWh 的电量，就会损失10%；同时UPS 主机还有散热需求，需要配置相应的制冷空调来保障其正常运行。因此在低负载状态下，选择UPS系统来进行供电时很不节能的。

目前数据中心上架的服务器大都采用双电源工作，即配置两个电源模块，各个电源模块之间为主备用关系，正常工作时两个模块共同承担负载，当起一个模块出现故障或需要检修时，则由另外一个模块承担起全部负荷。服务器电源模块工作原理如图2 所示。

图2 服务器电源模块工作原理

从电源模块工作原理图可以看出，服务器电源模块的核心是DC/DC 部分，也就是说只要提供给DC/DC 一个合适的直流电源即可保障电源模块正常工作，而不一定非要输入交流电源。

从电子电路原理来分析，服务器电源的整流电路大都采用全桥二极管整流电路，详见图3 所示。

图3 全桥二级管整流电路图

它的作用是为后级提供波动的直流电源。整流电路对于直流电可以直接输入，只要直流电压达到220 V 以上就可使用[6]。

因此，从服务器电源的工作原理来分析，高压直流是完全可以取代UPS 交流系统的。

3 高压直流技术特点

高压直流并非按我国电力高低压区分标准划分的，而是相对于通信行业现有的-48 V 直流技术称呼的。高压直流技术跟传统的UPS 交流技术相比，有以下几个特点：

（1）模块化设计

高压直流系统由于采用模块化设计模式，供电方式更为灵活，可以采用并机集中供电方式，也有可采用分布式供电方式。另外整流模块可以随着IT 设备的上架量逐步按需配置，实现分期建设。同时直流系统并机没有频率和相位相同的需求，并机简单可靠。

采用模块化设计的另外一个好处便是后期运维：运维人员可以不再依赖设备厂家的支持，在模块出现故障时，只需热插拔即可更换故障模块。

而传统的UPS 一般分为塔式结构和模块化结构，其中塔式结构的UPS 容量固定，只能采取并机模式进行容量扩容；当设备故障时，需要整机退出系统进行维修[8]。

（2）系统效率高

高压直流系统内部模块采用N+1 配置，可以让整流模块工作在50～80%的负载率区间，系统效率最高；同时如果负载率偏低，还可以启动整流模块效能管理功能，提高模块的负载率，从而提高整体系统的效率。据统计对比，在带载相同的负载情况下，高压直流系统比传统的UPS系统至少节能15%[7]。

传统的UPS 方案在机房建成初期由于设备上架率较低，造成电源系统转换效率很低，而高压直流系统的整流模块还具备节能休眠功能，可以根据实际负载情况开启合适的整流模块数量，从而保证在全负载范围和机房全生命周期内实现系统高效率运行。

（3）系统可靠性高

如图4 所示，从结构上看，高压直流系统跟传统的-48 V 电源系统相比，差异很小，只是电压更高些，系统整体结构清晰、简单。在运行过程中，如果整流电路环节出了问题，还有电池直挂母线可以继续保障系统供电。而UPS系统方案，由于涉及静态旁路、整流电路、逆变环节，以及输出静态开关，甚至输出隔离变压器等，系统复杂，故障节点多，因此出故障的概率相对较高。

图4 高压直流系统与UPS 系统结构对比

图5 高压直流组合式供电系统

图6 高压直流分立式供电系统

从安全上看，高压直流系统自身除了具有成熟的电池管理功能之外，还有智能休眠功能。由于电池直挂母线上，服务器负载产生的瞬时负载冲击电压和电流可以通过电池充放电来进行缓冲；休眠退出过程中由电池进行放电，然后设备退出休眠后再正常带载，因此不会造成系统拉垮。而传统的UPS 方案中，高频模块化UPS 要启动模块休眠模式，由于电池挂接在逆变器前面，则有可能无法及时退出休眠导致整个系统宕机掉电。另外高压直流系统休眠控制策略还具有同步老化及定时唤醒功能，从而可以保证整个系统中的各个模块同步老化，提高系统的可靠性。

（4）系统安全性高

我们知道，传统的UPS 系统大都采用中线接地方式，-48 V 电源系统采用正极接地方式，而高压直流系统则采用的是正负极输出对地悬浮方式。由于高压直流系统正负极到大地的电压都是在135 V 左右，我们人体的正常电阻约在6 300 Ω，误碰到其中一级的135 V 直流产生的电流约在0.02 A，不足以对人体造成较大伤害。

另外如果正负母排的任何一级接地，虽然不会造成系统掉电，此时若误碰到另外一级，则270 V 直流可能会让人有触电感觉。在实际设计过程中，为了避免该意外发生，我们要求高压直流系统配置绝缘检测仪，提早预防和定位故障点，并在240 V 直流系统和蓄电池组周围都放置绝缘垫，以确保操作人员的人身安全。

而反观传统的UPS 系统，由于人体心脏的心跳频率和交流电50 Hz 的工频较为接近，交流触电时更容易引起心室整颤，导致生命危险。如表1 所示。

表1 男性人体对电流耐受能力[5]

（5）系统性价比高

根据同样容量的系统造价对比，高压直流系统由于采用整流模块N+1 模式，造价约为UPS 系统的60%左右。

综上所述，在数据中心建设过程中，高压直流系统跟传统UPS 系统相比，无论在安全性、可靠性、效率、性价比等诸多方面有着较好的优势。

4 高压直流系统设计

跟传统通信行业的48 V 直流系统类似，高压直流系统也分为组合式系统和分立式系统。其中组合式系统的交流配电单元、整流模块单元、直流配电单元以及监控单元等同机架设置，蓄电池组单独安装；分立式系统的交流配电单元、整流模块单元、直流配电单元分别设置在不同的机架内，蓄电池组另外单独安装[3]。

系统容量大于400 A，宜采用扩充性能较好的分立式电源系统；系统容量小于400 A 时，可考虑采用紧凑型的组合式电源系统。

高压直流系统输出容量应根据设计的总负载和蓄电池组均充容量进行计算选择。其中整流模块容量按近期负荷进行配置，远期负荷不大时，可按远期容量配置；直流屏按照系统最大输出能力进行配置；蓄电池组容量按近期负荷配置，同时依据电池寿命情况，适当考虑远期发展。

在具体设计过程中可参考以下要求进行配置：

（1）整流模块配置

高压直流系统整流模块的配置按N+1 冗余模式考虑，其中N≤10 时，N 为主用，1 个为备用；N＞10 时，每10个备用1 个。主用整流模块的容量按近期负荷电流和电池均充充电电流之和确定。

（2）蓄电池配置

高压直流系统的蓄电池一般设置2 组，最多不宜超过4 组。

蓄电池组应根据供电保证所需的后备时间进行配置，蓄电池组的容量应满足系统满载时的放电时长需要，一般情况下按单机备电15 分钟考虑；电池选型宜选用高倍率放电的铅酸蓄电池组。

（3）配电设备配置

在双电源系统供电要求的场合，高压直流系统容量宜相互备份，全程采用双路由、双级保护的供电方式。

高压直流系统直流屏的至数据中心机架PDU 之间的配电环节不宜超过3 级，直流屏主要输出分路设置绝缘检测装置。

直流配电过程应采用熔断器或直流断路器作为双极过流保护器件，熔断器和直流断路器的额定电流一般按1.5～2.5 倍的最大负荷电流配置。

5 结束语

2017 年，我国颁布了《通信高压直流电源设备工程设计规范》GB51215-2017，该规范明确了240 V 作为高压直流系统的标称电压之一。[2]，该标准的制定有助于推动高压直流技术在数据中心的广泛应用。

目前无论在理论上还是实践上，均已证明数据中心服务器设备采用高压直流技术，相比传统的交流UPS 供电技术，既节能又安全。