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数据中心HVDC对比UPS的优势分析杜学良发布时间：2021-10-07T02:25:04.924Z 来源：《基层建设》2021年第18期作者：杜学良[导读] 本文通过对数据中心UPS(Uninterrupted Power Supply，不间断电源)和HVDC（High-voltage Direct Current，高压直流）两种供电系统的介绍和分析杭州杭钢云计算数据中心有限公司杭州 310022摘要：本文通过对数据中心UPS(Uninterrupted Power Supply，不间断电源)和HVDC（High-voltage Direct Current，高压直流）两种供电系统的介绍和分析，详细阐述了各系统的优缺点，经过对供电结构、性能、效益以及可靠性等方面的对比分析，得出HVDC在大型或特大型数据中心运行成本更低，安全性能更好，拥有更加广阔的前景的结论。
关键词：HVDC，UPS，安全，效率，前景一、现状近几年，数据中心需求增长迅速，随着5G、物联网以及人工智能等信息技术逐渐应用于社会各行业领域，流媒体、电商、视频会议、远程办公等需求快速提升，加上这两年疫情防控加速数字化进程，政府和企事业单位大量使用科技防疫、远程办公、远程教育、电商生活等措施，培育了大量新客户的数据需求，带动我国IDC行业客户需求规模量级大幅增加。
数据产业快速发展，尤其是近几年，呈井喷形式，如何建设更加节能，高效，安全的数据中心成为我们必须面对并亟待解决的问题。
现在以传统UPS为机房服务器提供电源仍然占据市场的主流，但是HVDC已经在行业内得到越来越多的重视，一些物联网厂商成了第一批吃螃蟹的人，他们率先推广HVDC模式，在行业内引起很好地反响。
浙江云计算数据中心作为省重点项目，总投资158亿元，由杭钢集团与阿里巴巴共同投资建设，采用阿里巴巴最新的设计、建设、运营标准体系，可运行20万台服务器，将建设成为未来国内最节能的数据中心和全国单元区计算能力最大的项目之一，此次采用HVDC供电模式，也是对先进技术的一次积极地探索。
直流微电网的优化设计与控制研究随着能源需求的不断增长和环境问题的严重加剧，新能源技术的应用越来越受到人们的关注。
而微电网作为一种新兴的电力系统，可以很好地满足分布式电源接入、提高供电可靠性以及发电削峰填谷等需求。
本文将重点介绍直流微电网的优化设计和控制研究。
一、直流微电网的基本结构直流微电网主要由分布式电源、负载、直流汇流箱、电池组、逆变器、配电网等组成。
其中，分布式电源和电池组是微电网系统的重要组成部分，可以实现各种能源的输入和输出。
直流汇流箱则是微电网系统中的中心枢纽装置，可以实现各种设备的连接和互联，同时还可以实现负载功率的调节和能量的存储。
逆变器是将直流电转换成交流电的重要装置，其主要功能是将电池组所储存的能量转化为交流电提供给负载使用。
二、直流微电网的优化设计为了提高微电网系统的效率和可靠性，需要对微电网系统进行优化设计。
直流微电网的优化设计主要包括三方面：电源优化、逆变器优化和存储优化。
1. 电源优化电源优化是指通过优化电源系统的结构和参数，使其适应微电网系统的运行需求。
其中，太阳能、风能等可再生能源的接入是微电网系统的一大特色。
针对这一特色，可以通过多线路多端子的设计方式，实现各种电源的输入和输出。
同时，通过对电源转换器的参数进行优化，可以提高系统的充电效率，减少能量损失，实现对电源系统的优化设计。
2. 逆变器优化逆变器作为微电网系统中重要的装置之一，其优化设计尤为重要。
优化逆变器的输出电压、电流、波形等参数，可以提高微电网的稳定性和安全性。
同时，通过合理控制逆变器的输出功率和频率，可以实现对负载的精确定时，提高微电网系统的效率和可靠性。
3. 存储优化电池组作为微电网中能量的主要存储装置，其优化设计可以实现对微电网能量的有效利用。
通过对电池组的数量和容量进行优化，可以提高微电网系统的存储效率和安全性。
同时，通过对电池组的运行控制，可以实现对能量的精准调节，提高微电网系统的能量利用效率。
数据中⼼供配电系统的典型结构以及设计案例从数据中⼼的供配电系统可⽤性、经济性、可维护性等⾓度出发,探讨数据中⼼领域的供配电系统架构⽅案,并以国内某⼤型数据中⼼的实际应⽤案例为基础,对数据中⼼变配电系统、240V直流与市电直供系统结构、2NUPS系统机构、模块化UPS电源应⽤、数据中⼼制冷系统供电系统结构等,进⾏详细的探讨和分析。
随着信息技术、互联⽹技术的迅速发展,信息系统的市场应⽤越来越⼴泛,信息和数据量呈⼏何级增长,数据中⼼的需求⽇益增加,对数据中⼼的要求不断提⾼。
众多⾏业也都在建设各种不同⽤途、规模、等级的数据中⼼,数据中⼼在政府机构以及电信、银⾏、证券、保险、互联⽹等⾏业中不断地提⾼⾃⼰的驱动⼒。
数据中⼼作为⼀种物理载体在企业发展和运营中的作⽤越来越突出。
数据中⼼供配电系统作为数据中⼼基础设施最重要组成部分,已成为数据中⼼等级判定的主要参考标准。
数据中⼼供配电系统架构,主要包括市电引⼊(10kV、110kV引⼊等)、⾼压变配电系统、后备柴油发电机系统(10kV、400V发电机组等)、市电/备⽤电源⾃动转换系统(中压切换、低压切换等)、低压配电系统(低压配电、楼层配电单元等)、不间断电源系统(UPS、240V、48V系统等)、列头配电系统、机架配电系统,以及电⽓照明、防雷及接地系统等。
⼀、数据中⼼供配电架构的影响因素数据中⼼供配电架构及供电保障等级选择,主要考虑以下⼏个⽅⾯:(1)数据中⼼供配电架构成本与安全效益平衡数据中⼼从物理属性看,是IT设备的载体;从商业属性看,是为其服务的对象,即数据中⼼为各类⽤户的设备或信息提供保障服务。
数据中⼼供配电系统架构选择,主要考虑⽤户设备类型、相关设备保障等级要求、相关标准及规范要求、绿⾊数据中⼼PUE指标要求、节能减排要求、数据中⼼选址区域⾃然条件特点、建设与运营成本的平衡等多种因素。
以通信⾏业数据中⼼为例,数据中⼼主要有⾃有数据中⼼和商⽤数据中⼼两⼤类。
电力电子在高压直流输电系统中的优化设计电力电子在高压直流（High Voltage Direct Current，简称HVDC）输电系统中的应用日益广泛，能够有效解决传统交流输电系统存在的问题。
本文将探讨电力电子在HVDC输电系统中的优化设计。
一、HVDC输电系统简介HVDC输电系统是指通过直流电流进行能量传输的输电系统。
与传统的交流输电系统相比，HVDC输电系统具有输电损耗小、线路成本低、覆盖范围广等优点，已成为当前电力输电领域的重要技术。
二、电力电子在HVDC输电系统中的作用1. 逆变器逆变器是HVDC输电系统中的关键设备之一，用于将直流电能转换为交流电能。
通过控制逆变器的工作方式和电压频率，可以有效地控制电能的传输和分配。
2. 相敏传感器相敏传感器用于测量输电系统中的电流和电压。
通过将实时测量的数据传输到控制系统，可以实现对输电系统的智能监控和运行状态的调整。
3. 半导体装置在HVDC输电系统中，各种类型的半导体装置被广泛应用。
例如，硅控整流器和可控陶瓷等装置可以实现对电流和电压的精确控制，提高能量转换的效率和稳定性。
三、电力电子在HVDC输电系统中的优化设计1. 输电线路设计在HVDC输电系统中，线路设计是优化设计的重要环节。
根据输电距离、负荷需求和环境条件等因素，合理选择导线材料、导线截面积和传输电压等参数，以提高输电效率和系统稳定性。
2. 控制系统设计控制系统设计是HVDC输电系统中另一个关键的优化设计方面。
通过合理设计控制策略和参数，可以实现对逆变器和半导体装置的精确控制，提高系统的稳定性和运行效率。
3. 运行模式优化HVDC输电系统可根据负荷需求和电网运行情况选择不同的运行模式。
例如，基于功率优化的运行模式可以实现协调传输功率和系统稳定性；基于容量优化的运行模式可以提高整体传输能力。
四、电力电子在HVDC输电系统中的应用案例1. 中国南方电网南京长江大桥HVDC示范工程该工程是中国南方电网在长江大桥上建设的HVDC示范工程，采用了先进的电力电子技术和优化设计手段。
高压直流供电在数据中心中的应用探讨
张乐丰;欧阳述嘉;张林锋;贾涛
【期刊名称】《电力信息与通信技术》
【年(卷),期】2016(014)005
【摘要】长期以来,数据中心一直以交流UPS作为不间断电源。
随着数据中心规模和业务的不断发展,供电安全成为一个至关重要的问题,而高压直流供电系统凭借其特有优势在数据中心的发展中得到迅速广泛的应用。
文章描述了通过在国家电网公司北京灾备（数据）中心搭建高压直流供电平台,进行带载（服务器）测试,从而对高压直流供电系统的可靠性及优越性等进行试验验证。
测试结果表明,高压直流供电系统在诸多方面优于UPS系统,可以在电力系统灾备（数据）中心中大力推广应用。
【总页数】5页(P88-92)
【作者】张乐丰;欧阳述嘉;张林锋;贾涛
【作者单位】国家电网公司信息通信分公司,北京100761
【正文语种】中文
【中图分类】TM834
【相关文献】
1.高压直流供电在数据中心中的应用探讨 [J], 张乐丰;欧阳述嘉;张林锋;贾涛
2.240V高压直流供电系统在油田信息化建设中的应用探讨 [J], 李燕;欧阳欣;梁倩
3.数据中心传统UPS与高压直流供电系统的对比研究 [J], 高超
4.论数据中心项目高压直流供电方式的应用 [J], 许精巍
5.数据中心高压直流供电系统可用性分析 [J], 伍盛达;赵怡然
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数据中心HVDC与UPS电源系统对比探讨近年来，随着云计算、大数据和物联网等技术的高速发展，数据中心的需求日益增加。
数据中心的稳定供电是其正常运转的关键，而HVDC（高压直流）和UPS（不间断电源）电源系统是目前比较常见的供电解决方案。
本文将对这两种电源系统进行对比探讨，以帮助读者更好地了解它们的特点和优缺点。
一、 HVDC电源系统HVDC电源系统是利用高压直流技术来进行电能传输和供电的解决方案。
它由HVDC变流器站、输电线路和HVDC变电站三部分组成。
HVDC系统的特点如下：1. 高效性：相比传统的交流电输送方式，HVDC电源系统的能效更高。
在长距离输电过程中，HVDC系统的电能损耗更少，能够提供更稳定的供电。
2. 长距离输电：HVDC系统能够有效地进行长距离的电能输送，特别适用于跨国、跨境的电力传输。
3. 可靠性：HVDC系统采用双回路设计，一旦发生故障，系统可以自动切换到备用回路，确保持续供电。
二、 UPS电源系统UPS电源系统是一种为了保障持续供电而设计的电源系统，它可以在停电或供电过程中提供电力支持。
UPS系统主要包括蓄电池组、逆变器和电池充电器等组成部分。
UPS系统的特点如下：1. 快速切换：UPS系统能够在电网停电或者电压异常时迅速切换到备用电源，确保数据中心的连续供电。
这种自动切换的速度通常可以在几毫秒内完成，对于对供电中断容忍度低的应用十分重要。
2. 稳定性：UPS系统能够提供稳定的电流，并且具备无功功率的调整能力，保证数据中心设备的正常运转。
它能够过滤电压波动、电流噪声等问题，提供干净的电能。
3. 可扩展性：UPS系统的容量可以根据实际需求进行扩展。
对于不断增长的数据中心需求，UPS系统能够灵活满足电力供应的要求。
三、 HVDC与UPS的比较HVDC电源系统和UPS电源系统在保障数据中心供电方面具有一定的差异。
下面将对这两种电源系统进行一些比较：1. 成本：从成本角度来看，UPS电源系统的初期投资相对较低，但长期运营成本较高。
数据中心高压直流供电架构的优化研究
随着高压直流供电技术的快速发展，在各大运营商中得到了广泛的运用。
但是高压直流
供电技术对服务器适应性提出要求，并且大型数据中心对基础电源需求量不断扩大，这样就
导致目前的高压直流供电系统容量无法广泛适应大型数据中心的建设需求，所以为了能够增
强高压直流供电系统对服务性的适应性，根据大型数据中心的未来实际发展需要进行判断，
结合数据中心以及高压直流供电技术的发展现状进行分析，总结当前大型数据中心供电存在
的不足，并且给出合理的优化方案。
目前我国大多数的高压直流供电系统电压等级主要以
240V和336V为主。
鉴于高压直流供电系统相关规范电压等级以240V居多，故本次重点讨
论240V电压等级的高压直流供电系统。
一、传统高压直流供电架构存在的不足
目前我国的通讯行业主要采用-48V直流供电系统，而传统的高压直流供电系统交流配电室内主要包括交流配电屏、整流器、直流输出屏、配套蓄电池等共同构成，所以当前高压直
流供电系统主要的问题非常突出，一方面就是系统容量较小，另一方面就是供电系统结构不
合理，根据通信行业的标准，通信用240V直流供电系统容量一般在1200A以下，最大不应
该超过1600A。
在工程应用中系统的容量还必须要根据设备制造水平、蓄电池容量等因素进行合理的控制，所以大多数的主流高压直流设备厂家生产的电源模块一般最大就是在50A/240V左右，
通过这样的设计能够尽可能的减少电源模块并联数量，并且减少占地面积。
目前规划设计的高压直流供电系统整流架大多都以800A为主，整个系统的容量偏小，
尤其是对于大型数据中心来说，必须要通过许多套高压直流电源供电系统共同承载，才能够
满足不间断供电需求。
而且由于目前高压直流供电系统容量有限，各套电源系统直流输出分
路需匹配机房列头柜配电做定制化配置，致使高压直流系统直流输出屏内部空间局促且配电
环节增加，存在改善优化空间。
二、高压直流供电架构的改进措施
通过对上述高压直流供电架构存在的主要问题进行分析，明确了高压直流供电架构改进
的主要方向，首先可以通过分散式的方法来加强，对于高压直流供电系统进行改造。
（一）分散式高压直流供电改造
随着大型数据中心的不断发展，高压直流供电技术应用也更成熟，用户对高压直流供电
的认识和了解也在不断增加。
除通信运营商外，不少其它行业用户已将高压直流供电系统应
用在大型数据中心中。
可考虑通过取消电力室高压直流电源系统直流总输出分路，直接采用
整流器输出，为机房直流列头柜供电，同时也可以将蓄电池电缆直接引入到机房直流列头柜，通过这样的设计结构能够缓解高压直流供电单系统容量较小，直流输出分路应用不合理的问题。
鉴于整流器机架占地面积比较小且维护便利，可以实现优化，也可考虑将整流器在机房
列头位置安装并保证系统交流输入，配电屏可以按照实际情况在列头或者机房特定区域进行
安装，确保高压直流分散式供电架构的完整性。
同时配电环节也不再需要设置专门的电力室，只需要设置单独的电池室即可。
通过这样的结构系统优化，能够让整个数据机房的电源配电
工艺结构得到明显的改善，加强了电源系统深入负荷中心，保证供电系统节能高效的运行，
而且通过高压直流供电架构的整体优化，也能够通过合理的方式提高机房装机容量，保证机
房高效利用。
（二）分散式高压直流供电的实现
为了能够保证高压直流供电系统发挥最大的优势，在机房列内安装可以采用模块化机架
的方式，将高压直流电源设备和蓄电池组直接下沉布置在数据机架列头，并保证外观和尺寸
能够与数据机架一致，既减少占地面积，又不会对原有的机房排列造成影响，譬如某些用户
定制化的一体化微模块单元。
通过这样的方式还能够增加蓄电池安装的灵活性和有效性，保
证通讯机房整个工艺的布局更加的灵活普适，能够有效的提高数据机房运行的效率。
由于所
采用的整流技术非常成熟，也能够保证高压直流供电系统的运行稳定性和高效性。
通过分散式高压直流供电系统的运行，对通讯机房工艺布局有着非常大的改动，配套支
持区布局不再需要设置高压直流电源机房，只需设置高低压变配电以及电池室即可。
这样不
仅可以有效减少配电环节，保证系统结构更加简单灵活，而且电源系统深入到负荷中心内部，能够缩短直流配电距离，大幅降低线路损耗，提高系统运行效率，避免线路传输干扰问题。
此外在机房建设和管理过程中，通过在机房内部直接采用列头安装电源系统的方式，可以根
据机房实际发展的情况和要求按需建设，既避免初投资浪费，又提升了后期灵活调整的能力，系统设计也能够更有针对性，让整个供电设备管理更加的高效。
（三）分散高压直流供电的实际应用
对于大型的数据中心机房，应用分散式高压直流供电的方式不需要设置高压直流系统电
力室，能够节省大量的前期技改投入，也能大幅增加数据中心的出机架率。
例如某用户定制
化机房，机柜采用2N架构高压直流供电，有以下两种不同的解决方案：
方案一：集中高压直流供电方式。
采用高压直流系统集中布置在电力室内方式，共需配
置16套1600A/240V电源系统，其中高压直流电源电力室面积合计约380平方米，数据机房
共提供300架数据机柜。
方案二：分散高压直流供电方式。
若采用高压直流系统分散在机房微模块单元方式，不再设置高压直流电源电力室，数据机房共提供约368架数据机柜。
从两个方案可以明显看出，采用分散高压直流供电方式不再需设置电源系统电力室，节
省出380平方米面积布置数据机柜，较集中高压直流供电方式多规划68架机柜，提高了机
房利用率。
通过利用高压直流分散式的架构优化能够有效减少电源系统建设的前期设备和安装费用、配套空调和装修费用等，电源系统所占空间明显减小，增加了机房出机架数量，增加了业务
收入。
若数据中心采用传统的UPS系统作为不间断电源供电，不仅设备工艺复杂，对设备元器件的性能以及整机要求的可靠性非常高，而且施工技术和施工要求也非常大，后期自主运维
难度也很大，因此在深入了解高压直流电源系统技术背景和诸多优势后，越来越多用户的数
据中心开始选择高压直流电源系统。
较之传统UPS系统，分散式高压直流系统无论是单机价
投资，还是电源区面积、机架数等方面都具有明显的优势，分散式高压直流系统也能够保证
供电系统的架构更加合理。
由于高压直流系统目前尚没有在所有行业数据中心广泛应用，部分用户对其适用性、技
术成熟度等方面还存在不少顾虑，所以在远期高压直流供电系统必须要不断的改进自身质量
与技术水平，优化配电结构，增加与服务器产品的紧密衔接，拓展应用场景。
同时还应在集中供电与分散供电之间寻找到合理的平衡点，保证数据中心的供电系统架构运行更加可靠。
结论：
通过对高压直流供电架构进行优化，可取消电力室，保证机房的布局更加合理，增加机房出机架率，也可以避免大量安装电源设备，减少数据中心建设和运营成本，为后续运维管理提供高可靠保障。
参考文献：
[1]薄博,李旺,绳林林."全能型"乡镇供电所业务应用数据接入典型应用[J].中国电力企业管理,2018(23):25-28.
[2]王红峰.新国家标准《数据中心设计规范》GB50174-2017对金融业数据中心的影响[J].中国金融电脑,2018(06):68-70.
[3]魏华,衣斌,柳蕊.数据中心高压直流供电架构的优化研究[J].通信电源技
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