数据中心HVDC与UPS电源系统对比探讨
作者：赵志刚向鼎
来源：《中国新通信》 2018年第11期
一、引言
当前电信网络正处于高速发展时期，各类通信技术也在不断演变进化，通信机房是通信企业能够正常运行的核心，随着通信行业的发展和规模的壮大，通信机房的数量也在不断递增，同时通信机房必要的电源设备种类和数量也在逐年增加，这在一定程度上造成了通信行业供电系统向着巨大化和复杂化方向发展。每年各类通信机房在不断的新建与扩容，单机柜耗电量不断提升，在某种程度上降低了供电系统的安全性。据工信部有关部门统计，由于供电系统隐患造成的通信中断故障占总故障数量的一半，故提高供电系统的安全可靠性是减少通信故障率的主要措施。现阶段高密度机房主要采用高压直流和不间断电源两种供电方式，高压直流系统具有稳定性强、结构简单、节能效率高等优点，相比UPS 系统在运行过程中存在不少的安全隐患，故在未来通信行业发展中，高压直流系统会逐步取代UPS。
二、HVDC 与UPS 工作原理
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240V 高压直流系统通常是由交流屏、高频开关电源、直流配电屏、蓄电池组组成，为通信设备提供安全可靠的电能；UPS 供电系统是由整流模块、蓄电池组、逆变器、静态开关组成。市电正常时可输出无干扰的工频交流电，市电异常或中断时，由蓄电池供电经逆变器输出纯净交流电。
2.1 高压直流系统（HVDC）工作原理
高压直流系统（HVDC） 通过AC/DC 整流模块将380/220V 交流市电转变为240V 的直流电[2]，再通过配电模块（直流输出屏）将240V 高压直流电输送给各通信设备；利用电力电缆将阀控式铅酸蓄电池与配电模块相连接，在市电正常情况下，由高压直流电为设备提供电能，同时为阀控式铅酸蓄电池充电；市电异常或中断，可通过蓄电池为设备供应正常的240V 高压直流电，始终保持通信设备正常工作。该供电方式只需将交流电整流为直流电，结构简单，效率高。
2.2 不间断电源（UPS）工作原理
李小璐资料 380/220V 市电正常时，通过AC/DC 整流器将交流市电整流为直流电，既可为阀控式铅酸蓄电池组充电，也可通过DC/AC 逆变器输出纯净的380/220V 交流电，为通信设备提供电能；市电异常或中断，蓄电池组提供直流电源，通过逆变器将直流电转化为380/220V 交流电，为通信设备提供可靠的电能；通过供电模式图对比可知，UPS 供电方式结构复杂，效率较低。
三、HVDC 与UPS 对比分析
3.1 HVDC 与UPS 系统可靠性对比
不间断电源系统（UPS）将380/220V 纯净交流电输送给通信设备末端，储能设备—阀控式铅酸蓄电池输送的是直流电，市电异常或中断情况下，蓄电池电能不能直接供给通信负载使用，需通过DC/AC 逆变器将直流电逆变为交流电，因此在市电供应正常情况下，若UPS 系统的逆变器出现故障或中断，即使蓄电池组储能充分，备用发电机工作正常，也将导致通信设备的瘫痪，存在严重的单点故障问题。
高压直流供电系统在为通信设备提供电能时主要拥有三大优势。首先，高压直流系统中蓄电池可直接连接配电模块，将电能源源不断地输送给通信设备末端，无需进行逆变器逆变，减少了故障发生率；再次，高压直流系统为通信设备供电时，只存在电压差一个幅值，既在设备端，只需将电压降低至设备额定功率即可，不存在频率、相位等同步的问题，系统的结构简单，可靠性、稳定性强。
3.2 HVDC 与UPS 系统电能利用率对比
单套UPS 系统存在许多单点故障问题，为保证其安全性，通信设备使用UPS 通常采用一主一备方式供电，造成了50% 左右的冗余度；即使通过二主一备方式供电，也有34%的冗余度；再者UPS 系统一般不会100% 满负荷运行，若按容量的80% 计算，则每台UPS 的冗余度为47%。安全稳定性高，UPS 冗余度大，UPS 冗余度小，安全稳定性低，因此安全稳定性与UPS 使用率存在的矛盾关系。
通信设备负载率越高，对于高压直流供电系统的利用率也就越高。与UPS 供电系统相比，高压直流系统电能转换级数较少，无需进行DC/AC 逆变器逆变，可节省5% 左右的电能；UPS 系统采用的是交流供电模式，不可避免的存在谐波干扰，而高压直流供电系统采用240V 直流电，不存在谐波干扰，降低了电能输送过程中电缆发热量，节省了电能；高压直流供电系统并机结构简单，各模块间可直接进行并联，模块利用效率值可达80% 以上，与传统UPS 供电模式相比，节约了20% 的电能。
四、结语
虽然节能减排是当今时代主题，而数据中心巨大能耗摆在面前，但是作为通信设备的动力供应系统，安全稳定的运行要放在首要地位，所有的节能减排问题，都是以安全稳定为前提，高压直流供电系统与UPS 供电系统相比，不仅安全稳定性要高，而且也能够做到节能减排，是未来数据中心电源系统的可靠发展方向。
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