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HVDC效率真的高于UPS？

2021-04-29

中国电源产业网

导语：本文系首届杰青论文竞赛一等奖作品，2019年6月发表于其他媒体｡数据中心作为能耗大户，其能源使用效率日益受到国家监管部门的重视。在数据中心建设过程中，采用HVDC是众多IDC宣传的优秀节能措施，本文按照产品原理及系统组成加以分析，试论其节能效果。

0 引言

工业和信息化部､国家机关事务管理局､国家能源局2019年发布了关于加强绿色数据中心建设的指导意见《工信部联节〔2019〕24号》，要求到2022年，数据中心平均能耗基本达到国际先进水平，新建大型､超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下。《北京市新增产业的禁止和限制目录(2018年版)》要求,PUE值在1.4以下;上海要求存量改造数据中心PUE不高于1.4,新建数据中心PUE限制在1.3以下;深圳实施减量替代，“以高(能效)代低､以大(规模)代小､以新(技术)代旧”，PUE1.4以上的数据中心不享有支持，PUE低于1.25的数据中心可享受新增能源消费量40%以上的支持。

从政策层面看，数据中心节能设计和运行已刻不容缓，而从运维角度看，电费支出也占到了数据中心整体运维费用的一半，节能需求对于企业来说非常必要。

在数据中心节能研究上，各种新技术纷纷涌现，其中高压直流(HVDC)技术最为受人关注，相比传统UPS系统方案，其节能效果据测算可以提高8%，因此，本文试着从产品原理及系统组成加以分析，探讨其节能效果。

1 HVDC的拓扑演绎

传统的UPS(拓扑图参见图1)是由整流器进行AC/DC整流､电池组挂在中间､逆变器进行DC/AC转换三个环节来完成整个供电过程。相对而言，HVDC常见的拓扑图(参见图2)变得简单，据生产商宣传，HVDC减少一个DC/AC转换后，可靠性提高的同时，也使得电能利用效率大大提高。

以下便从两种设备的基础电路加以分析。

无论高频UPS还是HVDC，其前级都是IGBT整流器(此处忽略工频UPS采用的SCR整流)，常见的整流电路为Boost电路(图3)，整流方式是升压整流，经过AC/DC转换后，直流母线电压为800V。我国现行两大通信用HVDC电压标准分别是336V和240V，显而易见，800V是不能直接提供给负载使用的，必然需要经过DC/DC转换为更低的直流电压。

从电力电子学角度看，DC/DC转换是将一个直流电压转换成另一个直流电压的过程，也称为直流斩波，其工作原理是先将直流电逆变(升压或降压)成交流电，然后再整流变换成另一种直流电压。由此可以看出，HVDC实际上经历了三次变换，比传统UPS多了一个变换级，其实际拓扑图参见图4。

2 HVDC的转换效率

市面上类似“市电+HVDC综合供电效率为97%，比最高效率为94%传统的UPS高出不少”等宣传语很多，但笔者在仔细查阅相关项目资料后发现，宣传语中很多内容都是在偷换概念，或是用“市电+HVDC”来对比“2N设计的UPS”，或是用“HVDC”对比工频“UPS”。从某云计算中心电气架构图(图5)以及各系统架构的效率对比(参见表1)就可以看出HVDC的实际效率。

从表1可以看出，该云计算中心把UPS的效率设定在90%，同时认为HVDC的效率仅92%，这也呼应了上文中分析的HVDC需要三次变换。常见HVDC的效率曲线如图6所示，最高值比92%略高一点；如果是2N配置，在常规的30%~40%区间，效率基本在91%左右。

然而，对于UPS来讲，其效率是不是真的只有90%呢？笔者在2014年曾参与了一个多家厂商UPS产品的综合测试工作，取样包括5家高频UPS和2家工频UPS，测试地点为某实验室，产品效率测试数据如表2所示。

从表2可以看到，即便是大家公认效率低下的工频UPS，在满载测试时也高于92%；在45%的半载测试中，高频UPS效率也能达到95%，远非业内“工频UPS的效率只能按80%计算”的论调。虽然以上数据取自5年前，但是随着UPS厂商技术研发水平的进步，近日某厂商的新品UPS满载效率的第三方测试数据，即在双变换模式下达到96.625%，E模式达到98.987%，也充分证明了“HVDC效率高于UPS”的论调不可信。

此外，对于金融数据中心而言，因其“两地三中心”的组网形式及自身业务特点，对于基础设施的可靠性要求很高，2N的系统架构是金融数据中心必要条件。从表1和表2可以看出，在相同的组网条件下，不管是两路UPS(HVDC)还是一路市电+一路UPS(HVDC)，电气系统的整体效率几乎没有差异。

3 HVDC的特点分析

虽然HVDC并非节能效果惊人，但是HVDC仍有其特点。笔者在下文通过对HVDC的特点加以分析，希望在工程实践对设计人员有所帮助。

4 结束语

综上所述，市场中对HDVC节能､效率高的宣传具有片面性，笔者经过与多位IDC从业人士交流，总结发现若干应用了HVDC的数据中心之所以节能效果显著，主要采用了以下方法:(1)市电+HVDC混合使用；(2)HVDC模块休眠，以保证最大经济负载率；(3)通过技术手段定制IT设备电源模块，使得设备优先使用市电，HVDC回路保持有压无流状态，以提高系统效率。

这些方法虽然在用户方有能力实现IT层面冗余的条件下不会凸显问题，但对于其他用户而言就存在实施障碍，如一路市电主供+一路休眠､电源瞬态闪断和谐波治理等都是问题；市电直供没有电源质量可言，业内人士也提到，电网的稳定性要综合考虑各种因素，局部地区电网不稳定､闪断频率较高的情况下，不建议采用市电加高压直流的方案。

采用高压直流+市电直供时，对市电要求提高，市电直接供电的电源质量应满足电子信息设备正常运行的要求，即服务器能承受市电波动带来的影响。另外为减少对柴油发电机组的影响，服务器电源的功率因数需>0.95，谐波电流需≤5%，避免容性负载冲击造成柴发机组带载困难。

笔者认为，如果能够实现IT设备的电源模块定制，省略设备的AC/DC转化环节，那么此时再采用与传统UPS效率相仿的HVDC，则可以提高系统整体效率，这时候的HVDC系统才真正显出节能效果。HVDC技术在数据中心的大规模应用是一个系统工程，涉及到后端用电设备､技术标准､产业链保障等方面的问题，其节能效果也并非只简单的由产品进行体现，望广大技术人员不要人云亦云，多看看测试数据并加以分析，对技术成长有益。

【参考文献】

[1]GB50174-2017数据中心设计规范[S].北京:中国计划出版社，2017.

[2]GB51215-2017通信高压直流电源设备工程设计规范[S].北京:中国计划出版社，2017.

[3]YD/T1051-2010通信局(站)电源系统总技术要求.

[4]YD/T1970.1-2009通信局(站)电源系统维护技术要求.

作者简介：

郭利群

教授级高级工程师

中国建筑设计研究院有限公司

数据中心设计研究所所长

中国勘察设计协会电气分会青年专家组常务副主任、中设协电气分会双高专家委员会委员、中国建筑学会建筑电气分会节能专业委员会常委、数据中心节能技术委员会专家、中国计算机用户协会数据中心分会专家委员、北京照明学会设计专业委员、中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心设计师技术委员会副主任、《智能建筑电气技术》杂志编委、LEED数据中心顾问（中国）委员会顾问。

编辑：中国电源产业网

来源：作者：郭利群/中国建筑设计研究院有限公司数据中心设计研究所所长

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