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淺聊什么是高壓直流（HVDC）不間斷電源系統(tǒng)？
來(lái)源：hked.com.cn 發(fā)布時(shí)間：2020年12月31日
盡管所有的市電都是交流，但是IT設(shè)備內(nèi)部都采用直流供電，這就為直流供電提供了可能。事實(shí)上，不間斷電源通信行業(yè)采用直流48V供電已經(jīng)有幾十年的歷史，電力行業(yè)也長(zhǎng)期采用直流220V作為斷路器等設(shè)備的操作和控制電源（直流屏）。
傳統(tǒng)UPS設(shè)備存在效率低、靠譜性差、靈活性和擴(kuò)展性差、故障后不易修復(fù)等問(wèn)題，所以業(yè)內(nèi)一直在尋找替換UPS的方案。
現(xiàn)有主流的高壓直流供電系統(tǒng)圖，與通信行業(yè)48V直流系統(tǒng)架構(gòu)基本一致。與傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換在線式UPS系統(tǒng)的主要區(qū)別，是取消了逆變環(huán)節(jié)，蓄電池掛接在直流母線，與整流器并聯(lián)，同時(shí)為IT設(shè)備供電。由于直流電源拓?fù)浜?jiǎn)單，因此故障率較UPS有所降低，因采用模塊化設(shè)計(jì)，可在線維護(hù)。
3.分布式不間斷電源系統(tǒng)
UPS或HVDC通常采用集中式供電方案，集中式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)資源共享，降低成本，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)故障范圍大，影響面廣。
UPS也有小型機(jī)分布式供電方案，但是多套分布式小型機(jī)系統(tǒng)與1套集中式大型UPS系統(tǒng)相比，小型機(jī)的數(shù)量多，故障點(diǎn)多，成本高，因此大中型數(shù)據(jù)中心不會(huì)采用分布式UPS系統(tǒng)。
盡管有如上問(wèn)題，但是對(duì)于分布式不間斷電源系統(tǒng)的探索，從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。谷歌和Facebook都在探索分布式不間斷電源系統(tǒng)在IDC數(shù)據(jù)機(jī)房中的應(yīng)用。
谷歌是較早進(jìn)行服務(wù)器自研定制的互聯(lián)網(wǎng)公司，同時(shí)也較早放棄了集中式UPS電源方案，轉(zhuǎn)將蓄電池分布到每臺(tái)服務(wù)器電源直流12V輸出端。市電正常時(shí)，進(jìn)入服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換成DC12V為服務(wù)器主板供電，同時(shí)為蓄電池提供浮充電源，市電停電后，由DC12V母線并聯(lián)的蓄電池繼續(xù)給主板供電，直到柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后回復(fù)交流供電。谷歌早期采用鉛酸電池供電，因服務(wù)器內(nèi)部高溫導(dǎo)致鉛酸電池故障率高，后改為鋰電池方案。蓄電池的后備時(shí)間為分鐘級(jí)（通常為1-3分鐘）。?此方案的優(yōu)點(diǎn)是大大簡(jiǎn)化了IT設(shè)備前端供電系統(tǒng)，缺點(diǎn)是服務(wù)器電源需要深度定制。
Facebook自建數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)采用DC48V離線備用系統(tǒng)。為每6個(gè)9kW的機(jī)柜配置1個(gè)鉛酸蓄電池柜，輸出為DC48V，服務(wù)器電源采用AC277V和DC48V雙輸入，市電正常時(shí)作為主用，市電中斷后由蓄電池輸出DC48V為服務(wù)器供電。蓄電池后備時(shí)間為45秒。此方案的系統(tǒng)效率與240VHVDCOffline方案及DC12V分布式系統(tǒng)相當(dāng)。
隨著業(yè)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗關(guān)注日益增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)近幾年出現(xiàn)了一種新型的分布式DC240V電源設(shè)備，同樣采用離線方案，市電正常時(shí)，直接輸出市電電源，市電停電后，由內(nèi)部鋰電池提供DC240V輸出。?這種方案的優(yōu)勢(shì)是IT設(shè)備無(wú)需定制，只要兼容DC240V供電即可。其缺點(diǎn)是電源內(nèi)部存在AC220V和DC240V的切換，系統(tǒng)靠譜性降低；鋰電池串聯(lián)數(shù)量多，單只電池故障會(huì)影響系統(tǒng)的靠譜性。從實(shí)際應(yīng)用效果看，某互聯(lián)網(wǎng)公司租用的數(shù)據(jù)中心一年中發(fā)生十幾起電源故障，證明此架構(gòu)還需完善。
4. 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
過(guò)去，計(jì)算機(jī)作為一種非常嬌貴的設(shè)備，雙轉(zhuǎn)換在線式UPS消除了市電電能質(zhì)量問(wèn)題，但帶來(lái)了6-10%的電能損失以及其自身靠譜性低的問(wèn)題。
通過(guò)冗余可以提高系統(tǒng)靠譜性，UPS發(fā)展出主備供電、N+1冗余并機(jī)、雙總線、分布冗余等方案，相應(yīng)帶來(lái)的是成本和能耗的進(jìn)一步增加。
為了避免UPS設(shè)備故障率高的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)提出并已規(guī)模部署了直流240V電源系統(tǒng)，大部分IT設(shè)備可以直接兼容直流供電。
呈現(xiàn)如下三種趨勢(shì)：
一，從在線到離線。UPS?ECO模式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等本質(zhì)上都是將電源離線，從而降低電源成本和運(yùn)行損耗。
二，從集中到分布。隨著鋰電池等新型儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時(shí)代服務(wù)器快速部署、靈活擴(kuò)展的需要，不間斷電源設(shè)備正在從集中到分布。
三，未來(lái)數(shù)據(jù)中心供電發(fā)展的整體趨勢(shì)是由高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發(fā)展，由機(jī)房外集中式鉛酸電池向IT機(jī)柜內(nèi)分布式小（鋰）電池方向發(fā)展，從化石能源向綠色能源方向發(fā)展。
傳統(tǒng)UPS設(shè)備存在效率低、靠譜性差、靈活性和擴(kuò)展性差、故障后不易修復(fù)等問(wèn)題，所以業(yè)內(nèi)一直在尋找替換UPS的方案。
現(xiàn)有主流的高壓直流供電系統(tǒng)圖，與通信行業(yè)48V直流系統(tǒng)架構(gòu)基本一致。與傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換在線式UPS系統(tǒng)的主要區(qū)別，是取消了逆變環(huán)節(jié)，蓄電池掛接在直流母線，與整流器并聯(lián)，同時(shí)為IT設(shè)備供電。由于直流電源拓?fù)浜?jiǎn)單，因此故障率較UPS有所降低，因采用模塊化設(shè)計(jì)，可在線維護(hù)。
3.分布式不間斷電源系統(tǒng)
UPS或HVDC通常采用集中式供電方案，集中式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)資源共享，降低成本，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)故障范圍大，影響面廣。
UPS也有小型機(jī)分布式供電方案，但是多套分布式小型機(jī)系統(tǒng)與1套集中式大型UPS系統(tǒng)相比，小型機(jī)的數(shù)量多，故障點(diǎn)多，成本高，因此大中型數(shù)據(jù)中心不會(huì)采用分布式UPS系統(tǒng)。
盡管有如上問(wèn)題，但是對(duì)于分布式不間斷電源系統(tǒng)的探索，從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。谷歌和Facebook都在探索分布式不間斷電源系統(tǒng)在IDC數(shù)據(jù)機(jī)房中的應(yīng)用。
谷歌是較早進(jìn)行服務(wù)器自研定制的互聯(lián)網(wǎng)公司，同時(shí)也較早放棄了集中式UPS電源方案，轉(zhuǎn)將蓄電池分布到每臺(tái)服務(wù)器電源直流12V輸出端。市電正常時(shí)，進(jìn)入服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換成DC12V為服務(wù)器主板供電，同時(shí)為蓄電池提供浮充電源，市電停電后，由DC12V母線并聯(lián)的蓄電池繼續(xù)給主板供電，直到柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后回復(fù)交流供電。谷歌早期采用鉛酸電池供電，因服務(wù)器內(nèi)部高溫導(dǎo)致鉛酸電池故障率高，后改為鋰電池方案。蓄電池的后備時(shí)間為分鐘級(jí)（通常為1-3分鐘）。?此方案的優(yōu)點(diǎn)是大大簡(jiǎn)化了IT設(shè)備前端供電系統(tǒng)，缺點(diǎn)是服務(wù)器電源需要深度定制。
Facebook自建數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)采用DC48V離線備用系統(tǒng)。為每6個(gè)9kW的機(jī)柜配置1個(gè)鉛酸蓄電池柜，輸出為DC48V，服務(wù)器電源采用AC277V和DC48V雙輸入，市電正常時(shí)作為主用，市電中斷后由蓄電池輸出DC48V為服務(wù)器供電。蓄電池后備時(shí)間為45秒。此方案的系統(tǒng)效率與240VHVDCOffline方案及DC12V分布式系統(tǒng)相當(dāng)。
隨著業(yè)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗關(guān)注日益增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)近幾年出現(xiàn)了一種新型的分布式DC240V電源設(shè)備，同樣采用離線方案，市電正常時(shí)，直接輸出市電電源，市電停電后，由內(nèi)部鋰電池提供DC240V輸出。?這種方案的優(yōu)勢(shì)是IT設(shè)備無(wú)需定制，只要兼容DC240V供電即可。其缺點(diǎn)是電源內(nèi)部存在AC220V和DC240V的切換，系統(tǒng)靠譜性降低；鋰電池串聯(lián)數(shù)量多，單只電池故障會(huì)影響系統(tǒng)的靠譜性。從實(shí)際應(yīng)用效果看，某互聯(lián)網(wǎng)公司租用的數(shù)據(jù)中心一年中發(fā)生十幾起電源故障，證明此架構(gòu)還需完善。
4. 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
過(guò)去，計(jì)算機(jī)作為一種非常嬌貴的設(shè)備，雙轉(zhuǎn)換在線式UPS消除了市電電能質(zhì)量問(wèn)題，但帶來(lái)了6-10%的電能損失以及其自身靠譜性低的問(wèn)題。
通過(guò)冗余可以提高系統(tǒng)靠譜性，UPS發(fā)展出主備供電、N+1冗余并機(jī)、雙總線、分布冗余等方案，相應(yīng)帶來(lái)的是成本和能耗的進(jìn)一步增加。
為了避免UPS設(shè)備故障率高的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)提出并已規(guī)模部署了直流240V電源系統(tǒng)，大部分IT設(shè)備可以直接兼容直流供電。
呈現(xiàn)如下三種趨勢(shì)：
一，從在線到離線。UPS?ECO模式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等本質(zhì)上都是將電源離線，從而降低電源成本和運(yùn)行損耗。
二，從集中到分布。隨著鋰電池等新型儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時(shí)代服務(wù)器快速部署、靈活擴(kuò)展的需要，不間斷電源設(shè)備正在從集中到分布。
三，未來(lái)數(shù)據(jù)中心供電發(fā)展的整體趨勢(shì)是由高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發(fā)展，由機(jī)房外集中式鉛酸電池向IT機(jī)柜內(nèi)分布式小（鋰）電池方向發(fā)展，從化石能源向綠色能源方向發(fā)展。
