數(shù)據(jù)中心HVDC供配電技術(shù)探討

邱子良

摘要：高壓直流配電系統(tǒng)應(yīng)運而生，得到快速的發(fā)展。文章通過對高壓直流電源供配電技術(shù)與傳統(tǒng)UPS在原理、能效以及經(jīng)濟上的分析，指出HVDC在現(xiàn)在應(yīng)用中的優(yōu)勢，并在最后提出HVDC在未來的發(fā)展方向及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；HVDC；供配電系統(tǒng)；直流電壓供配電技術(shù)；高壓線路 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM71 文章編號：1009-2374（2016）20-0127-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.063

UPS在數(shù)據(jù)中心占有主要的作用，能夠有效保護各類服務(wù)器以及存儲設(shè)備的正常運行，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，功率器件從原來的晶閘管到現(xiàn)在的IGBT的出現(xiàn)，UPS在供配電上問題也逐漸顯現(xiàn)，如效率低、結(jié)構(gòu)復雜、能耗大等。隨著高壓直流電源的提出，一種能夠適應(yīng)新形勢下的電源供電系統(tǒng)逐漸取代傳統(tǒng)UPS的使用。

1 HVDC供配電技術(shù)和傳統(tǒng)UPS供配電原理比較

1.1 HVDC供配電的原理和特性

高壓直流供配電技術(shù)（HVDC）就是在供配電系統(tǒng)中將交流電進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的直流電，然后再應(yīng)用到供配電中。在特點上HVDC供配電技術(shù)不存在感抗，容抗也在線路中不起作用，不存在同步問題。

1.2 UPS供配電原理和特性

不間斷供電電源供配電技術(shù)（UPS）在原理上是一種將數(shù)字電路和模擬電路集合在一起的一種儲能裝置，在供配電中通過逆變器的作用，提供恒壓恒頻的不間斷電源，UPS采用數(shù)字信號處理器能夠?qū)⑤斎氲碾娏髡一瑥亩嫌脩舻挠秒娨?，還能夠提高用戶電壓允許變化的范圍。

2 HVDC供配電技術(shù)與傳統(tǒng)UPS供配電用電量能耗與效率的分析

2.1 傳統(tǒng)UPS供配電用電量能耗與效率的分析

UPS在數(shù)據(jù)中心中不是單獨存在的，通常與電纜等設(shè)備構(gòu)成一個電力供配電系統(tǒng)的架構(gòu)。數(shù)據(jù)中心供配電主要的目的是為IT負載使用，但是根據(jù)數(shù)據(jù)中心電能消耗的統(tǒng)計可以知道IT負載所用的電量不到總輸入的一半，大部分的電能都消耗在電力轉(zhuǎn)換的過程中，比如說制冷系統(tǒng)、線路損耗等。UPS除了具有主電路進行電源的輸入外，還會對空載待用的電路進行電能的輸入，這樣就會降低電源的使用效率。而且UPS的供配電系統(tǒng)擴容難度大，在供電系統(tǒng)中會出現(xiàn)大量的諧波分量，這樣會降低變壓器在電能上的利用效率，從而影響到整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和利用效率。如果UPS采用的是并聯(lián)的形式，還會增加電能環(huán)流的問題，從而加大了電路的維修難度，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 HVDC供配電技術(shù)效率的分析

隨著UPS供電技術(shù)的不斷發(fā)展，UPS供配電技術(shù)已經(jīng)無法實現(xiàn)更大的突破。但是在IT負載中還是交流與直流同時存在的情況，針對這個問題，研究人員開始將研究方向轉(zhuǎn)向高壓直流，而且到目前為止HVDC供配電技術(shù)作為一種不間斷的電源已經(jīng)初具規(guī)模。直流供配電技術(shù)在線路上只需要兩個導線，這兩根導線能夠有效提高線路的可靠性，而且當供配電系統(tǒng)一個極產(chǎn)生故障的時候，另一極就會接地，與地面形成回路，從而能夠繼續(xù)配送功率。而且對于這種接地的故障，直流供配電技術(shù)能夠迅速響應(yīng)，然后通過降壓運行或者是再啟動的方式進行故障處理，然后恢復正常的運行。

HVDC是采用的直流系統(tǒng)，HVDC供配電技術(shù)不存在無功功率的傳遞過程，因而相比UPS來說，熱能損耗較少，尤其是在較小的負載下，能夠明顯看出HVDC的熱損耗小。在HVDC供配電技術(shù)上不存在諧波源，因而再也不會在變壓器等設(shè)備上產(chǎn)生損耗。

2.3 HVDC供配電技術(shù)與UPS供配電技術(shù)的能效對比

本文通過對兩種不同供配電技術(shù)下的能效進行分析，通過實驗，還得出UPS與HVDC供配電技術(shù)中的能耗因子的關(guān)系見表1：

從表1中可以看出，當負載很大的時候，兩種供配電技術(shù)中的能耗因子在能耗上的差別不是很大，但是在負載較小的情況下，有明顯的能耗差距。

UPS跟HVDC相比多一級變換，就會造成效率低下，而且UPS在輸出上采用的是工頻濾波輸出，這種輸出方式能耗大。UPS在控制上結(jié)構(gòu)復雜，造成了系統(tǒng)的可靠性低，UPS的電池設(shè)置在輸入端，這樣一旦自身出現(xiàn)故障就會造成負載上的停電，但是HVDC電池在輸出端，這樣系統(tǒng)自身出現(xiàn)問題，仍會繼續(xù)為負載提供電源，保證負載不停電，可以說HVDC才是真正意義上的不間斷電源。另外，UPS采用的是交流并聯(lián)的方式，這樣在進行系統(tǒng)并機時，因為相位、電位以及頻率的不同，將會加大并機的控制難度，也增加了并機的失敗率。大型的UPS在進行維護時，因為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜，造成了維修時的困難。而HVDC采用的是冗余并聯(lián)，一個模塊出現(xiàn)故障，不影響其他模塊之間的正常工作，且維護簡單。HVDC與UPS相比的主要優(yōu)勢見表2：

3 HVDC供配電技術(shù)的未來發(fā)展及應(yīng)用方向

3.1 HVDC供配電技術(shù)的優(yōu)勢

3.1.1 可靠性。HVDC在直流配電的末端，能夠利用多母線冗余技術(shù)保證系統(tǒng)供電的可靠性。而且在系統(tǒng)中存在電力電子變換器，這種變換器能夠在系統(tǒng)內(nèi)部形成一個具有自我保護的區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)如果出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會進行自修護，不會影響在這個區(qū)域外各系統(tǒng)的正常工作。

3.1.2 高效性。直流供電系統(tǒng)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在電源結(jié)構(gòu)上和服務(wù)器的架構(gòu)上減少了一個直流變交流的逆變器和交流變直流的整流器，從而有效地提高了整個系統(tǒng)的供電效率，同時件和結(jié)構(gòu)還從根本上降低了系統(tǒng)由于發(fā)熱造成的電能損耗，還降低了空調(diào)損耗，這樣保證了系統(tǒng)的高效性。

3.1.3 節(jié)電性能好。因為高壓直流供配電技術(shù)供電方式的改變，與傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)相比，大約節(jié)約電能20%左右，這樣就可以節(jié)約大量的電費。

3.1.4 成本低。在進行建設(shè)高壓直流供配電系統(tǒng)中成本較低。建設(shè)一個120kVA的UPS的供配電系統(tǒng)和2套50kVA的高壓直流電源可以發(fā)現(xiàn)，高壓直流電源的成本有降低70%左右，占地面積也會大量減少，系統(tǒng)運營成本會降低20%左右，這樣一年大約可以節(jié)省27萬的投資成本。

3.1.5 無電阻抗。在高壓直流供配電系統(tǒng)中，沒有交流電存在的狀況，因此輸送功率就不會受到距離的影響，從而產(chǎn)生系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。

3.2 HVDC供配電技術(shù)未來發(fā)展

隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的UPS不間斷電源已經(jīng)不能滿足需求，而且隨著數(shù)據(jù)通信的發(fā)展，各種設(shè)備的用電量也逐步增加，因此在未來的發(fā)展中HVDC具有廣泛的應(yīng)用前景。

HVDC供配電技術(shù)在未來的發(fā)展方向主要是在智能電網(wǎng)上。我國地大物博，但資源分布不均勻，HVDC供配電技術(shù)能夠有效解決我國在遠距離輸送大容量電能的問題，還可以解決我國海陸新能源的傳輸和并網(wǎng)問題。HVDC供配電技術(shù)的等級混合直流，能夠為各種新能源的并入提供技術(shù)支持，HVDC供配電技術(shù)不僅可以將不同等級和不同電壓之間的交直流電系統(tǒng)進行聯(lián)系，還可以將這些交直流點進行故障隔離。但是高壓直流供電系統(tǒng)也需要在技術(shù)上和設(shè)備上進行更新，比如說我們常見的直流斷路器和直流電纜等設(shè)備的發(fā)展水平在很大程度上制約著HVDC供配電技術(shù)在智能電網(wǎng)上的應(yīng)用與發(fā)展。

4 結(jié)語

HVDC的出現(xiàn)使供配電技術(shù)的效率更高。我國當前對新能源的發(fā)展也大力支持，風能、太陽能等這些新型的發(fā)電裝置在進行輸出時，都是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的形式，這樣就會促進HVDC的發(fā)展。但是設(shè)備不齊全或者是不能夠完全滿足HVDC的技術(shù)要求，很多專業(yè)人士對這項供配電技術(shù)的認識還不是很全面等，這些都需要對HVDC供配電技術(shù)進行更深層次的研究與推廣。將HVDC供配電技術(shù)在未來數(shù)據(jù)中心的電源應(yīng)用上能夠發(fā)揮出更大的價值。

參考文獻

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