HVDC在数据中心的节能作用浅析

郭利群

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

2008年以来，国内大型数据中心建设进入快车道，数据中心作为耗能大户也日益受到关注。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。

图1 UPS拓扑图

图2 HVDC常见拓扑图

那么，实际是不是提高了电能利用效率呢？笔者认为，可以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。

图3 Boost整流电路示意图

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。

图4 HVDC实际拓扑图

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。

图5 某云计算中心电气架构图

电气架构的效率对比表 表1

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。

图6 HVDC的效率曲线

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。

某项目UPS效率泰尔实验室实测值 表2

HVDC的特点分析 表3

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。