一、高压直流电源技术原理

如关于IT负载电源的分析，90%以上的数据设备电源普遍采用ATX和SSI拓扑架构，其典型的原理框图如图 1 所示。在交流UPS供电时，IT内部的电源总是将外部供给的交流电通过整流器变换成直流电，然后再经DC-DC变换成不同的等级给IT负载内部的数据部件供电。

图1 IT设备内部电源

国内交流数据设备采用的供电电压等级为220V AC。数据设备PSU一般是110VAC、220VAC和50Hz、60Hz自适应，各厂家数据设备内配置的PSU设计指标一般满足下表的指标要求。可见，在交流供电时，PSU最高输入电压为264V，最低输入电压为90V，其最高、最低电压峰值分别为：

最高电压峰值：264V×1.414= 373.3V；

最低电压值：  90V×1.414 =127.3V。

表1

如果仅从允许的电压输入范围来看，只要直流母排工作电压不高于350V，低电压不低于150V，数据设备一般可以正常工作。这就产生了是否可以将相应的直流电压直接向数据设备供电的问题，实际应用表明采用240V制式的直流电源直接向数据设备负载供电，绝大部分的数据设备负载不用做任何改造，就能正常工作，这就是目前240V HVDC供电的基本原理。但是对于336V制式的直流电源，其原理是完全一样的，只是数据设备内部的PSU需要定制化，来适应336V DC供电的需要，这也是目前直流336V 制式没有240V制式应用广泛的最主要制约因素。目前，240V制式高压直流在应用时，用电设备基本不做任何改造，经过简单测试验证后即可投入应用。国内已有多个数据中心运行在 240V 高压直流供电环境下。

采用UPS供电与采用HVDC供电的基本拓扑架构如下图所示。从图中可以看到，UPS电源和HVDC电源都是先经过整流器把AC整流成DC，它们是一样的原理；在第二级，UPS是经过逆变器把DC逆变成AC，而HVDC是经过DC-DC变换器来把DC转换成另一电压的DC(实际在DC-DC变换器内部，需要把直流先逆变成高频交流，然后经高频变压器降压后，再整流成DC)，来实现对数据设备的供电。从电力电子的变换级看，HVDC电源本身比UPS实际是多了一个变换级，但是由于ZCZS等技术的采用，尽管多了一个变化级，变换效率还是可以达到很高的水平，与高频UPS基本相当。

图 2 UPS设备的变换级与高压直流设备的变换级比较

高压直流电源在数据中心的应用架构

图3 高压直流电源在数据中心的应用架构图

从图3可见，高压直流在数据中心的供电架构与UPS基本相同，由交流输入配电屏、高压直流电源柜、直流总输出屏、直流列头柜、数据设备机柜内直流PDU、备用蓄电池组等环节组成。

与UPS供电系统一样，高压直流电源根据数据中心的重要性等级，可选择如下三种供电方式：

1、高压直流单电源系统双路供电

图 4

2、高压直流双电源系统双路供电

图 5

3、高压直流电源与市电直供构成的双路供电

图 6

二、高压直流技术的应用优势

1、模块化设计

高压直流系统通常采用模块化设计，目前最为常用的HVDC模块容量为40A和50A，可根据需要灵活组成集中式供电系统或分布式供电系统。

对于集中式系统，通常数据中心单系统容量最大选择在1000A或1200A。

对于分布式供电系统，可以组成小容量一体柜，也可以直接将高压直流系统放置在列头柜位置(当然，此时蓄电池也需要摆放在列头柜底部或旁边)，无须设立配套的独立电源室，可节省机房空间。相对于集中式供电，分布式供电故障影响面小，只影响一小区域。

由于模块化设计，高压直流系统不仅各个子系统供电设备可以分期建设，而且每个子系统内部还可随着 IT 设备上架量不断增加HVDC模块，逐步按需配置模块个数。

2、可靠性提高

与UPS供电系统比较，高压直流系统的可靠性在以下三个方面占有优势：

一是高压直流模块并机技术，由于没有频率和相位同步的问题，只需要负荷均分就可以了，因此并机技术相对简单，稳定性与可靠性都得以相应提高；

二是高压直流系统通常采用多模块系统构成，如对于由20个50A模块构成的1000A系统，在负载较轻时可以自然组成N M冗余系统，这里N是所带负荷需要的模块数(最大为20)，M是系统冗余备份的模块数(最大为20)，这样在电源模块故障时，通过模块冗余方式来提高系统运行的可靠性；

三是高压直流的备用蓄电池系统直接并接在高压直流电源与数据设备负载之间，这样当高压直流系统即使出现完全“崩坍”时，备用蓄电池系统仍然可以不受限制地支持数据设备的供电。

3、高效节能

目前高压直流模块的效率大约在95%左右，与IGBT整流UPS(俗称高频整流UPS)基本一样。但是相对于传统相控整流UPS(俗称相控整流UPS)，尤其是相对于12脉冲相控整流UPS而言，具有明显的效率优势。

而且高压直流系统通常都具备模块休眠功能，可以根据实时负载需求开启合适的工作模块个数，一方面提高工作模块的负载率，另一方面让多余的模块处于休眠状态，从而保证在全负载范围和机房全生命周期都可实现高效率。当然，目前部分IGBT整流UPS也具备了这一模块休眠功能。

此外，目前一些通信运营商的高压直流系统不再采用 2N 配置，而是采用单高压直流电源系统的双母线供电方案；或者采用一路高压直流供电一路市电直供的供电方案。从而省去了第二套高压直流电源系统的损耗，来实现进一步的节能效果。

4、可维护

高压直流系统的最大优势是可维护。由于其模块化设计和模块可插拔功能。

使数据中心维护人员的维护能力得到了极大提高，在日常的维护或模块故障时，不再依赖厂家的技术支持，可自行独立完成模块的更换与系统的维护。如果发现了故障模块，需要做的只是热插拔更换故障模块，象更换块服务器硬盘一样简单，一线的现场人员即可处理，非常便捷。

其次，由于高压直流系统内部的 N M 配置方式，即便坏了一个高压直流模块，对系统的可靠性几乎没有影响。而且电池作为另外一个备份单元，也可给运维人员提供充足的割接改造等腾挪时间。

三、高压直流技术的应用问题

在中国通信运营商和BAT的努力与推动下，虽然高压直流电源在数据中心的应用取得了很大的成就，但是仍然不可避免的存在以下问题：

1、数据设备的直流适应性问题。对于将原来交流220V供电的数据设备，直接采用高压直流供电，根据公开报道的数据，有的说90%以上设备没问题，也有的说97%以上的设备没问题，但是不管是90%还是97%，有一点是肯定的，就是不是100%的数据设备都能采用高压直流供电。这就带来那些余下的不能用高压直流供电的数据设备怎么办的问题，目前常用的做法是加逆变器来解决，当然这部分的供电可靠性就会显得薄弱。

2、数据设备在高压直流供电时发生故障的法律问题。尽管前面说90%的数据设备可以接受高压直流供电，但是从法律意义上来说，直流供电毕竟不是这一数据设备规定的标准供电方式，相当于改变了这一设备的规定使用条件。这样，从法律角度看，设备故障厂家可以自动免除保修责任。(在中国通信运营商和BAT的不懈努力下，据报道，目前部分以高压直流作为标准供电方式的数据设备已经在一些数据中心得到了推广与应用)。

3、市电的备用问题。对于高压直流电源系统而言，当高压直流电源出现系统性故障时，由备用电池来支持数据设备的供电，但是通常标配的时间是15min。如果在备用电池放完的时间内，系统还不能恢复，即使外部市电和柴油发电机正常，也会面临数据设备断电的风险。因为高压直流后边都是直流配电，市电无法直接接入。

4、电池短路故障问题。某些权威报道显示，数据中心电源系统的故障90%是由蓄电池系统引起的，如果这一数据是真的，那就很危险了。高压直流系统的蓄电池系统是直接接在数据设备的前面的，万一电池短路故障，可能就会引起后端数据设备系统的瞬断事故。

期待这些问题，在以后的高压直流应用中得到重视与完美解决。