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数据中心的高压直流之路

1. 引言

传统的数据中心大都通过UPS来实现掉电保护，通常所有IT负载都要经过UPS来供电，

假定实际运行UPS的平均效率为90%(虽然目前UPS最高效率是可以达到95%以上，但我们知道UPS的效率和负载率有关，如左下图所示，随着负载率的提升，效率才会变高，那么正常情况20%-40%负载率下很难会达到最高效率点。根据在运行UPS的实际测试数据，绝大多数情况

下的效率不高于90%)，那么每100度电，经过UPS这个环节就白白损耗掉10%。不仅如此，

我们还需要考虑UPS散发岀来的热量需要额外的空调带走，按数据中心典型PUE为1.8来算，

那么UPS环节带来的总能耗达18%，很不节能。

(a) UPS效率和负载率的关系(b)传统机房的能耗分布

我们还知道UPS设备的拓扑结构比较复杂，因此其单机可靠性一直不是很高。为了解决单

点故障问题，通常会引入2N，甚至2* ( N+1 )的冗余配置，那么这种情况下，虽然一定程度上

提升了整个系统的可靠性，但带来的问题其实不少。首先，投资成本双倍增加，而且占用了很多

机房的宝贵空间，并增加了运维的复杂度。其次，同前面解释过的一样，UPS系统的负载率在

2N情况下会比较低，此时UPS的效率也很低，额外增加了不少电费开销并浪费了很多宝贵的能源。最后，单机UPS 的容量可能不够大，那么往往会采用并机模式，同样由于UPS自身结构的

复杂性，且并机要求幅度、频率、相位等同，加上并机板自身也为单故障点，并机风险较大。

很多实际发生的案例表明在市电电网正常情况下，但因UPS自身故障引起机房掉电情况。

UPS是大容量危险设备，其内部电容等元件寿命只有五年，因此电容击穿、漏液短路等危险也

时有发生，轻则造成系统宕机，重则导致机房着火，而且岀了事故，第一时间现场无法处理，严

重依赖厂商响应速度。综上所述，传统的 UPS 供电方案，可靠性也不是很高。或者说为了达到

较高可靠性，需要把系统做得很复杂，且投资很大。

这里再补充一点关于模块化

UPS 的看法，虽然模块化 UPS 部分解决了分期投资以及可调负

载率从而效率更高等问题，但同样存在多模块设计并机复杂引起的可靠性问题仍没很好解决， 而

且由于电池挂接在逆变器之前，

也无法实现轻载下的节能休眠等功能，

因此不是很好的解决办法。

2. 咼压直流技术初探

笔者作为国内较早从事高压直流产品开发， 并进行后续应用研究的同行， 在这里和大家一起

探讨发掘，以便让此技术得到更好应用。本文主要分析比较 240V 高压直流解决方案的一些特点

上图是高压直流的简单拓扑结构，很直观得展现了 240V 高压直流的一些特点：1、减少变

化级数，整体效率更高；2、电池直挂在输出母线上， 相当于提供另外一路备份， 可靠性更高；3、

兼容现有绝大多数IT 设备的高频开关电源，用电设备几乎不用任何更改，推广非常容易；

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(d ) UPS 故障引发机房燃烧事故

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(c ) UPS 配电的复杂性

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流电源的高压直流直供可行性分析》 一文。鉴于此，该技术的推广门槛非常低， 用电设备基本不 用任何改造，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跑在 240V 高压直流供 电环境下，一直工作稳定可靠， 因此也从理论和实际都证明了该方案可行。 而且由于电池直挂母

线，可作为很大的一个滤波池，

滤除电网串过来的毛刺以及其它供电支路谐波的影响，

给用电设 备提供一个很好的供电电源。电信行业几万台设备，及多年的应用数据表明，采用 240V 高压直

流给IT 设备供电，电源的可靠性不仅没有降低，而且还提升一倍以上。

3. 高压直流技术的一些优点

1高压直流系统的模块化设计。如下图，高压直流系统采用模块化设计，可大容量并机集 中式供电也可小容量一体柜分布式供电， 供电方式非常灵活。 采用分布式供电的高压直流系统可

以直接放置在列头柜位置，

无须配套的独立电力室，

大大节省机房空间。而且分布式供电故障影

响面小，只影响一小区域，不像 UPS 岀故障则影响一大片区域的供电。高压直流系统不仅供电

设备可以分期建设，而且设备内部还可随着

IT 设备上架量不断增加，逐步按需配置模块个数。

而且直流并机没有频率和相位相同的需求，因此并机非常简单可靠，同样系统扩容也非常容易。

模块化设计的另外一个重大好处是运维得到了大大解放， 而且不再依赖于 UPS 厂家的支持。 如果发现了故障模块，需要做的只是热插拔更换故障模块， 像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。我们知道

48V 的通信电源系统非常成熟可靠，而且大家有丰富

的运营经验，那么 240V 高压直流技术的运营几乎借鉴了

48V 系统的原理，也非常便捷可靠。

2N 配置

（如

果要求高可靠性，完全也可以实现

2N ），而采用的是系统内部模块的

N+1配置，且可以根据实 际负载

2、关于高压直流系统的高效率。前面的分析，我们知道高压直流系统不再采用