不间断电源是保障数据中心供电系统可靠性和稳定性的重要设备。传统数据中心不间断电源一般采用交流UPS，由于其在可靠性、安全性、经济性及设备维护等方面显现出越来越多的问题，因而高压直流UPS作为新型的不间断电源设备逐渐被应用于大型数据中心。目前针对数据中心高压直流UPS的研究较少，尤其是在与交流UPS在可靠性、维护性、兼容性以及不同供电架构占地和经济性的比较分析方面。本文通过对高压直流UPS在数据中心的应用进行分析与研究，期望为数据中心供电系统规划设计提供理论基础和参考数据。

  一、高压直流技术

  高压直流UPS(以下简称“高压直流”)技术是由整流模块将交流电变换成直流电后为IT负载供电，同时对蓄电池组进行充电，在市电停电后，由蓄电池组直接为IT负载供电。高压直流系统一般由交流柜、整流柜和直流柜组成，如图1所示。

图1 高压直流系统框架

  高压直流将转换成的直流电直接对服务器供电，而交流UPS设备则是将整流的直流电经逆变器转换成交流电后为服务器供电。与交流UPS相比，高压直流无需逆变器，串联部件少，故障点减少，效率提高，并且备用蓄电池直接挂在负载上，可靠性提高。从整个供电架构来看，高压直流供电架构由交流输入配电柜、高压直流电源柜、直流总输出柜、直流列头柜、服务器机柜内直流PDU和备用蓄电池组等环节组成，与交流UPS基本相同。

  二、技术分析

  1.可靠性

  交流UPS采用整流和逆变的双变换模式，交流电需要分别经过整流和逆变过程后才能为负载供电。而高压直流系统只需经过整流后直接给负载供电。从设备内部元器件来看，高压直流设备串联器件比交流UPS少，故障点减少，可靠性提高。

  高压直流系统采用模块化设计，可灵活组成集中式供电系统或分布式供电系统，并且具有智能模块休眠技术，根据负载启用模块数量，形成N+M冗余系统，通过模块冗余方式提高供电系统的可靠性。高压直流的控制模块采用双控制模块冗余设置，保证高压直流系统的可靠性。

  高压直流在并机方面没有频率、相位和幅值同步的问题，只需要负荷均分，因而并机技术相对简单，稳定性和可靠性相应提高。而交流UPS采用交流电供电，在并机时需要频率、相位和幅值的同步，控制系统复杂。为了保证系统的可靠性，交流UPS并机数量受到限制。

  高压直流的备用蓄电池系统直接并接在高压直流电源与服务器之间，无需逆变器。当高压直流系统出现故障时，备用蓄电池系统不受高压直流电源的影响，仍然可以为服务器进行供电，保障系统的可靠性。在架构上，备用蓄电池系统与高压直流系统形成冗余系统，高可用的备用电池从根本上隔离了市电和供电系统的故障。对于交流UPS系统，备用蓄电池系统受交流UPS的限制，若交流UPS出现故障，备用蓄电池无法为服务器供电。高压直流系统相比交流UPS系统的备用蓄电池系统更为可靠。

  从供电设备方面，高压直流在内部元器件、设计、并机和备用电池可靠性等方面具有一定的优势，可靠性比交流UPS高。

  2.可用性

  根据文献数据，交流UPS的可用性为0.9999，平均无故障时间MTBF为122991小时，平均故障修复时间MTTR为7小时。市电的可用性为0.999，平均故障修复时间MTTR为8.2小时。高压直流设备把备用电池直接接在IT设备的前端，即将备用电池与交流UPS供电系统形成冗余系统，高可用的备用电池从根本上隔离了市电和供电系统的故障，整个系统的可用性可提高2个9到3个9，因此，高压直流设备可用性约为0.999999。

  目前，数据中心A级机房常用供电架构有2N交流UPS、2N高压直流、市电直供+交流UPS以及市电直供+高压直流等方式。结合各组件的可用性数据，可以计算出数据中心各供电架构的可用性(见表1)。

表1 数据中心各供电架构可用性

  从表1可以看出，高压直流高于交流UPS的可用性，特别是2N高压直流系统的可用性远高于2N交流UPS系统。

  3.维护性

  高压直流系统采用模块化设计，整流模块、控制模块和监控模块等都具有在线热插拔功能，可在线维护。运维人员可以及时快速更换故障模块，操作简单，不影响其他模块和系统的工作，大幅缩短平均修复时间，提高系统的安全性和可靠性。交流UPS具有维修旁路，保证系统的可靠性，同时，交流UPS也有相应的模块化交流UPS，实现功率模块的在线热插拔，但是由于并机同步问题，模块化交流UPS并机数量受到限制。

  高压直流系统采用对地悬浮，只有当一极绝缘降低或者接地，触碰另一极或者电源端子，或者同时触碰到两极，才会造成电击事故，而交流电若触碰到任意一极都会导致电击事故。并且，直流电的感知电流和摆脱电流都高于交流电，因此，直流电更为安全。同时，高压直流设备内置绝缘检测功能，通过对母线绝缘检测和支路绝缘检测，排除系统中单点或多点接地故障，提高系统运行的安全性。值得注意的是，高压直流设备的绝缘检测功能不能热插拔，需停机维护。

  4.安装占地

  交流UPS系统和高压直流系统供电架构，如图2的(a)和(b)所示。从供电系统来看，高压直流设备自身包括交流柜、整流柜和直流柜，而交流UPS需要单独设置UPS输入柜、UPS输出柜、并机柜和支路配电柜。单独从设备角度考虑交流UPS和高压直流占地空间还不够全面，从整个供电系统比较高压直流和交流UPS的占地空间则更为准确。

图2 交流UPS系统和高压直流系统供电架构

  如图3所示，以IT设备容量3300kVA为例，针对数据中心A级机房常见供电架构占地面积的比较可以得出，与2N塔式高频UPS和2N微模块化UPS相比，市电直供+高压直流系统占地面积节省61%，市电直供+微模块化UPS系统占地面积节省41%，2N高压直流系统占地面积节省40%，由此来看，高压直流系统可以大幅减少数据中心供电系统的占地面积，提高机房资源利用率。

图3 不同供电架构占地面积比较

  5.兼容性

  传统的服务器设备通常采用交流电，通过服务器内部的整流器和DC/DC变换成不同等级的直流电压为服务器组件进行供电。国内传统服务器采用的供电电压等级为220VAC，服务器内部的PSU输入电压一般为90V~264V。高压直流提供的240V符合交流服务器供电电压的要求，因此，绝大部分的交流服务器可以不用做任何改造就能正常工作。部分少量网络设备不兼容240V高压直流输入，目前常用的做法是加逆变器来解决。对于部分服务器(如磁盘机、高端服务器等)采用380V三相供电，不能采用高压直流供电。

  三、能效分析

  塔式高频UPS在50%以上负载率的情况下效率可以达到96%。但是，由于系统冗余及超前规划，常见工况下塔式高频UPS负载率在10%~40%左右，塔式高频UPS在此工况下效率仅为94%左右。模块化UPS由于具有模块智能休眠功能，供电效率可以达到96%以上。而高压直流则省掉了逆变器，并且采用模块化设计，具有模块智能休眠功能，供电效率在全负载范围内可达到97%以上。

  四、经济性分析

  1.投资成本分析

  如图4所示，以IT设备容量3300kVA为例，针对2N塔式高频UPS、2N微模块化UPS、市电直供+高压直流、市电直供+微模块化UPS和2N高压直流等数据中心A级机房常用的供电架构的投资成本比较分析，可以看出，与2N塔式高频UPS和2N微模块化UPS相比，市电直供+高压直流的投资成本节省52%，市电直供+微模块化UPS的投资成本节省33%，2N高压直流的投资成本节省37%。可见，高压直流系统可以大幅节省数据中心供电系统的投资成本。

图4 不同供电架构投资成本比较

  2.运行成本分析

  如图5和图6所示，以IT设备容量3300kVA为例，对2N塔式高频UPS、2N微模块化UPS、市电直供+高压直流、市电直供+微模块化UPS和2N高压直流等数据中心A级机房常用的供电架构运行成本比较分析，可以看出，与2N塔式高频UPS相比，2N微模块化UPS年运行成本节省33%、十年TCO成本节省14%，市电直供+高压直流系统年运行成本节省71%、十年TCO成本节省60%，市电直供+微模块化UPS系统年运行成本节省67%、十年TCO成本节省48%，2N高压直流系统年运行成本节省42%、十年TCO成本节省39%。可见，高压直流系统可以大幅节省数据中心供电系统的运行成本和十年TCO成本，同时降低数据中心的PUE。

图5 不同供电架构年运行费用比较

图6 不同供电架构十年TCO成本比较

  综上所述，高压直流除在兼容性方面存在不足外，在可靠性、占地面积、运行效率以及经济性等方面均具有明显优势，特别是市电直供+高压直流供电架构，大幅提升了数据中心A级机房的供电效率和投资成本，有助于数据中心PUE的降低。高压直流可以弥补交流UPS在数据中心供电系统存在的不足，提升数据中心供电系统的可靠性和经济性。