高压直流供电技术及其应用前景分析

高压直流供电技术及其应用前景分析内容摘要：

高压直流供电技术及其应用前景分析 彭大铭 （四川通信科研规划设计有限责任公司） 摘要：高压直流供电相比 UPS 电源具有巨大的优势，但现阶段高压直流供电存在一 些制约因素，在解决了后端设备的高压供电标准化后，高压直流供电技术将会大规模商用。 近年来，随着通信技术的 IP 化，IT 设备得到了大量的应用，作为其主要供 电方式的 UPS 电源也在通信机房中大量应用。但 UPS 固有的特点，决定了其具 有可靠性差、转换效率低、输入电流谐波大等一系列缺点，大型 UPS 系统故障造 成的通信阻断频繁发生，造成重大的经济损失和社会影响，以至于工信部在近 年的[2009]315 文中列出的 3 大电源技术故障中，“UPS 开关转换失灵”就占 据了一席之地。 在此背景下，采用高压直流替代 UPS 供电的呼声越来越高，部分省市运营 商已经在小规模商用试点，主流设备厂家已经在推出高压直流供电电源，通信 标准化协会已经完成高压直流供电技术要求的起草工作，一个崭新的供电技术 正在呼之欲出。 一、高压直流供电技术的优点 高压直流供电就是直流采用高压直流电源（区别于常用的 -48V）直接对采 用 220V 交流输入电源的设备供电，采用该技术后，电源系统将具有直流电源 系统本身的天然优点： 1.技术方面 （1）可靠性大幅提升 高压直流供电技术引入的主要目的就在于提升系统的安全性。UPS 系统本身 仅并联主机具有冗余备份，系统组件之间更多地是串联关系，其可用性是各部 分组件可靠性的连乘结果，总体可靠性低于单个组件的可靠性。反观直流系统， 系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，不可靠性是各组件连乘结果 总体可靠性高于单个组件的可靠性。理论计算和运行实践都表明，直流系统的可 靠性要远远高于 UPS 系统，一个例证就是大型直流系统瘫痪的事故基本没有。 （2）大大节约能耗 目前大量使用的 UPS 主机均为在线双变换型，在负载率大于 50％时，其转 换效率与开关电源相近。但一个不容忽视的现实是，为了保证 UPS 系统的可靠 性，UPS 主机均采用 n＋1（n＝1、2、3）方式运行，加之受后端负载输入的谐 波和波峰因数的影响，UPS 主机并不能满足运行，通常 UPS 单机的设计最大稳 定运行负载率仅为 35～53％。而受后端设备虚提功耗和业务发展的影响，很多 UPS 系统通常在寿命中后期才能达到设计负载率，甚至根本不能达到设计负载 率，UPS 主机单机长期运行在很低的负载率，其转换效率通常为 80％多，甚 至更低。 对于直流电源系统而言，因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小， 由监控模块、监控系统或现场值守人员灵活控制模块的开机运行数量，使整流器 模块的负载率始终保持在较高的水平，从而使系统的转换效率保持在较高的水 平。 （3）输入参数大大改善 现场测试发现，目前常用的 12 脉冲在线双变换型 UPS 主机，加装 11 次滤 波器后，其输入功率因数通常在 0.8～0.9，最大仅为 0.95，输入电流谐波含 量通常在 7.5％左右。 与此对应，由于 PFC 电路的应用，额定工况下，开关整流器模块的输入功 率因数通常都在 0.99 以上，输入电流谐波含量通常在 5％以下。 输入参数的改善的直接效果是，前端设备的容量可以大大降低，前端低压 配电柜可以不再配置电抗器，从而也可以降低补偿电容的耐压要求。 （4）带载能力大大提高 UPS 系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，以国内某大 型 UPS 厂商的某型主机为例，在输出功率因数为 0.5（容性）时，其最大允许 负载率仅为 50％；二是负载的电流峰值系数，通常 UPS 主机的设计波峰因数 为 3，如果负载的电流峰值系数大于 3，则 UPS 主机将降容使用。 对于直流系统而言，不存在功率因数的问题；因其并联了内阻极低的大容 量蓄电池组，加之整流器模块有大量的富余（充电和备用），其负载高电流峰 值系数的负荷能力很强，不需专门考虑安全富余容量。 （5）割接改造更为方便 对于采用 UPS 供电的设备来说，除非其采用双电源（或四电源、六电源）， 或专门配置有 STS 设备，否则通常只能采用停电方式割接。对于重要系统来说， 这是难以忍受的，更为麻烦的是，一些没有厂家支撑的老型设备，很有可能在 停机不能重启的现象。 直流电源只要做到输出电压和极性相同即可连接到一起，从而实现不停电 割接，而这是非常容易做到的。 2.建设投资 电源系统投资包括 UPS 电源（高压直流）、前端电源（市电、油机）、机房 三个部分。以成都某运营商最近完工的一个机房为例进行对比分析，该机房同层 布置 4 套 400KVA 1+1 UPS 系统，采用高压直流供电，需 5×4 套 50KW 系 统。  UPS 电源（高压直流）部分：采用 UPS 方案每套系统的投资大约为 250 万元，采用高压直流供电时 5 套直流系统投资越 160 万元。直流系 统投资仅是 UPS 方案的 2/3，究其原因，主要是没有 UPS 柜，并且其 仅与交流整流输入电缆，没有旁路回路电缆。  前端电源部分：粗略测算，采用高压直流方案，市电和油机供电系统约 可减少 20～25％。  机房：采用 UPS 方案和高压直流供电方案，所需占用的机房面积基本 相同，但是采用高压直流供电方案时，开关电源安装区域机房荷载要求 大大低于 UPS 机房，粗略测算，机房土建成本约降低 10％左右。 对以上投资加权后，采用高压直流供电方案总投资降低约 30％。需要说明 的是，采用高压直流供电方案，不仅电源系统可分期建设，系统的电源模块也 可根据需要分期建设，考虑投资折现率后，高压直流供电方案的投资节约率将 更加明显。 3.运维成本 运维成本主要包括电费成本和维修成本，由于转换效率的提高，高压直流 供电将大大节约电费成本。在维修成本方面，高压直流供电采用的整流模块化结 构，现场替换非常方便，模块除厂家外，一些通信支撑企业也可维修，维修价 格在一定程度上可由市场决定。 二、高压直流技术应用前景分析 虽然高压直流供电技术具有很多优点，但电源技术的大规模商用是一个系 统工程，涉及到后端用电设备、技术标准、产业链保障等方面，只有这些方面同 时具有可行性，高压直流供电技术才可能得以大规模应用。 1.高压直流技术应用现状 目前对高压直流供电的应用，总体情况是电信运营商非常热心，热切希望 大规模高压直流供电，与电源系统厂商一起进行了大量了理论研究，国内业界 已就包括高压直流供电电压、接地方式等关键问题达成了共识，高压直流供电已 在部分本地网进行了试点。 与之形成鲜明对比的是，到目前为止，后端 IT 设备还没有针对高压直流供 电的电源技术标准，也没有大型 IT 厂商宣布支持后端设备高压直流供电。 高压直流供电有多种电压可供选择，因为缺乏后端设备厂商的响应，国内 高压直流供电的思路均是基于不对后端用电设备进行改造，供电电压的选择就 必须保证在电源系统各种运行模式下，后端设备均可正常工作，目前国内业界 对高压直流供电的标称电压已达成共识，即选用 240V 电压等级。 2.制约高压直流技术大规模应用的主要因素 （1）后端设备的适应性 从目前运营商的试点情况来看，尽管采用单相 UPS 电源供电的后端设备绝 大多数都支持高压直流供电，高压直流供电基本可保障后端设备的运行。但高压 直流供电毕竟不是后端设备的电源标准，采用高压直流供电实质上是改变了设 备电源的标称运行环境，因而对运营商而言存在较多的风险：  技术风险：使用 UPS 电源供电的后端设备种类繁多，从目前运营商的 试点情况来看，还是有部分设备不支持高压直流供电，对于具体的设备 能否支持高压直流供电，能否在高压直流供电的额定输出电压、最低输 出电压、最高输出电压下正常运行，只能针对具体设备进行电路分析和 实际实验。对于在高压直流供电下能正常运行的后端设备，也需要用时 间来检验其寿命是否会发生变化。  法律风险：改变设备的电源运行环境，实质上是改变了采购合同约定的 运行条件，如后端设备发生故障，运营商将处于较为不利的法律地位， 面临着较大的风险。同时，对于高压直流供电最大应用场合的 IDC 机房 运营商通常与客户签订有严格的 SLA（服务等级协议），供电电源的改 变也会将运营商推向不利的地位，一旦客户托管设备发生故障，尤其是 涉及到对服务连续性极为敏感的金融、大型 SP 等客户时，双方可能陷 入长时间的纠纷，或以运营商的让步而告终。从现网试点情况来看，运 营商普遍的心态还是感觉“高压直流电源稳定可靠，不会出现问题”，还 没有从法律层面认真思考可能遇到的法律纠纷。 （2）电源系统的定型与量产 高压直流供电还没有相应的技术标准，仅有工信部近期拟推出通信标准类技 术报告《通信用240V直流供电系统技术要求》，对高压直流供电技术进行引导。 因缺乏技术标准和大规模商用实践的支撑，目前国内电源厂商的高压直流供电 产品设备还没有定型，更谈不上量产，都是通过订单定制方式生产。定制生产带 来的问题：  电源设备系统的不能做到标准化，设备和器件的互换性较差。  订单式生产，厂家不能根据市场预测预先生产设备，设备交货周期较长。  设备的价格不能有效降低。 （3）配套器件 高压直流供电涉及的元器件中，整流器模块所需的功率电子器件、电容、变 压器等器件较为通用，供应不存在任何问题，但熔断器、断路器等配电保护元件 就较为匮乏。 高压直流供电系统日常运行电压（浮充电压）即已达到 270V，普通熔断器 均为交流熔断器，已不能支持这一电压等级，只能选用专用的直流熔断器，但 目前直流熔熔断器生产厂家很少，市面上也难以见到。 断路器的情况要好一些，普通热磁脱扣型塑壳断路器单极工作电压已可达 250V，ABB、施耐德等大型厂商也可提供直流工作电压达 220V 的微型断路器 这两类断路器双极使用时工作电压均远远高于高压直流系统可能的最高电压 （均充电压）288V，可为高压直流系统保护。但采用这两类断路器也存在较多 的问题：  技术问题：整定值易漂移；塑壳断路器安装尺寸较大；微型断路器易被 碰刮误断、整定值通常不能调整、分断短路电流电流小。  商务问题：产量较小，价格较高，供货周期长。 （4）监控系统 如要大规模商用，高压直流电源系统必须纳入动力环境监控系统，开关电 源系统的监控与－48V 直流电源相同，没有任何困难，但配套电池组目前还没 有厂家可以提供专用的 240V 电池组监控单元和配套的软件子系统。 3.高压直流技术应用的推进 制约高压直流供电技术大规模应用的因素也许还有很多，根本的原因还在 于没有后端设备高压直流供电的标准化，鉴于后端设备，尤其是 IT 设备，绝大 部分的应用还在于社会的其他行业，仅仅依靠通信行业的力量难以有效推动电 源标准的改进的，应该积极推动全社会