高压直流供电技术前景分析

高压直流供电技术前景分析（精选6篇）

篇1：高压直流供电技术前景分析

高压直流供电技术前景分析

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对高压直流供电的认知，进而产生体现国家意志的法律、政府规章和技术标准，推动使用高压直流供电的IT设备的大规模生产和应用。

在后端设备具备高压直流供电的条件，并大规模商用后，电源系统的标准化将迎刃而解，市场这只无形的手将推动前端电源零部件及整机厂商全力进行研发和生产，现阶段前端电源系统存在的种种制约将不复存在。

三、高压直流供电技术应用的影响

根据《通信用240V直流供电系统技术要求》和运营商试点经验来看，高压直流系统是小电流系统，例如某运营商推荐每套系统的最大输出功率为50KW，较之大型UPS系统每套系统数百KW的容量，高压直流系统显然属于小系统，其部署将更加灵活，供电体制既可集中供电，又可分散供电，但从节约资源和投资出发，还是宜采用分散供电，这就对传统机房电源、设备截然分开的格局形成了巨大的冲击，在新建机房时就需按照电源、设备混合布置的需要考虑机房的荷载、走线通道、制冷量等因素，在设备的监控和现场维护上也需打破传统的专业界限，实行综合管理。高压直流供电技术节能、可靠，较之传统的UPS电源具有巨大的优点，在解决了后端设备的适应性后，高压直流供电技术必将得到大规模的应用。

篇2：高压直流供电技术前景分析

高压直流输电系统的运行和控制是电力系统及其自动化、电力电子等专业的一门重要技术基础课程。高压直流输电系统主要研究的内容是如何依靠电力电子变流技术以直流的形式实现电能的远距离传递的系统。通过本课程的学习，学生应掌握高压直流输电系统的基本原理、在实际电能生产系统中的运行特性、控制特性及其结构和元件等理论知识，为从事实际工作打下坚实的基础。

本课程具有较强的综合性和实用性，与工程实际联系密切，对培养学生联系工程实际，提高科学的思维能力具有重要的促进作用。

二、教学内容与要求

第一章

绪论（讲课2学时）

了解课程的主要内容，重点了解高压直流输电系统的发展概况、基本组成及与交流输电相比

第二章换流器理论及特性方程（讲课4学时）

换流器的主要功能是完成交－直流转换，并通过HVDC联络线来控制潮流，是直流输电系统中完成电能传递的关键设备。通过本章的学习，了解掌握换流器的阀特性以及实际换流电路的结构和运行情况，掌握换相、触发延迟角、换相角、熄弧角等基本概念，整流器和逆变器的工作方式。具体教学内容和学时安排如下：

2.1、阀特性（讲课1学时）

2.2、换流器电路分析（讲课1学时）

2.3、整流器和逆变器工作方式（讲课1学时）2.4、交流量和直流量之间的关系（讲课0.5学时）2.5、多桥换流器（讲课0.5学时）重点：整流器和逆变器工作方式。难点：多桥换流器的工作方式。

作业：什么是整流器和逆变器，其各自的工作方式是怎样的？

第三章

谐波及其抑制（讲课4学时）

谐波及其抑制是高压直流输电中的重要技术问题之一。通过本篇学习，了解高压直流输电系统中的谐波来源以及类型、谐波的影响和危害、滤波装置的特性和设计办法,重点掌握换流站交、直流侧的谐波类型以及抑制，了解交流绕组的术语，认识展开图，懂得三相绕组空间对称的道理，掌握相电势有效值公式，知道其中各物理谐波的基本方法。具体教学内容和学时安排如下：

3.1、高压直流输电系统的谐波（讲课1学时）3.2、谐波抑制装置的选择（讲课1学时）

3.3、交流滤波器的设计（讲课0.5学时）

3.4、直流侧滤波器设计（讲课1学时）

3.5、增加脉波数来抑制谐波的办法（讲课1学时）重点：抑制谐波的办法。难点：滤波器设计。

作业：什么是特征谐波？什么是非特征谐波？其抑制方式有哪些？

第四章

高压直流输电系统的控制和特性（讲课5学时）

高压直流输电系统是高度可控的，采用各种控制方式，目的在于提供高效稳定的运行和功率控制的最大灵活性，同时保证设备的安全。通过本章的学习，掌握控制的基本运行原理、实现以及它们在正常和异常的系统条件下的性能。具体教学内容和学时安排如下：

4.1、控制的基本原理（讲课1学时）4.2、控制系统的实现（讲课1学时）

4.3、换流器触发脉冲控制系统（讲课1学时）4.4、换流器的全数字式控制器（讲课1学时）4.5、阀的闭锁和旁路（讲课0.5学时）4.6、启动、停运和潮流的逆转（讲课0.5学时）重点：控制的基本原理。

难点：关于阀的闭锁和旁路，启动、停运和潮流的逆转实现。作业：（1）阐述高压直流输电系统的基本控制原理。

（2）如何实现直流系统的启动、停运和潮流的逆转？

第五章高压直流输电系统的数学模型、分析和仿真（讲课9学时）

实际的高压直流输电系统往往和交流系统相互连接，形成交直流输电系统的相互作用，从而产生一系列电压不稳定性、暂态不稳定性、动态过电压等问题，为了预计可能出现的问题并提供解决措施，建立准确的高压直流输电系统拓扑方程变得必要。通过本章的学习，掌握描述高压直流系统的各种模型、求解方法以及相关的仿真计算。具体教学内容和学时安排如下：

5.1、用于高压直流系统控制研究的标准模型（讲课1学时）

5.2、高压直流输电系统的稳态模型和潮流的顺序解法（讲课2学时）5.3、交、直流潮流的改进统一解法（讲课1学时）

5.4、高压直流输电系统的线性状态空间模型（讲课1学时）5.5、高压直流输电系统的暂态仿真（讲课2学时）5.6、静止无功补偿器的暂态仿真（讲课1学时）

5.7、稳定研究中高压直流输电系统模型选择的一般原则（讲课1学时）重点：高压直流输电系统的暂态仿真。难点：高压直流输电系统的暂态仿真。作业：做一个简单的两机系统内嵌直流系统的暂态仿真，了解功率传输过程中交流侧和直流侧电压电流的变化。

第六章提高交流系统性能的附加直流控制（讲课6学时）

高压直流输电系统中，基本的控制量式整流器控制的直流电流和逆变器的直流电压。通过本章的学习，了解有关附加控制的原理和设计方法、最近发展的高级控制技术等。具体教学内容和学时安排如下：

6.1、概述和定义（讲课2学时）

6.2、最优功率调节控制器的设计（讲课0.5学时）

6.3、提高交流系统暂态稳定性的附加控制（讲课0.5学时）6.4、阻尼交流系统的次同步振荡（讲课0.5学时）6.5、模糊逻辑控制和变结构控制（讲课0.5学时）6.6、自校正电流控制器的设计（讲课1学时）

6.7、直流换流器的无功功率和电压控制（讲课1学时）

重点：提高交流系统暂态稳定性的附加控制，直流换流器的无功功率和电压控制。难点：阻尼交流系统的次同步振荡，模糊逻辑控制和变结构控制。作业：（1）提高交流系统暂态稳定性的附加控制有哪些？

（2）如何抑制交流系统的次同步振荡？

第七章

交流和直流系统间的相互作用（讲课4学时）

交流和直流系统间相互作用的性质以及相关问题在很大程度上取决于交流系统与所连直流系统容量的相对大小。本章的主要内容是讨论与弱交流系统连接的直流系统的有关问题以及处理这些问题的办法。通过本章的学习，了解短路比、有效短路比、暂态电压稳定性以及强迫换相等基本概念，掌握解决弱系统有关问题的方案，暂态交流电压的现象以及可能引起的系统问题，谐波的不稳定性机制以及缓解办法，具体教学内容和学时安排如下：

7.1、概述和定义（讲课0.5学时）

7.2、暂态交流电压稳定性（讲课0.5学时）7.3、动态过电压和控制设备（讲课0.5学时）

7.4、强迫换相和GTO电压源换流器（讲课0.5学时）7.5、谐波不稳定性及其缓解办法（讲课0.5学时）

7.6、弱背靠背直流联络线的稳定性和电压崩溃（讲课0.5学时）7.7、背靠背换流站的统一控制（讲课0.5学时）7.8、实际直流系统与弱交流系统连接的设计和性能特征（讲课0.5学时）重点：暂态交流电压稳定性。

难点：弱背靠背直流联络线的稳定性和电压崩溃，背靠背换流站的统一控制。作业：（1）什么是背靠背直流系统？

（2）如何实现实际直流系统与弱交流系统的连接？

第八章

高压直流输电系统的故障和保护（讲课2学时）

高压直流输电系统包括换流器、直流输电线路和换流站的交流部分，其中任何一部分发生故障，都会影响整个直流输电系统运行的可靠性和有关设备的安全。本章将对换流器异常运行、交流和直流系统故障的响应以及主要保护的配置分别予以讨论。通过本章的学习，了解换流器异常运行的相关现象、交流和直流系统故障的响应以及主要的保护手段等内容，重点掌握换相失败的概念。具体教学内容和学时安排如下：

8.1、换流器的异常运行（讲课0.5学时）

8.2、交流和直流系统故障的响应（讲课0.5学时）8.3、高压直流输电系统主要保护的配置（讲课1学时）重点：高压直流输电系统主要保护的配置。

难点：换流器的异常运行，交流和直流系统故障的响应。作业：（1）换流器异如何实现常运行的表现有哪些？

（2）如何实现高压直流输电系统主要保护的配置？第九章

多端直流输电系统（讲课2学时）

多端直流输电系统结构充分开发了高压直流输电技术的经济优点和技术优点。通过本章的学习，了解多端直流输电系统结构、基本控制特性和控制系统的组成。具体教学内容和学时安排如下：

9.1、多端直流输电系统的结构和控制特性（讲课0.5学时）9.2、多端直流控制系统的组成（讲课0.5学时）

9.3、多端直流输电系统的小功率分接逆变器（讲课1学时）重点：多端直流输电系统的结构和控制特性。难点：多端直流输电系统的小功率分接逆变器。

作业：请阐述多端直流输电系统的结构特征和控制特性。

第十章

多馈入直流输电系统（讲课1学时）

多馈入直流输电系统结构比较新，分析起来相对复杂。通过本章的学习，了解多馈入直流输电系统的分类、与交流系统的相互作用、恢复策略和稳定控制等。具体教学内容和学时安排如下：

10.1、概述（讲课0.5学时）

10.2、多馈入直流输电系统的同步和阻尼转矩控制（讲课0.5学时）

重点：多馈入直流输电系统的同步和阻尼转矩控制。难点：多馈入直流输电系统的同步和阻尼转矩控制。作业：阐述多馈入直流输电系统的阻尼转矩控制特点。

第十一章

新的高压直流输电系统方案（讲课1学时）

为了简化结构、节约投资、降低运行和维护费用、减少换流站损耗、增加系统运行的灵活性和可靠性，近年来致力于研究一些新的高压直流输电系统方案。通过本章的学习，了解这些新方案的结构和运行特点。具体教学内容和学时安排如下：

11.1、发电机－换流器的直接联接（讲课0.5学时）

11.2、无换流变压器的直流输电系统（11.2节和11.3节合并讲课0.5学时）

11.3、高压直流输电系统的并联线路投切

重点：高压直流输电系统的并联线路投切。难点：发电机－换流器的直接联接。

作业：如何实现发电机－换流器的直接联接？其技术特点有哪些？

三、教学方式

课堂讲授，PPT与板书相结合

四、考核方式与成绩评定

考核方法：闭卷笔试成绩评定：总分100分，平时20%，期末80%

五、教材及主要参考书目

教材：《高压直流输电系统的运行和控制》李兴源主编，科学出版社，1998年参考书：浙江大学直流输电教研组主编：直流输电，电子工业出版社，1994年

（大纲撰写人：刘群英）（大纲审稿人：）

全日制研究生《高压直流及新型输配电技术》课程教学大纲

一、教学目的

本课程具有较强的综合性和实用性，与工程实际联系密切，对培养学生联系工程实际，提高科学的思维能力具有重要的促进作用。

二、教学内容与要求

第一章

绪论（讲课2学时）

了解课程的主要内容，重点了解高压直流输电系统的发展概况、基本组成及与交流输电相比

第二章换流器理论及特性方程（讲课4学时）

2.1、阀特性（讲课1学时）

2.2、换流器电路分析（讲课1学时）

作业：什么是整流器和逆变器，其各自的工作方式是怎样的？

第三章

谐波及其抑制（讲课4学时）

3.1、高压直流输电系统的谐波（讲课1学时）

篇3：高压直流供电技术前景分析

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[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, 如下所述。

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, 因而对电信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对高压直流供电的认知, 进而产生体现国家意志的法律、政府规章和技术标准, 推动使用高压直流供电的IT设备的大规模生产和应用。

在后端设备具备高压直流供电的条件, 并大规模商用后, 电源系统的标准化将迎刃而解, 市场这只无形的手将推动前端电源零部件及整机厂商全力进行研发和生产, 现阶段前端电源系统存在的种种制约将不复存在。

三、高压直流供电技术应用的影响

根据《通信用240V直流供电系统技术要求》和运营商试点经验来看, 高压直流系统是小电流系统, 例如某运营商推荐每套系统的最大输出功率为50KW, 较之大型UPS系统每套系统数百KW的容量, 高压直流系统显然属于小系统, 其部署将更加灵活, 供电体制既可集中供电, 又可分散供电, 但从节约资源和投资出发, 还是宜采用分散供电, 这就对传统机房电源、设备截然分开的格局形成了巨大的冲击, 在新建机房时就需按照电源、设备混合布置的需要考虑机房的荷载、走线通道、制冷量等因素, 在设备的监控和现场维护上也需打破传统的专业界限, 实行综合管理。

高压直流供电技术节能、可靠, 较之传统的UPS电源具有巨大的优点, 在解决了后端设备的适应性后, 高压直流供电技术必将得到大规模的应用。

篇4：高压直流供电技术前景分析

关键词：高压直流输电线路继电保护技术安全性

中图分类号：TM73文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）09（a）-0026-01

1 高压直流输电线路继电保护的影响因素

1.1 电容电流

高压直流输电线路电容大、波阻抗小以及自然功率小的特征，这就给差动保护整定带来较大的影响，为了保障高压直流输电线路运行的安全性与稳定性，必须要对电容电流采取科学合理的补偿措施。此外，在分布电容因素的影响下，一旦高压直流输电线路运行出现故障，故障距离与继电器测量阻抗之间的线性关系就会发生改变，成为双曲正切函数，此时，就不能使用传统继电保护措施。

1.2 过电压

高压直流输电线路在出现故障之后，电弧熄灭时间会延长，情况严重时甚至会发生不消弧的情况，在电路电容因素的影响下，两端开关不会在同一时间断开，此时，行波来回折反射就会严重影响整个系统的运行。

1.3 电磁暂态过程

高压直流输电线路长，在操作与发生故障时高频分量幅值较大，这就给高频分量的滤除工作带来较大的困难，这不仅会导致电气测量结果发生偏差，此时，半波算法在高频分量的影响下准确性难以保障，此时，电流互感器也会发生饱和现象。

2 高压直流输电线路继电保护设计原则与注意事项分析

2.1 输电线路的主保护

影响输电线路主保护的因素是多种多样的，必须要根据高压直流电路的实际情况进行选择，在设计时，需要使用两台不同原理的装置，第一套保护装置可以使用分相电流差动纵联保护装置；第二套保护装置可以使用相电压补偿纵向保护装置，两套装置分别来使用不同的通道。

2.2 输电线路的后备保护

输电线路后背保护是主保护的重要补充，在进行设计时，需要控制好线路两端切除故障差，配置好完整的接地距离保护与相间距离设备，距离保护特征不应该局限在四边形、圆形与椭圆形几种，可以将微机保护充分的利用起来，从根本上提升系统运行的安全性。

2.3 并联电抗器保护

高压直流输电线路中并联电抗器出现故障后，线路会发出相应的命令，启动自动保护装置，此时，并联电抗器就可以充分的发挥出其作用，若故障超过了高压直流输电线路允许的标准，则需要及时的将两侧断路器断开。

2.4 自动重合闸

高压直流输电线路常用的自动重合闸有三相重合闸、单相重合闸与快速重合闸集中模式，具体选择哪一种模式，还需要根据具体的过电压水平进行分析，为了防止过电压操作情况的发生，在非全相情况下过电压倍数在允许标准范围时，可以使用单相重合闸，若超过标准范围，就需要使用三相重合闸。在进行设置时，需要充分的考虑到线路两端的时间间隔与重合顺序，将其控制在标准范围内。

3 高压直流输电线路常用的继电保护技术

3.1 行波暂态量保护

如果高压直流输电线路出现故障，会出现反行波，要保障系统运行的稳定性，就需要做好行波保护工作，这也是高压直流输电线路的主保護措施。

就现阶段来看，常用的行波保护措施由SIEMENS方案与ABB方案。其中，SIEMENS是基于电压积分原理的一种保护措施，起保护启动时间为16～20 s，与ABB方案相比，该种的保护速度相对较慢，但是，抗干扰能力则优于ABB保护方案；ABB行波保护的检测原理是极波与地模波，能够检测到图变量为10 ms之内的反行波突变量，在必要的情况下，也可以使用用电压、微分启动与电流图变量几种方式来识别。

以上两种行波保护能力都较为有限，耐过渡电阻能力不理想，此外，还存在着缺乏整定依据、理论体系不严密等缺陷。为了提升行波保护的效果，学界也提出了形态学梯度技术与数学形态学滤波技术，但是，无论是暂态量保护还是行波保护，都存在一些弊端，还需要进行深入的分析。

3.2 微分欠压保护

微分欠压保护是一种基于电压幅值水平与电压微分数值的保护措施，兼具主保护与后备保护的功能，在现阶段下，SIEMENS方案与ABB方案检测的对象都是输电线路的电压水平与电压微分。其中，后者上升延时为20 ms，在电压变化率上升沿宽度未达到标准的情况下，就能够起到后备保护作用，但是其耐过渡电阻能力并不理想。

微分电压保护动作的可靠性与灵敏度要优于行波保护，但是动作速度则不如行波保护，两者都存在着灵敏度不理想、整定依据不足、耐过渡电阻能力较差的问题。

3.3 低电压保护

低电压保护是高压直流输电线路的常用后备继电保护，主要依靠对电压幅值的检测来实现保护工作，根据保护对象的不同，低电压保护包括极控低电压保护措施与线路低电压保护措施，其中，前者保护定值低于后者，前者在线路发生故障时会闭锁故障极，后者在开展保护动作时会启动线路重启程序。

低电压保护的设计简单，但是缺乏科学、系统的整定依据，难以帮助技术人员判断故障的具体类型，动作速度较慢。

3.4 纵联电流差动保护

纵联电流差动保护模式使用双端电气量，选择性较好，但是该种保护模式在故障发生较长的时间后才能够做出保护措施，因此，只能够用于高阻故障的诊断与切除中。由于各类因素的影响，现阶段使用的差动保护也未联系到电压变化过程与电容电流问题，很容易出现误动，虽然电流差动保护装置有着动作速度快以及灵敏度高的优势，但是这种优势却未在高压直流输电线路中充分的发挥出来，性能还有待提升。

4 结语

综上所述，高压直流输电线路有着线路长、电压高、电容大、输送功率大、波阻抗小的特点，这也对继电保护工作提出了较高的要求，继电保护不仅仅需要满足传统保护的目的，还需要对线路过电压产生限制，提升设备与系统运行的稳定性与安全性，就现阶段来看，虽然我国的高压直流输电线路已经得到了广泛的使用，但是其继电保护技术还存在着各类问题，缺乏科学、系统的整定依据，灵敏度不高，还需要开展进一步的研究，相信在不久的将来，高压直流输电线路继电保护技术定可以得到跨越式的发展。

参考文献

篇5：高压直流供电技术及其应用

自上世纪80年代开始, 业界提出了高压直流供电 (HVDC, High Voltage Direc Current) 概念, 30多年来世界各国的电信运营商和电源设备厂商都对此进行了深入研究, 并逐渐形成了完备的解决方案。我国在HVDC技术的研究和推广中居于世界前列, 不但有多家电信运营商和互联网公司大规模部署了HVDC系统, 同时还基于240VHVDC技术建立了一套完整的标准体系。这些成果充分体现了HVDC技术的价值和成熟度, 也为广电行业解决关键系统和设备的不间断供电问题提供了良好借鉴。

一UPS技术简介

现有的数据中心一般采用交流UPS技术构建电源系统, 它能够提供不间断、频率和幅值误差可控的电力。当供电出现故障时, UPS系统能够保证机房在一定时间内的电力供应, 使得相关单位有时间进行应急处理、数据备份等工作, 最大限度减小损失[1]。

1. 实现原理

UPS系统的供电原理如图1 所示, 在供电正常时, 输入的交流电 (AC, Alternating Current) 首先经过整流模块变换为直流电 (DC, Direct Current) , 直流电一方面为电池组进行充电, 同时也经过逆变器转换为高质量的交流电为使用UPS的服务器设备供电。服务器会将输入的交流电通过整流器进行AC/DC转换, 之后利用变换器生成不同电压的直流电为内部电路供电。

一旦出现停电情况, UPS由电池组向逆变器放电, 通过DC/AC转换为后续服务器供电。当UPS系统的整流器或逆变器发生故障时, 可以通过调节静态开关由市电直接向后续服务器供能。

2. 存在问题

尽管UPS是目前最为通用的不间断供电技术, 但是部署和使用过程中在供电效率、可靠性、维护及扩展能力等方面暴露出了诸多问题, 罗列如下:

(1) 供电效率

一般而言, 在供电系统中进行交流和直流转换是主要的能量损耗环节, 而由图1 可以看出, UPS系统在初始的交流电输入端到最终消耗电能的服务器元器件间共进行了三次AC/DC、DC/AC转换, 每一次转换均会产生损耗, 使得系统供电效率偏低, 直接导致系统整体能耗增大, 电费成本上升。

(2) 可靠性

对于UPS单机系统而言, 由于电池供电模式也要经过逆变环节转换为交流电使用, 因此逆变器、静态开关等单点故障隐患均可能导致整套系统的瘫痪。为此UPS一般会采用两套或更多UPS系统并联运行, 但此种方式不仅会明显降低系统带载率, 拉高投资成本, 同时还要保证并机的各套UPS系统间相位、频率、幅值同步, 这就要求系统必须提供精密的控制电路, 进一步加大系统复杂度, 而复杂电路会导致可能出现的故障点增多, 进而降低系统可靠性。

(3) 维护及扩展能力

如前所述, UPS的并机运行涉及的交流参数众多, 而系统复杂不仅意味着运维难度加大, 同时也使得系统的在线扩容变得十分困难。因此大部分用户在购置UPS系统时往往采用“一步到位”的原则大规模超配容量, 而无法按业务量的提升逐步增加供电量, 这使得系统初始投资大, 实际带载率低, 存在资源浪费现象。

二HVDC技术介绍

为了解决UPS技术存在的缺陷, 通信业界采用了HVDC供电系统取代交流UPS, 此处的“高压”是相对于传统48V通信直流供电技术而言。HVDC采用直流供电方式, 消除了UPS中的逆变环节, 能够简化系统结构, 提高电能利用率, 有效降低用户投入成本, 具有十分重要的应用价值。

1. 实现原理

由图1 可以看出, 尽管UPS供电系统为终端服务器提供交流电输入, 但是该输入会通过服务器整流转换为5V、12V等低压直流电为设备内部电路供电, 这个过程通过服务器内部标配的高频开关电源实现。而高频开关电源不仅能够接入交流输入, 同时也支持接入直流输入, 再进行电压高频变换后为内部电路提供低压直流电[2], 这使得服务器等IT设备在输入端直接接入直流电变得可行。

HVDC技术的供电原理如图2 所示, 与通信48V直流供电系统类似, 交流输入只需经过一次整流变换就可以以直流方式送达服务器。与UPS系统相比, HVDC减少了逆变、静态开关及服务器侧的AC/DC变换, 结构大幅简化不仅提高了供电效率, 同时也可以有效降低部署成本, 避免故障隐患。

2. 系统结构

HVDC在数据中心的系统结构如图3 所示, 系统具备完善的监控管理系统, 可以方便地对配电、整流及蓄电池组等各环节进行在线监控, 确保系统故障第一时间得到定位和处理, 确保设备用电安全。

HVDC系统主要涉及的技术特点如下所述:

(1) 模块化设计

HVDC的整流处理作为系统的核心环节, 对整个系统的可用性起着至关重要的支撑作用。该部分采用模块化结构, 通过多个模块间的并联叠加兑现系统整体供电量, 任何模块出现故障均可自动退出, 不会对系统运行造成影响。系统通过模块监控能够第一时间发现故障, 并利用热插拔技术对故障模块进行在线更换。模块化设计也支持用户根据用电量的提升而逐步增配模块来实现系统的在线扩容, 能够减少建设初期的投资成本, 提高系统使用率, 降低整体能耗。

(2) 电池配置方法

HVDC系统电池宜选用铅酸蓄电池, 蓄电池单体电压可选2V、6V、12V, 根据系统容量大小 ( 如240V、336V) 决定蓄电池个数及分组情况。HVDC使用全浮充工作方式, 当供电正常时由整流器对电池组进行浮充, 同时通过直流配电设备向用电设备供电。当供电故障时, 由电池组通过直流配电设备向用电设备供电, 直至电池电量降至最低放电电压门限值。供电恢复时, 由整流器对蓄电池组以限流方式充电直至达到均充电压, 同时通过直流配电设备向用电设备供电。当蓄电池组均充完成, 系统恢复至浮充工作方式。

(3) 系统接地方式

由于HVDC系统的电压均远高于人体的安全电压, 如果系统单级接地, 当人触及到未接地的一极时, 电流会经大地形成回路, 引发严重的电击事故。因此HVDC系统正、负极均不得接地, 应采用对地悬浮方式, 并确保系统输出应与地、机架、外壳电气隔离, 这也要求系统必须配置绝缘监察装置, 严格确保用电安全。

3. 部署方式

HVDC技术具有完备的监控系统, 并且结合模块化、热插拔等技术手段有力保障了供电系统可靠性, 在实际部署中一般采用单系统双路供电方式即可。根据用电设备的重要程度, 也可以采用双系统双路供电或市电结合HVDC供电方式, 其常见供电结构如图4 所示。

(1) 单系统双路供电

此供电方式结构如图4 (a) 所示, 由同一套HVDC为后端设备提供双路供电。此种方式结构最为简单, 建设成本低, 模块出现故障时可由其他模块分担负载来保障供电不中断。

(2) 双系统双路供电

由于电视台对于安全播出要求较高, 对于一些与播出相关的核心系统, 可以采用双系统双路供电方式, 其结构如图4 (b) 所示, 列头柜的两路输入分别由两套独立的HVDC系统提供, 当一路系统出现故障时可以切换至另一套系统, 这样进一步提升了系统可靠性, 但是由于采用了双路冗余配置, 系统带载率较低, 正常运行时存在资源闲置现象。

(3) 市电结合HVDC供电

为了降低双系统双路供电的投资成本, 一些企业在实际部署中将一路HVDC更改为市电直供作为备用电路, 其结构如图4 (c) 所示, 此种方式提供了交流、直流2 路电源, 后端设备可自由选择接入方式。但是此种方式需要同时支撑交流、直流两种供电类型, 增大了建设及维护的难度。

4. 技术优势

与传统UPS技术相比, HVDC技术在可靠性、经济性、可维护性等方面存在着明显优势。

(1) 可靠性

HVDC系统结构简单, 蓄电池直接与负载相连, 有效避免了UPS系统中由逆变模块和静态开关造成的单点故障隐患。此外, UPS并机需要考虑相位、频率、幅值等参数的同步问题, 而HVDC只需进行多模块并联即可解决可靠性问题, 控制系统的简化也减小了系统出现问题的概率。

(2) 经济性

HVDC结构的简化在经济性方面直接体现为成本的大幅降低, 逆变模块和静态开关的去除, 一方面能够有效降低设备初始投资成本, 在满足相同供电量及可靠性前提下, HVDC比UPS可节省30% 的一次性投资;另一方面, 交流/直流变换环节的消除也会显著提升用电效率, 并且直流电不存在谐波干扰, 这使得HVDC与UPS相比节电率达到近30%[3], 每年能够为企业节省下数目可观的电费。

(3) 可维护性

HVDC系统由模块组成, 维护人员可以自行进行模块更换等工作, 不需依赖厂家支持。此外, HVDC系统只要在建设初期预留好机架位置, 日后运行中就可以方便地根据供电需求的增加逐步进行扩容, 这也可以最大化提高系统的整体带载率, 提高运行效率。

三HVDC应用情况

目前HVDC技术已经成为世界各国关注的重点课题, 出于提高供电效率的考虑, 国际上倾向于将直流供电工作电压定在350V~400V模式, 基于此研制成一系列供电系统并在国际电联制定了相关标准[4]。我国结合自身情况, 推出了240V和336V两种HVDC供电模式, 其中240V HVDC技术由于其工作电压符合现有IT设备电压输入范围要求, 当前IT设备可以不做任何更改直接兼容, 因此在我国得到了广泛的应用。

1. 应用实例

近年来世界各国在HVDC技术领域已经取得了长足的进步, 美国伯克利国家实验室、法国电信、日本NTT、韩国电信等纷纷研制出多套350V~400V系统并已经在电信行业得到大规模部署[4]。

国内方面, 中国电信于2007 年开始在盐城分公司开始试验240V HVDC系统, 测试成功后于2009 年在江苏电信开始大范围推广工作。随着240V HVDC技术的不断成熟和一系列国家标准的发布, 中国联通和包括百度、阿里巴巴、腾讯在内的多家国内大型互联网公司均开始大规模应用HVDC技术并收到良好效果。与此同时, 中国移动借鉴国际发展经验, 自2008 年开始积极开展336V HVDC技术的试行和部署, 也为国内HVDC技术的研究提供了新的思路。

2. 标准化情况

近十年来HVDC进入快速发展周期, 技术的不断成熟也推动了标准体系的日益完善, 国际国际电信联盟 (ITU, International Telecommunication Union) 自2012 年5 月开始开始颁布了一系列400V HVDC技术的标准, 详细定义了系统架构、评测方法及信息通信技术 (ICT, Information Communication Technology) 设备电源接口设计方法, 内容如下[5]:

《Direct current power feeding interface up to 400V at the input to telecommunication and ICT equipment》 (ITU-T L.1200) ;

《Architecture of power feeding systems of up to 400V DC》 (ITU-T L.1201) ;

《Methodologies for evaluating the performance of an up to 400V DC power feeding system and its environmental impact》 (ITU-T L.1202。

我国主推的240V HVDC技术已成为国家重点扶持推广的节能技术, 被列入国家发改委2012 年发布的《国家重点节能技术推广目录 (第五批) 》[3], 而中国通信标准化协会 (CCSA, China Communications Standards Association) 与中国电信共同编写并颁布了一套完整的240V HVDC体系标准, 内容如下[6]:

《240V直流供电系统工程技术规范》 (YD 5210-2014) ;

《基于240V/336V直流供电的通信设备电源输入接口技术要求与试验方法》 (YD/T 2656-2013) ;

《通信用240V直流供电系统配电设备》 (Y D / T2555-2013) ;

《通信用240V直流供电系统维护技术要求》 (YD/T2556-2013) ;

《通信用240V直流供电系统》 (YD/T 2378-2011) 。

3. 广电行业应用前景

通过上文的介绍可以看出, HVDC技术已经进入成熟期, 在通信及互联网行业的成功经验也充分证明了其可行性和优越性。对于电视台而言, 由于数据中心建设也是选用的传统服务器、存储和交换机设备, 与其他电信运营商和互联网企业只有选型上的差异, 在电源模块上并无本质不同, 因此完全可以借鉴现有的成功经验, 在进行充分测试的前提下首先在数据中心引入HVDC替代UPS, 特别是对于一些需要新建数据中心的电视台尤为合适。

在数据中心的HVDC部署取得成功后, 电视台可以进一步对台内传统的音视频 (A/V, Audio/Video) 设备进行评估, 找出能够支持直流电输入的A/V设备, 引领HVDC技术在A/V领域取得突破。在探索过程中, 电视台可以与设备厂商一起对HVDC技术进行适配研究, 共同制定A/V行业中HVDC技术的应用规范, 这既有助于促进电视台带动自身节能减排工作, 显著降低运营成本, 另一方面也能够推动国内HVDC行业的全面发展, 为其覆盖更多的产业类型提供帮助。

四结论

在信息化程度日益提升的发展背景下, 电视台数据中心的用电安全和成本问题变得越来越突出, HVDC技术以其可靠性高、经济性好并且易于维护的特点, 为日后台内不间断电源系统的建设提供了一个合适的解决方案。针对HVDC技术的推广部署, 国内已经形成了完备的标准体系, 并且各大电信运营商及互联网企业的成功经验也提供了良好的借鉴和指导。在众多有利条件下, 电视台应该顺应发展潮流, 积极探索HVDC技术在广电领域的部署应用, 努力取得自身发展和国内HVDC行业进步的双赢局面。

参考文献

[1]马也骋, 《通信行业数据机房采用高压直流供电模式的探讨》, 通信电源技术, 2013 (1) 。

[2]陈新, 王赘程, 宋卫平, 马广积, 《高压直流通信电源中高频开关整流模块》, 电工技术学报, 第29卷第4期, 2014年4月。

[3]国家发展和改革委员会, 《国家重点节能技术推广目录 (第五批) 》, 2012。

[4]赖世能、孙文波、侯福平, 《通信用240V直流供电体系研究与发展策略》, 广东通信技术, 2013 (11) 。

[5]ITU, http://www.itu.int/ITU-T/recommendations/index_sg.aspx?sg=5。

篇6：高压直流供电系统研究

1 HVDC与UPS两种供电系统的比较

(1) 技术成熟度:目前大多数通信大楼高压配电机房内均配置有电力操作直流电源系统 (市电中压柜10KV配电保护和断路器合闸操作在使用的直流电源系统) , 其标称电压为直流220V, 即一种HVDC供电系统。这种高频开关电源系统与现有-48V通信电源系统结构基本相同, 并在国家电力行业已广泛使用十多年, 是现有的一种产品技术很成熟且完全国产化的高压直流供电系统。

(2) 系统结构复杂性:HVDC供电系统也是种模块化设计的直流供电系统, 并直接使用蓄电池作为后备电源。在HVDC供电系统中, 交流电源只经过一次整流变换, 就到达了负载侧的直流变换器。而UPS交流供电系统中, 交流电源则要经过整流、逆变、静态开关、整流等四次变换, 才能到达负载侧的直流变换器。相比之下, HVDC供电方式结构简单得多。

(3) 安全可靠性:由于UPS系统较HVDC系统的结构复杂得多且有很多单点故障 (如逆变器、并机板、静态开关、输出开关等) , 任一个单点故障都可能导致供电系统的瘫痪, 这些使得UPS系统较HVDC系统的安全系数要低得多。

(4) 扩容及维护性:因为UPS扩容涉及到电源的频率、电压、相序、相位、波形等问题, 每一次UPS在线扩容或改造都是一次巨大的风险操作, 甚至还有可能因为UPS制造商的产品更新换代而造成无法扩容的情况。相比之下, HVDC等直流供电系统扩容时由于只关注电压一个参数, 其扩容及维护都简单得多。

(5) 效率及节能:由于传统UPS系统能源经过多次转换造成系统效率较低, 同时会产生大量谐波, 对UPS系统和电网都存在污染和危害。而HVDC系统省掉了UPS的逆变部分, 系统产生谐波含量较小, 各部分的效率和整体效率都相比传统UPS系统都有较大提高。

以下为高压直流系统和传统UPS系统中各部分理论效率情况图:

由上面两图可知HVDC主机比UPS主机效率提高了6~7% (满载情况下比较, 低负载率时更高) , UPS系统的各级滤波器及隔离变压器损耗也较HVDC系统高出3~5%, 所以HVDC系统与UPS单机系统结构相比整体效率提高10~12%。若UPS系统采用冗余并机结构时, HVDC系统整体效率提高值可达到18~20%以上。

(6) 工程投资:HVDC系统采用成熟的模块化配置方式, 可以随着设备容量的增加, 通过扩容模块来实现边投资边成长, 其投资方式灵活。而UPS虽然能够实现并机扩容 (亦有模块化配置方式的UPS, 但在现网中很少使用) , 但往往需要带电操作, 实施难度较大, 目前UPS系统建设一般采取一次性建成满足远期需要的方式, 这就造成工程建设一次性投资大而且当年投资效益很低的问题。

2 HVDC系统在通信行业的应用可行性

众所周知, 现在通信行业绝大多数IT设备采用交流供电, 然后经过设备自身的整流变换为12V、5V和3.3V等直流电压为本身的电路供电, 也就是不管输入的是交流还是直流, 最后都要转换为自身电路板使用的低压直流供电。按照服务器电源工作原理简图, 一般服务器的电源输入电压要求为198V~242V (即220 V±10%) 时, 理论上, U0=0.9√2Ui, 故U0值的范围是252V~308V。当采用直流电压直接输入AB时, 由于电压不变相, 整流管2、4长期导通。这样电压从AB端直接传到CD端。若不考虑整流管的自身损耗, 则Ui≈Uo。实际考虑电池的浮充电压13.5V (单只为12V时) , 标称240V的高压直流系统可保证电源能长期工作的要求。同时标称240V的高压直流系统最高电压约为20只×14.1V=282V, 远小于现在IT设备的所能够承受的耐压值。另外采用高压直流供电时, 通过整流二极管的电流为平滑电流, 当整流二极管通过的平均电流一定时, 电流脉动成分越大其发热量也大, 所以采用高压直流供电的整流器件不会比交流供电时的发热量更大, 其整流部分的故障率也就不会提高。

在应用实例方面, 中国移动通信集团苏州分公司从2008年11月起对高压直流设备安装后, 进行了小范围的拷机实验, 经过实际的试用与不断改进后, 现已将部分业务设备使用高压直流电源, 设备使用期间运行良好。

以上分析和应用实例均说明HVDC系统代替UPS系统在通信行业是可行的。

3 HVDC系统组成及技术指标

通信用240V直流电源系统一般由交流配电部分、高频开关整流模块、直流配电部分和监控单元组成。

3.1 通信用240V直流电源系统主要技术指标

(1) 系统效率应满足下表的要求。

(2) 系统标称电压。

系统标称电压为240V。设备运行时, 浮充、均充电压由蓄电池技术参数确定, 可在一定范围内调整。

系统输出电压可调范围216V~312V。系统在其输出可调范围内, 能输出额定电流。

系统的直流输出电压值在其可调范围内能手动或自动连续可调。系统在稳压工作的基础上, 能与蓄电池并联以浮充工作方式或均充工作方式向通信设备供电。

3.2 蓄电池配置

(1) 单组电池个数如下表。