高壓直流供電及應(yīng)用初論

項(xiàng) 磊

（華信郵電咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州310014）

0 引 言

進(jìn)入二十一世紀(jì)后，經(jīng)濟(jì)和信息經(jīng)歷了爆炸式的發(fā)展，國內(nèi)外各類重要用電設(shè)備的使用呈迅猛增長的趨勢，為保證各類重要用電設(shè)備的運(yùn)行安全，對供電的可靠性、可維護(hù)性以及經(jīng)濟(jì)性也提出了更多、更高的要求。

本文初步探討了高壓直流（HVDC）供電系統(tǒng)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并與常用的UPS進(jìn)行了簡要的比較和分析，為今后通信、電力等重要用戶在實(shí)際工程中的應(yīng)用，提供一些值得借鑒的意見和建議。

1 常用UPS系統(tǒng)工作原理及組成

所有重要的用電設(shè)備為保證其自身系統(tǒng)工作的連續(xù)、穩(wěn)定，需要其供電電源同樣具備可靠和連續(xù)工作的能力，即需要具備常說的“不間斷”供電能力。英語為“Uninterruptible Power Supply”，縮寫為 UPS。它可以保障重要設(shè)備在市電停電之后繼續(xù)工作一段時(shí)間以使用戶能夠緊急啟動(dòng)其它應(yīng)急供電系統(tǒng)，或者保存正在運(yùn)行和記錄的重要數(shù)據(jù)，使重要用戶不致因停電而丟失數(shù)據(jù)或中斷工作。它在各類重要設(shè)備系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，主要起到兩個(gè)作用：一是應(yīng)急使用，防止突然斷電而影響正常工作，對重要設(shè)備和用戶造成嚴(yán)重的損害；二是在正常使用期間，可以消除市電上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質(zhì)量，為各類重要設(shè)備提供高質(zhì)量的電源，也可延長設(shè)備的使用壽命和服務(wù)年限。

下面簡要介紹一下目前常用的蓄電池式不間斷電源。

1.1 蓄電池式不間斷電源

自二十世紀(jì)六十年代美國通用電氣公司研究生產(chǎn)不間斷電源以來，不間斷電源一直在被改進(jìn)，但是其基本原理沒有重大變化。

現(xiàn)代不間斷電源由電池組、逆變器和控制電路組成，一端連接電網(wǎng)另一端連接電器負(fù)載。在電網(wǎng)電壓正常的情況下，不間斷電源利用電網(wǎng)電源為自身充電，在電網(wǎng)出現(xiàn)異常的時(shí)候，不間斷電源將存儲于電池中的電能釋放，供負(fù)載使用。它按工作方式通常分為在線式和后備式（亦稱為離線式）兩種；按輸出波形可分為正弦型、近似正弦型（用階梯方波來擬合正弦波）等。

1.2 系統(tǒng)組成

UPS是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。主要由整流器、蓄電池、逆變器和靜態(tài)開關(guān)等幾部分組成。

（1）整流器：整流器是一個(gè)整流裝置，簡單的說就是將交流（AC）轉(zhuǎn)化為直流（DC）的裝置。它有兩個(gè)主要功能：第一，將交流電（AC）整流成直流電（DC），經(jīng)濾波后供給負(fù)載，或者供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓。因此，它同時(shí)又起到一個(gè)充電器的作用。

（2）蓄電池：蓄電池是UPS用來作為儲存電能的裝置，它由若干個(gè)電池串聯(lián)而成，其容量大小決定了其維持放電（供電）的時(shí)間。其主要功能是：a.當(dāng)市電正常時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存在電池內(nèi)部。b.當(dāng)市電故障時(shí)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能提供給逆變器或負(fù)載。

（3）逆變器：通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。

（4）靜態(tài)開關(guān)：靜態(tài)開關(guān)又稱靜止開關(guān)，它是一種無觸點(diǎn)開關(guān)，是用兩個(gè)可控硅（SCR）反向并聯(lián)組成的一種交流開關(guān)，其閉合和斷開由邏輯控制器控制，分為轉(zhuǎn)換型和并機(jī)型兩種。轉(zhuǎn)換型開關(guān)主要用于兩路電源供電的系統(tǒng)，其作用是實(shí)現(xiàn)從一路到另一路的自動(dòng)切換；并機(jī)型開關(guān)主要用于并聯(lián)逆變器與市電或多臺逆變器。

通用UPS的主要組成及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UPS供電系統(tǒng)示意圖

2 高壓直流（HVDC）系統(tǒng)

2.1 高壓直流系統(tǒng)的產(chǎn)生

高壓直流電源是將市電或者工頻電壓電能轉(zhuǎn)變成某些特殊高電壓等級和形式的一種電源設(shè)備，高壓直流電源按輸出電壓極性可分為正極性和負(fù)極性兩種。高壓直流電源可以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，例如通信、電力以及工農(nóng)業(yè)等各個(gè)行業(yè)。

高壓直流電源最初是將工頻電壓直接經(jīng)高壓變壓器升壓后整流濾波，或升壓后再倍壓整流后得到高壓，其基本原理如圖2所示。后來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高壓直流電源才發(fā)展到了線性高壓直流電源。

20世紀(jì)70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命性的變化，20kHz的開關(guān)頻率結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）開始在電源領(lǐng)域應(yīng)用。到目前為止，電源的頻率已經(jīng)達(dá)到數(shù)百千赫茲，應(yīng)用先進(jìn)的準(zhǔn)諧振技術(shù)甚至可以達(dá)到兆赫茲的水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結(jié)構(gòu)體積，進(jìn)而縮小高壓電源體積。高頻化使高壓電源體積大幅度減小，輕巧便攜，實(shí)用性和使用方便性明顯得到改善。

2.2 新型高壓直流系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

近幾年，隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，新一代功率器件，如MOSFET、IGBT的應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)的逐步成熟，出現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源。同線性電源相比較，高頻開關(guān)電源的突出特點(diǎn)是：效率高、體積小、重量輕、反應(yīng)快、儲能少、設(shè)計(jì)、制造周期短。由于它的優(yōu)越特性，現(xiàn)在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。

圖2是高壓開關(guān)直流電源示意圖。它采用了脈寬調(diào)制技術(shù)，PWM技術(shù)和BUCK變換器結(jié)合以及PWM技術(shù)和逆變器技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源輸出電壓穩(wěn)壓和輸出電流的限流功能。

圖2 典型開關(guān)高壓直流電源示意圖

目前各研究單位和廠商正在大力研制開發(fā)新型高壓高頻電源，包含新的電源理論、新型模塊化電路、新型電子器件等，以滿足電子設(shè)備小型化、高效化和高性能化的時(shí)代發(fā)展要求。圖3就是近年來已生產(chǎn)并投入實(shí)用的新型HVDC電源模塊的工作原理簡圖。

圖3 高壓直流電源模塊結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，高壓直流系統(tǒng)一般包括電源輸入濾波模塊、工頻整流模塊、DC／DC斬波、LC高頻濾波輸出模塊以及蓄電池組等主要構(gòu)件。

3 實(shí)際應(yīng)用及工作特點(diǎn)

3.1 高壓直流系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

目前高壓直流系統(tǒng)（HVDC）已在部分通信和電力行業(yè)用戶中使用，國內(nèi)已有專業(yè)企業(yè)開發(fā)和生產(chǎn)不同類型和容量的高壓直流供電設(shè)備。

下面簡要介紹該系統(tǒng)的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)和功能：

（1）交流配電模塊——該模塊將兩路或一路市電，分配到整流模塊；通常配置C、D兩極防雷保護(hù)系統(tǒng)；

（2）整流模塊——將交流整流為直流（AC／DC），給負(fù)載供電，同時(shí)對電池組進(jìn)行浮、均充電；

（3）直流配電模塊——通過直流空開或熔斷器輸出到列頭柜，再由列頭柜輸出到各服務(wù)器等重要設(shè)備，進(jìn)行不間斷直流供電；

（4）監(jiān)控單元模塊——監(jiān)控模塊是直流輸出模塊的控制中心，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)內(nèi)部 “上傳”“下達(dá)”的任務(wù)。下層系列配電監(jiān)控盒負(fù)責(zé)交、直流電檢測及故障信號上送；

（5）電池組——保證交流停電時(shí)，提供不間斷直流供電。電池?cái)?shù)量2V／120節(jié)電池。

此外，為保證高壓直流電源系統(tǒng)的正常工作，通常還包括一些配套監(jiān)測和報(bào)警功能；

（6）電池巡檢模塊——可以實(shí)時(shí)檢測每節(jié)電池的端電壓或電池組內(nèi)阻，并上送給監(jiān)控單元；

（7）絕緣監(jiān)測模塊——實(shí)現(xiàn)對直流母線、輸出分路對大地絕緣狀況的監(jiān)測。

3.2 高壓直流（HVDC）系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

通過分析高壓直流系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)，可以歸納出該類電源系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：

（1）具有較高的效率：通常采用全橋移相、軟開關(guān)技術(shù)，高頻開關(guān)技術(shù)以達(dá)到高頻諧波分量減少、輻射低、電磁兼容性好為目的。目前國內(nèi)廠家所生產(chǎn)整流模塊的轉(zhuǎn)換效率一般為93～95%；

（2）較高可靠性：系統(tǒng)內(nèi)部整流模塊的MTBF≥30萬小時(shí)，結(jié)構(gòu)采用N＋X模塊備份方式，電池組與整流模塊并聯(lián)輸出，如圖3所示；

（3）維護(hù)簡便：系統(tǒng)主要部件采用熱拔插技術(shù)，大部分器件可實(shí)現(xiàn)在線更換；

（4）隨著技術(shù)和工藝水平的發(fā)展，目前高壓直流系統(tǒng)的“功率密度”在不斷提升，系統(tǒng)整機(jī)體積緊湊，重量較輕。例如400A系統(tǒng)整機(jī)重量通常小于350kg；

（5）系統(tǒng)具備完善的電池管理功能；（6）具有絕緣監(jiān)測功能。

4 使用及建議

4.1 高壓直流供電（HVDC）與UPS的比較

UPS系統(tǒng)自20世紀(jì)60年代誕生，至今已經(jīng)發(fā)展了近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，它具有技術(shù)成熟、使用范圍廣和用戶眾多、市場占有率較高的優(yōu)勢。高壓直流供電系統(tǒng)相比之下，可以稱為一支“新軍”。前文已經(jīng)對HVDC系統(tǒng)做了簡要的說明和分析，下面把二者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)做一個(gè)簡明歸納和比較，如表1。

4.2 高壓直流（HVDC）系統(tǒng)與UPS的適用范圍及建議

4.2.1 高壓直流系統(tǒng)可以滿足大部分交流設(shè)備的需求

（1）UPS交流電壓的供電范圍通常在176～264VAC范圍內(nèi)，對應(yīng)整流后的最低直流電壓Uab＝1.25×176V＝220V，最高直流電壓Uab＝1.4×264＝370V。

常用交流電源設(shè)備，例如各類IDC服務(wù)器、計(jì)算機(jī)的額定工作電壓是220VAC，此時(shí)對應(yīng)的直流電壓是Uab＝1.25×220V＝275V，顯然如果把輸入的直流電壓控制在220～370V之間，并直接將直流電輸入到計(jì)算機(jī)服務(wù)器，該類設(shè)備可以正常工作。同時(shí)，系統(tǒng)末端選取120節(jié)2V電池并聯(lián)，其均充電壓是2.35×120V＝282VDC，浮充電壓是2.23×120V＝268VDC，即使系統(tǒng)的AC／DC模塊工作故障時(shí)，也可以保證HVDC系統(tǒng)的電力輸出不間斷。

表1 UPS和HCDC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)比較

（2）對于安裝有APFC模塊的計(jì)算機(jī)服務(wù)器，通常對UPS的交流輸出范圍可以做到更寬，一般可以到110～270VAC。相應(yīng)對應(yīng)的直流范圍是138～378 VDC，如果改為直流供電，則原APFC模塊就變成了單純的DC／DC Boost電路，不會影響原服務(wù)器的正常工作。

4.2.2 高壓直流（HVDC）系統(tǒng)的適用建議

（1）高壓直流供電系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、高效、較低建設(shè)投資等特點(diǎn)，可適用于目前大多數(shù)重要的交流設(shè)備需求，例如各類通信IDC機(jī)房、信息中心服務(wù)器等。有助于減少用戶的一次性投資，提高供電可靠性，提高機(jī)房利用率；

（2）目前高壓直流（HVDC）系統(tǒng)的單只整流模塊輸出電流一般在10～20A左右，單套系統(tǒng)的最大輸出電流不超過500A。相對于中大型UPS供電系統(tǒng)而言，高壓直流系統(tǒng)的供電容量偏小；如果采用多機(jī)架并聯(lián)方式，則將影響整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，因此目前高壓直流系統(tǒng)暫不適用于大容量交流設(shè)備的集中供電需求；

（3）分析高壓直流供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)后認(rèn)為，那些必須提供不間斷供電保障、設(shè)備功耗需求在100kW以下，并且對供電設(shè)備現(xiàn)場維護(hù)及時(shí)性要求較高的用戶和場所，可考慮選用高壓直流供電系統(tǒng)。