通信系統(tǒng)高壓直流電源供電技術(shù)的探討

艾勇

（艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司 廣東 深圳 518000）

摘 要：高壓直流供電相比UPS電源具有巨大的優(yōu)勢(shì)，隨著通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的UPS電源已無(wú)法滿足日益發(fā)展的通信系統(tǒng)需求，因此，高壓直流供電的應(yīng)用逐漸普遍。本文詳細(xì)比較了高壓直流供電與交流UPS，并闡述了高壓直流電源供電的原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探討了通信高壓直流電源供電技術(shù)的可行性和可推廣性。

關(guān)鍵詞：高壓直流供電；UPS；原理；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

近年來(lái)，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，作為其主要供電方式的UPS電源也在通信系統(tǒng)中大量應(yīng)用。但UPS固有的特點(diǎn)，決定了其具有可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低、輸入電流諧波大等一系列缺點(diǎn)，大型UPS系統(tǒng)故障造成的通信阻斷頻繁發(fā)生，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。在此背景下，采用高壓直流替代UPS供電的呼聲越來(lái)越高，壓直流供電就是直流采用高壓直流電源直接對(duì)采用220V交流輸入電源的設(shè)備供電，采用該技術(shù)后，電源系統(tǒng)將具有直流電源系統(tǒng)本身的天然優(yōu)點(diǎn)。

1 高壓直流供電（HVDC）系統(tǒng)與交流UPS比較

交流UPS系統(tǒng)一般由整流器、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)等組成，如圖1（a）所示。交流市電經(jīng)過(guò)整流后供給逆變器并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，逆變器將直流電重新逆變?yōu)榻涣麟姴⑼ㄟ^(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)提供給負(fù)載，靜態(tài)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了冗余配置，保證了設(shè)備供電的可靠性。同時(shí)在整流器和逆變器之間加入了蓄電池組，作為另外的備份，市電正常時(shí)，市電經(jīng)整流逆變供給負(fù)載使用；市電故障時(shí)，由蓄電池組經(jīng)逆變后給負(fù)載供電。交流UPS一般通過(guò)冗余并機(jī)的方式提高設(shè)備供電的可靠性，根據(jù)客戶的重要程度，供電方式分為單套（N+1）UPS供電和兩套（N+1）UPS系統(tǒng)并聯(lián)冗余供電兩種方式，但后者在提高供電可靠性的同時(shí)也大大增加了設(shè)備成本。

直流供電系統(tǒng)直接將交流市電整流為直流電供給負(fù)載側(cè)的直流變換器使用，使用蓄電池作為后備電源。市電正常時(shí)，交流市電直接給負(fù)載供電并對(duì)電池組進(jìn)行浮充；市電故障時(shí)，由電池組給負(fù)載供電。直流供電系統(tǒng)如圖1（b）所示。高壓直流供電系統(tǒng)借鑒了目前成熟的-48V通信電源系統(tǒng)的原理，其可用性及可靠性值得信賴。

通過(guò)對(duì)圖1交流供電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)的比較分析可知，采用傳統(tǒng)的交流UPS并機(jī)輸出需要保持對(duì)市電相位、頻率和幅值的跟蹤，受市電影響范圍較大。交流UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整流器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、逆變器任何一個(gè)設(shè)備的單點(diǎn)故障都會(huì)造成系統(tǒng)的癱瘓，因此交流UPS系統(tǒng)的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直流供電系統(tǒng)。

2 高壓直流供電原理

系統(tǒng)供電一般采用分散供電方式，單個(gè)系統(tǒng)容量一般在1000A以下，最大不應(yīng)超過(guò)1500A，系統(tǒng)總輸出容量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總負(fù)荷和蓄電池組的均充容量之和進(jìn)行合理選擇。高頻開(kāi)關(guān)電源整流模塊的額定輸出電流優(yōu)先采用20A、40A，每個(gè)系統(tǒng)中高頻開(kāi)關(guān)電源的整流模塊的數(shù)目不少于5只，一個(gè)整流機(jī)架中的整流模塊不多于20只。模塊配置根據(jù)系統(tǒng)最大輸出電流采用N+1冗余配置，其中N個(gè)主用，N≤10個(gè)時(shí)，1個(gè)備用；N>10個(gè)時(shí)，每10個(gè)備用一個(gè)。蓄電池后備時(shí)間應(yīng)滿足系統(tǒng)滿載時(shí)對(duì)通信系統(tǒng)供電保障的需要，重要通信系統(tǒng)的后備時(shí)間不小于120min，一般通信系統(tǒng)的后備時(shí)間不小于60min。電池總?cè)萘繎?yīng)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷的工作電流I根據(jù)式（1）計(jì)算出蓄電池的容量。Q≥KIT

（1）

式中：Q為蓄電池容量（Ah），K為安全系數(shù)（取1.25），I為系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷電流（A），T為放電小時(shí)數(shù)（h），η為放電容量系數(shù)，t為實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度數(shù)值。

系統(tǒng)采用懸浮方式供電，交流輸入應(yīng)與直流輸出電氣隔離，直流輸出應(yīng)與機(jī)架、地、外殼電氣隔離。電池組的正常有效維系著整個(gè)系統(tǒng)地有效性，為了嚴(yán)格監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的集中監(jiān)控單元配置有電池組巡檢儀，巡檢儀監(jiān)測(cè)每個(gè)電池的浮充電壓和放電電流以判斷電池組是否正常工作。

同時(shí)，直流供電系統(tǒng)的靜態(tài)開(kāi)關(guān)采用基于SCR直流靜態(tài)開(kāi)關(guān)，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)小于交流UPS系統(tǒng)采用的交流靜態(tài)開(kāi)關(guān)。SCR直流靜態(tài)開(kāi)關(guān)沒(méi)有系統(tǒng)同步的要求，可以做到非常高的低電壓監(jiān)測(cè)判斷和開(kāi)關(guān)投切響應(yīng)速度。一般直流靜態(tài)開(kāi)關(guān)投切延時(shí)時(shí)間小于0.1ms，而幾乎所有的開(kāi)關(guān)電源其濾波電容儲(chǔ)能滿載支撐時(shí)間都要大于13ms，直流靜態(tài)開(kāi)關(guān)的投切完全能滿足系統(tǒng)地要求。為了提高系統(tǒng)可靠性，直流靜態(tài)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可以采用并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到主回路出現(xiàn)低電壓時(shí)，即行觸發(fā)SCR，同時(shí)關(guān)閉充電器。

3 高壓直流供電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

240V直流系統(tǒng)的工作模式有兩種：后備工作模式和在線工作模式。當(dāng)系統(tǒng)工作在在線工作模式時(shí)，所有的電源模塊全部投入使用，模塊采用N+1冗余配置，電源模塊對(duì)所有負(fù)載供電并對(duì)電池組進(jìn)行充電維護(hù)。市電正常時(shí)，市電經(jīng)過(guò)電源模塊組向負(fù)載供電，模塊可以進(jìn)行熱插拔更換與維護(hù)；市電故障時(shí)，由電源母線上的電池組向負(fù)載供電。當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)，模塊組恢復(fù)供電，電池組進(jìn)入充電維護(hù)狀態(tài)。在線模式電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是忽略了市電在絕大多數(shù)情況下是好的，發(fā)生故障的幾率很小，對(duì)于這種小概率事件，可以考慮采用電池組后備運(yùn)行的供電方式。當(dāng)工作在后備模式時(shí)，在市電中斷或在恢復(fù)過(guò)程中，首先由負(fù)載中的開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的儲(chǔ)能電容放電以維護(hù)計(jì)算機(jī)的工作，然后迅速通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換至由蓄電池供電直至市電恢復(fù)。

4 高壓直流的優(yōu)勢(shì)

高壓直流系統(tǒng)另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)成熟的電池管理，同時(shí)由于母線上直接掛著電池，因此電池還具有智能休眠節(jié)能功能。電池直掛母線，瞬時(shí)的負(fù)載沖擊可以通過(guò)電池放電來(lái)做緩沖，休眠退出過(guò)程中電池放電，然后設(shè)備退出休眠后再正常帶載，因此不會(huì)拉垮系統(tǒng)。

240V高壓直流供電技術(shù)與傳統(tǒng)交流UPS系統(tǒng)的投資運(yùn)行成本，通過(guò)分析得出在相同系統(tǒng)容量的情況下，高壓直流無(wú)論在土地成本、電力運(yùn)行成本還是擴(kuò)容成本上都明顯優(yōu)于交流UPS系統(tǒng)。

5 結(jié)論

總之，通信業(yè)電源技術(shù)的重大發(fā)展方向是高壓直流供電，它具有技術(shù)節(jié)能、可靠、低成本，較之傳統(tǒng)的UPS電源具有巨大的優(yōu)點(diǎn)。但由于受到交流UPS在行業(yè)內(nèi)部的長(zhǎng)期運(yùn)行影響以及高壓直流供電技術(shù)自身在應(yīng)用階段的一些問(wèn)題，高壓直流供電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用仍然有很長(zhǎng)的道路要走。

參考文獻(xiàn)

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