240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)HRDC 技術研究

［慕家驍 呂俊榮 李秋宏］

1 引言

通信電源二次供電技術現(xiàn)網(wǎng)有380 V 交流UPS 系統(tǒng)、48 V 直流開關電源系統(tǒng)和240 V 高壓直流（HVDC）系統(tǒng)等。交流UPS 工作原理是把市電整流后再經(jīng)逆變器重建了一個工頻交流正弦電源系統(tǒng)，并機、擴容等需要頻率和相位都相同等，交流UPS的大量維護工作都得要依靠廠家的技術力量來支撐，給維護工作帶來了一定的難度，且會產(chǎn)生諧波損耗等問題；而48 V 直流開關電源系統(tǒng)則由于電壓比較低，電流比較大，存在一定的線損；240 V 高壓直流系統(tǒng)（HVDC），則是利用高壓開關電源模塊并聯(lián)重建了一個240 V的DC 直流電源系統(tǒng)，且蓄電池組的正極直接連接到負載的正極，因此可靠性相對更高，線損也較少，是相對比較理想的通信二次電源系統(tǒng)，然而由于這些二次電源均是通過大量整流模塊并聯(lián)（+逆變器）而產(chǎn)生的交直流電源給通信負載供電，這些技術不但系統(tǒng)效能不夠理想（240 VDC 電源相對較好），而且還會由于大量整流模塊集中并聯(lián)而產(chǎn)生大量熱量，給機房空調(diào)的制冷效果帶來一定的影響。因此本文提出了一種利用工頻變壓器把交流市電直接變壓和整流成240 V高可靠直流電源系統(tǒng)，直接給通信負載供給240 V 直流電源，無需另外的整流模塊給通信負載整流供電，整個系統(tǒng)的拓撲結構具有簡單、效率高、可靠性高等優(yōu)勢和特點。

2 技術思路

2.1 數(shù)據(jù)中心服務器交、直流通用供電原理

240 V 高壓直流系統(tǒng)（HVDC）為何能替換交流UPS？這是因為目前通信機房數(shù)據(jù)服務器的受電端均為橋式整流電路，當交流輸入后通過橋式整流成直流，而直流輸入時通過橋式整流電路相對應的二個橋臂輸出直流。因此現(xiàn)網(wǎng)的240 V 高壓直流系統(tǒng)（HVDC）就是給數(shù)據(jù)服務器直接輸送直流電，故240 V 高壓直流系統(tǒng)（HVDC）的電路結構相對簡單、可靠性高，且綠色節(jié)能和環(huán)保，從而得到了各個運營商的青睞，尤其是運營商及阿里云、騰訊云等大型IDC 數(shù)據(jù)機房設備的大量推廣和實際應用。240 V 高壓直流系統(tǒng)（HVDC）的工作原理如圖1 所示；機房數(shù)據(jù)通信服務器的工作原理如圖2 所示。

圖1 直流電源工作原理

圖2 數(shù)據(jù)通信服務器電源工作原理

2.2 380 V 交流UPS 給數(shù)據(jù)服務器供電工作原理

交流UPS 電源系統(tǒng)的輸入和輸出都是交流電源，其工作原理如圖3 所示。而數(shù)據(jù)服務器設備板載電壓均為1.8 V、3.3 V、5 V、9 V、12 V、15 V 不等，因此在數(shù)據(jù)服務器內(nèi)部還要有整流電子元器件將輸入的交流電源整流成直流電源才可以使用，如圖4 所示。就是說，數(shù)據(jù)服務器設備通過交流UPS 供電時，其電源變換過程為：交流市電（UPS 輸入）→整流→直流→逆變→交流（UPS 輸出）→輸入數(shù)據(jù)服務器→整流→直流→供給數(shù)據(jù)服務器使用。

圖3 交流UPS 系統(tǒng)工作原理

圖4 數(shù)據(jù)通信服務器直流電源工

2.3 直流電源給數(shù)據(jù)服務器供電工作原理

通信用直流電源系統(tǒng)為交流輸入，直流輸出，其主要電源設備有48 V直流系統(tǒng)和240 V高壓直流系統(tǒng)（HVDC），它可以直接供給數(shù)據(jù)服務器直流電源，其工作原理如圖4所示。其為數(shù)據(jù)服務器設備供電過程為：交流市電（輸入）→整流→直流輸出→供給數(shù)據(jù)服務器使用，由此可見，其電源變換供電過程十分簡單，供電效率也較高。無需再把直流電源逆變成交流電源后，由數(shù)據(jù)服務器設備內(nèi)電源電路再次整流成直流才供給數(shù)據(jù)服務器設備使用，因此無論是電路結構或節(jié)電效率來說，240 V 高壓直流系統(tǒng)（HVDC）和48 V 直流系統(tǒng)的工作機理比起交流UPS 供電系統(tǒng)其實就是減少了一次逆變和整流的過程，無論是安全性或是供電效率都有很大的提升。

二次電源的蓄電池組則是通信電源系統(tǒng)的二次供電的最后一道防線，當市電停電時，需要蓄電池組給數(shù)據(jù)通信服務器供電。由于蓄電池組供電是直流電源，當電源系統(tǒng)是直流48 V 或240 V 系統(tǒng)時，則蓄電池組就會直接通過48 V 或240 V 直流系統(tǒng)的正負極給數(shù)據(jù)通信服務器供電，因此即使48 V 或240 V 系統(tǒng)整流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，蓄電池組也可以直接給數(shù)據(jù)通信服務器供電，數(shù)據(jù)通信服務器也不會受到影響。

而交流UPS 系統(tǒng)則不同，若一旦市電停電后，蓄電池組需要放電時，還要經(jīng)過UPS 系統(tǒng)的逆變器將蓄電池組的直流電逆變成交流電后，才能供給數(shù)據(jù)通信服務器。就是說，即使蓄電池組有充足的直流電源，若UPS的逆變器出現(xiàn)故障時，蓄電池組也不能給數(shù)據(jù)通信服務器供電，這就造成了極大的安全隱患，蓄電池組等于是報廢無用了。

由此可見，直流電源系統(tǒng)給數(shù)據(jù)通信服務器供電的可靠性還是比較明顯的，同時由于整個過程減少了逆變的過程，因此節(jié)電效率提高也是必然的。

3 240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)

3.1 240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)思路的提出

根據(jù)前面的分析，我們把市電交流電經(jīng)過直流整流系統(tǒng)之后就可以直接供給數(shù)據(jù)通信服務器使用，而且無論是安全性或者節(jié)能效率來說都有益處，那么我們是否可以把市電交流電源在變壓的同時，也實現(xiàn)直流整流的過程呢？為數(shù)據(jù)通信服務器設備直接輸入240 V 直流電源呢？答案是肯定的！

實踐證明，12 相24 脈主整流輸出的240 V 直流電源不但能夠完全滿足原交流單相輸入的各種電腦和服務器性能技術指標的要求，同時也能夠滿足電信級的有關規(guī)范標準對數(shù)據(jù)服務器設備供電的性能技術要求。按照數(shù)據(jù)服務器開關電源交流單相輸入技術制式時，12 相24 脈主整流輸出電流紋波也都完全可以滿足相關的技術規(guī)范標準的要求。

3.2 240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)（HRDC）工作原理

240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)HRDC（H 代表high,高；R 代表reliable，可靠；DC 代表直流電源系統(tǒng)）工作原理的主要特點就是把變壓器和12 相24 脈主整流器組合，就是說，從變壓器輸出來的電源就是經(jīng)過直流整流后的直接可以供給數(shù)據(jù)通信服務器的240 V 直流電源。12 相24 脈主整流器原理如圖5 所示。

圖5 12 相24 脈整流原理結構圖

為了提高可靠性，系統(tǒng)采用的是雙路變壓和整流系統(tǒng)。由于是不間斷電源，因此配置蓄電池組是必須的，當然給蓄電池組充電也是必須的，故本系統(tǒng)還設計了2～3 個整流模塊，專門給蓄電池組充電。原理如圖6、圖7 所示。

圖6 240 V 高可靠直流UPS 拓撲結構圖

圖7 240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)供電示意圖

3.3 240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)（HRDC）的可靠性

將一個特殊設計的變壓器繞組12 相+24 脈主整流器組合，可為數(shù)據(jù)通信服務器設備負荷提供安全可靠的240 V直流電源系統(tǒng)。諧波的處理是不控橋整流器較易面臨的問題，實踐證明，若選用新型特種硅鋼片制作的主變輔以合理繞組及配對的整流橋模組，能使THD（總諧波失真）達到小于10%或更低（實測5%，滿載）；功率因數(shù)Φ在一類滿載時達到≥ 99%，一類半載時≥ 98%，效率η≥97.5%（幾乎不受負載影響），而且噪音也小于45 dB。對數(shù)據(jù)通信服務器系統(tǒng)來說，各項性能指標良好，完全能夠符合相關規(guī)范標準的要求。理論計算網(wǎng)側THD=7.4%，實測小于4.5%；輸出紋波理論電壓VPP=2.76，實測小于0.6 VPP；系統(tǒng)效率理論η為97.5%，實測96%以上。

主變壓器技術要求：（1）為了保證輸出電壓誤差在0.5%以內(nèi)；y/d 繞組的匝比1.732 誤差必須控制在小于0.1%以內(nèi)，所以必須選擇15/26。（2）為了使得分布參數(shù)能夠符合變比平衡要求；各繞組須采用軸向雙分裂工藝。

此外240 V直流UPS系統(tǒng)（HRDC）的可靠性還表現(xiàn)在:

①用電設備并不需要穩(wěn)壓；

② 對蓄電池組的獨立維護，有利于整個系統(tǒng)的安全運行；

③為了提高系統(tǒng)的高可靠性,采用的是雙路變壓和直流整流系統(tǒng)；

④ 關鍵部件采用冗余技術，提高系統(tǒng)可靠性裕度；

⑤ 控制裝置采用失效安全容錯策略。

對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來說，后備電源是必須的，因此快速的備份電源切換是直流電源系統(tǒng)成功的關鍵，由于切換的是直流等電壓電源，這樣就少了同步相位和電壓等因素的制約和麻煩，使得直流切換要比交流靜態(tài)開關切換電源容易得多、安全得多，對于電源系統(tǒng)的技術性能指標的影響也小得多。為此我們還分別試驗了電腦、各型服務器、高壓金屬鹵素燈、高壓汞燈等對電源連續(xù)性要求十分苛刻的用電負載，結果負載運行均未受到影響。240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)（HRDC）的各項參數(shù)性能指標和技術已完全滿足了通信行業(yè)YD/T2378-2011 通信用240 V 直流供電系統(tǒng)等標準和技術要求。

4 與現(xiàn)有二次電源技術相比具有的明顯的優(yōu)勢和特點

4.1 240 V 直流UPS 系統(tǒng)與交流UPS 及240 V 高壓直流系統(tǒng)的性能比較

240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)（HRDC）與380 V 交流UPS 系統(tǒng)及240 V 高壓直流系統(tǒng)（HVDC）的性能比較如表1 所示。

表1 240 V 直流UPS 與交流UPS 及240 V 高壓直流性能比較

4.2 240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)（HRDC）技術指標

240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)HRDC 系統(tǒng)標準系列參數(shù)指標如表2 所示。

表2 240V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)HRDC 系統(tǒng)標準系列參數(shù)指標

4.3 240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)（HRDC）的特點和優(yōu)勢

變壓器效率高，耐沖擊抗過載能力強，可全負載冷啟動，變壓器壽命可長達20～30 年。240 V 高可靠直流UPS（HRDC）主回路四組整流模塊并聯(lián)輸出（任意二組整流模塊損壞可維持滿載輸出，整流模塊可在線更換），變流環(huán)節(jié)少,電路拓撲結構簡單，可靠性裕度高，故障率低，節(jié)能效果顯著。但240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)（HRDC）電源的最大缺點是變壓器體積略大，重量較重。

240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)(HRDC)除具有上述優(yōu)缺點外，還具有如下一些優(yōu)勢：蓄電池組由精密整流模塊N+1 充電（平時輕負載使精密整流模塊壽命延長，24 小時休眠輪換工作，支持熱插拔）；240 V 高可靠直流UPS系統(tǒng)（HRDC）整個系統(tǒng)維護工作量小，系統(tǒng)效率高于97.5%，功率因數(shù)達0.99，電流諧波小于4.5%，可150%過載10 分鐘，噪音低于45 分貝；由于本系統(tǒng)的發(fā)熱量低，對環(huán)境溫度要求低，工況場地只要通風良好就無需空調(diào)，有效降低了空調(diào)系統(tǒng)總負荷和機房PUE 值；HRDC 系統(tǒng)的擴容、升級、并機、更換、搬移等維修和維護工作均可在線安全進行；240 V 高可靠直流電源HRDC 系統(tǒng)的控制部分由一路市電一路直流一路蓄電池三路熱備份供電，且采用失效安全容錯技術,可靠性比較高；240 V 高可靠直流電源HRDC 系統(tǒng)結構簡單，維護成本較低，維修操作便利；基于平衡技術體制的6 相12 脈+（小于400 A）和12 相24 脈整流技術體制，能夠滿足YD/T2378-2011 對系統(tǒng)網(wǎng)側的PF、THD 和η的技術要求和閥側紋波技術要求；獨立的蓄電池組均浮充管理，對蓄電池組精細維護管理較為有利；無故障運行時間長，在全壽命周期內(nèi)運行維修維護成本很低，使用壽命長（3～4 倍于高頻整流模塊）；噪音?。ü耋w門外1 m 內(nèi)檢測小于47 dB）；電路簡單，成本較低，尤其是大容量系統(tǒng)優(yōu)勢更為明顯。

5 240 V高可靠直流UPS系統(tǒng)（HRDC）現(xiàn)場安裝及認證情況

2013年2月，240V高可靠直流UPS系統(tǒng)（HRDC）100A/240V工頻直流不間斷電源在深圳誕生并穩(wěn)定運行至今，各項性能指標穩(wěn)定可靠。

2013年6月，240V高可靠直流UPS系統(tǒng)（HRDC）200 A/240 V 工頻直流不間斷電源通過工信部泰爾實驗室檢測合格（執(zhí)行標準：YD/T2378-2011）。

2016年5月和8月，240V高可靠直流UPS系統(tǒng)（HRDC）1200A/240V工頻直流不間斷電源系統(tǒng)分別在江蘇常熟和上海南翔都通過工信部泰爾實驗室檢測合格。

6 結語

240 V 高可靠直流UPS 系統(tǒng)（HRDC）技術僅重量指標略遜于高頻整流器全模塊并聯(lián)體制技術外，其它技術指標和性能均優(yōu)于目前現(xiàn)網(wǎng)的二次電源其它技術，尤其對大型IDC 類機房的二次電源輸出電流大于800 A的系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢；大于400A 系統(tǒng)采取12 相整流技術也具有明顯的優(yōu)勢。因此目前在大型裝置上，具有廣泛的應用潛力。