高壓直流供電系統(tǒng)取代USP 供電系統(tǒng)的探討

張印君 重慶市通信建設(shè)有限公司

引言

近年來，隨著信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，UPS 通信系統(tǒng)在通信站的使用越來越多。然而，在日益增長的數(shù)據(jù)處理能力中，USP 的計算機機房電源系統(tǒng)的功耗、可靠性和使用問題正變得越來越突出。高壓直流供電系統(tǒng)具有減少電池電量或解決上述問題的獨特優(yōu)點。因此，高壓直流供電系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

一、高壓直流系統(tǒng)簡介

高壓直流系統(tǒng)主要由電池組、交流板、直流板、監(jiān)控單元、扶正屏等組成。技術(shù)方案如下：

圖1 高壓直流技術(shù)原理圖

當(dāng)兩路電源整流模塊是正常的，直流特高壓交流電轉(zhuǎn)換成直流高壓電源節(jié)省很多電能。當(dāng)電源正常時，將整流器屏幕轉(zhuǎn)換為高壓直流提供直流電源。在供電系統(tǒng)中，監(jiān)控部分對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。一旦信號被處理，它們就由監(jiān)控單元進(jìn)行管理。顯示器具有人機功能，操作和維護(hù)人員可以管理和監(jiān)控高壓直流設(shè)備。

二、高壓直流系統(tǒng)的性能特點

（一）降低成本，提高效率

圖2 傳統(tǒng)USP 系統(tǒng)供電示意圖

與傳統(tǒng)的USP 系統(tǒng)相比，高壓直流系統(tǒng)減少了升力和逆變器的連接，不僅大大減少了損失，而且大大提高了工作效率。該系統(tǒng)的并行技術(shù)相對簡單，可以同時并行連接大量模塊。增加每個模塊的使用，最高可達(dá)70%。此外，高壓直流系統(tǒng)不包含靜態(tài)旁路開關(guān)、過濾裝置或直流/交流逆變器，大大減少了中央計算機上的設(shè)備數(shù)量，從而大大降低了成本。

（二）節(jié)能

目前使用的USP 主機都是在線雙轉(zhuǎn)換的。當(dāng)負(fù)載比超過50%時，轉(zhuǎn)換效率與切割進(jìn)料相似。然而，在實際工程應(yīng)用中，由于諧波和背負(fù)荷輸入峰值因子的影響，asi 單機設(shè)計的最大穩(wěn)定運行負(fù)荷僅為35-45%。由于后臺設(shè)備活動的發(fā)展，系統(tǒng)通常在中間和后期階段達(dá)到理論負(fù)載率。因此，它可以在很長一段時間內(nèi)以非常低的負(fù)載率運行，其轉(zhuǎn)換效率通常超過80%，甚至更低。

對于高壓直流系統(tǒng)，多虧了它的模塊化結(jié)構(gòu)，率可控整流模塊可以在實際安裝或配置取決于后端設(shè)備的安裝速度，所以轉(zhuǎn)換模塊的加載速率和效率，始終維持在高位。

（三）提高承載能力

USP 系統(tǒng)的負(fù)載能力受到兩個因素的限制。一個是負(fù)載的功率因數(shù)。以大型國內(nèi)USP 主機為例。當(dāng)輸出功率因數(shù)為0.5（電容）時，最大允許負(fù)載速率僅為50%，后者為負(fù)載的峰值電流系數(shù)。一般來說，USP 主機的計算因子為3。如果負(fù)載的峰值電流系數(shù)大于3，則逆變器的宿主組將減速。對于直流系統(tǒng)，不存在功率因數(shù)問題；

電池內(nèi)部電阻極低，整流模塊冗余（充電和待機）大，峰值負(fù)荷高，峰值負(fù)荷能力高，不需要特別的安全裕度。

（四）提高可靠性

無截止供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的整體可靠性低于單個部件的可靠性。為了解決問題，可靠性低，多臺機器必須冗余電源并聯(lián)連接，形成一個時尚的雙層巴士，確保系統(tǒng)的總成本居高不下等問題，而且電池故障的逆變器和能源股不能直接提供負(fù)荷。高壓直流供電系統(tǒng)的并聯(lián)整流器模塊與電池組形成冗余關(guān)系：不可靠性是由于元件數(shù)量過多造成的，整體可靠性優(yōu)于單個元件。在電源故障的情況下，電池的能量可以直接提供給充電，大大提高了供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

三、直流高壓系統(tǒng)的基本條件

高壓直流配電應(yīng)滿足以下基本條件：服務(wù)器的電源單元可以接收高壓直流。CA 輸入電源存在不能接受一定的高壓直流電壓值和直接添加在PSU 高壓直流電壓的目的，而不能達(dá)到現(xiàn)有服務(wù)器的直流高壓電源，這并不是完美的，只能用來作為過渡辦法，最大的挑戰(zhàn)是備份單元、路由器和服務(wù)器必須有一個HVDC 輸入或一個通用的AC/HVDC 輸入。3.適當(dāng)?shù)倪B接器和接地應(yīng)符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

四、傳統(tǒng)USP 存在四大問題

（1）USP 和-48Vdc 系統(tǒng)有缺陷。逆變器在系統(tǒng)中的備用能量可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電池。電池的可靠性為Rb=0.99，asi 備用電源的可靠性僅為0.88。USP 系統(tǒng)的總體使用率較低。每個輸入和分配冗余USP 系統(tǒng)可以主要使用。所有USP 必須能夠承受所有費用。冗余USP 系統(tǒng)的使用率低于35%。逆變器輸出不平衡。由于USP的退役，單臺機器的低利用率是一個缺點。

（2）除主干道外，逆變器的輸入電源分布不使用，效率很低。在機房的早期，建筑投資很高，負(fù)荷規(guī)劃被浪費，系統(tǒng)難以擴展。USP 增加了供電系統(tǒng)的諧波分量，降低了變壓器的利用率，降低了柴油發(fā)電機的承載能力，影響了整個供電系統(tǒng)的安全性和使用。平行振蕩器之間無法消除的循環(huán)問題增加了振蕩器的無功損耗，降低了系統(tǒng)的可靠性。

（3）USP 的緊急保護(hù)和維護(hù)不善。USP 的在線維修是復(fù)雜的，在線擴展是困難的，傾斜是困難的。不同型號的設(shè)備和系統(tǒng)不能保證相互冗余，更換關(guān)鍵部件，如逆變器和過濾電容器也很困難。如果逆變器發(fā)生故障，系統(tǒng)將繞過電源，但對于某些通信負(fù)載，低質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)線路可能會導(dǎo)致設(shè)備安全運行中的嚴(yán)重故障。應(yīng)急電池模塊是絕緣的，不能打開。保護(hù)。

（4）-48Vcc 系統(tǒng)不符合大型通信室的要求。近年來，隨著數(shù)據(jù)通信的快速發(fā)展，機房的耗電量越來越大。目前，單個機架的耗電量正在迅速增長。通信室內(nèi)單個測量儀器的功耗為9～12kW/幀，單個測量儀器的功耗可達(dá)31kW。能源消耗的增加需要更厚的電纜和更高的電流，這將導(dǎo)致更高的成本和更大的散熱。

五、高壓直流系統(tǒng)的技術(shù)可行性

目前，交流電源的負(fù)載主要由直流電源系統(tǒng)提供，然后電路本身通過整流負(fù)載本身轉(zhuǎn)換為+12V、+5V 等直流電壓。輸入是交流或直流，最后低壓直流被轉(zhuǎn)換成它自己的電路板。因此，從技術(shù)上講，加載裝置可以直接接入240V 直流傳輸系統(tǒng)的電源。

交流220v 電源的電壓范圍為180v～240v，理論上可以承受240v×1，414=339，36V 的直流電壓。直流240v 額定高壓系統(tǒng)的最大電壓約為120×2，35V=282V，遠(yuǎn)低于339-36。因此，交流負(fù)載必須能夠承受直流240V 高壓電源系統(tǒng)的維護(hù)電壓。

當(dāng)使用50Hz 交流電源時，通過校正二極管的電流為波電流。當(dāng)使用高壓直流電源時，通過整流二極管的電流為直流。當(dāng)平衡二極管的平均電流恒定時，電流的波動分量很大。由于熱也很重要，使用高壓直流電源的整流裝置產(chǎn)生的熱量很低，整流部分的故障率沒有增加。因此，可以使用240v 高壓直流系統(tǒng)來代替交流USP系統(tǒng)來提供交流通信負(fù)載。

結(jié)論

在數(shù)據(jù)中心，高壓直流系統(tǒng)可以完全由逆變器供電系統(tǒng)代替；當(dāng)然，它的可用性取決于未來儲物柜對能源的需求增加，而最大的需求取決于主要的運營商和服務(wù)提供商。操作和維護(hù)功能以及客戶接受度。目前，各大運營商、互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供商、阿里巴巴、百度、騰訊等電子商務(wù)服務(wù)提供商已逐步將高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。此外，高壓直流系統(tǒng)的建設(shè)也是符合節(jié)約能源的概念和中國所倡導(dǎo)的減排，從而提供的機遇，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能效目標(biāo)方面更加有效和效率，以提供更好的服務(wù)，為全國網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。因此，高壓直流系統(tǒng)的發(fā)展前景仍然十分廣闊。