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前景分析 复制链接复制链接 mailwzg 军衔等级 新兵 注册时间 2008 3 25 串个门 加好友 打招呼 发消息 电梯直达 1 大 中 小 发表于 2010 12 6 08 43 59 只看该作者 倒 序浏览 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