通信用HVDC方案调研【20151020 周志达】

1、SiC通信用HVDC方案调研 2015.10.20 周志达一. 国内外HVDC应用情况从全球的发展趋势来看，近10年来由于数据通信技术和业务的发展迅速，通信机房特别是互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）里交流不间断供电负载的功率密度越来越高，整体耗电量越来越大，给节能减排带来的压力与日俱增。因此，20世纪90年代后期，国际电信能源论坛（INTELEC）已有报道，为了提高IDC的供电效率，一种减少转换层级、直接为服务器类通信负载提供400V或接近400V直流电压的直流供电技术理论开始被一些发达国家研究。1999年，第21届INTELEC论坛上，法国电信首次提出直流供

2、电是比较可行的电信设备与电源设备的接口的观点。至今十多年来，各个国家的在直流供电领域的主要尝试如图1. 1所示，其中对于中国电信目前应用主要为240VDC。图1. 1国内外HVDC主要研究和实验因此，从电压等级上可以看出，国外的研究和实验中采用的直流母线电压等级主要在300400Vdc之间，其中美国和欧洲主推380Vdc，法国电信从一开始就尝试350Vdc，也积累了相当的应用经验。亚洲和澳大利亚采用220300Vdc直流母线电压，主要考虑兼容现有的AC服务器电源，作为一种过渡电压是合适的。1. 国外HVDC技术研究发展1.1. 主要应用案例法国电信作为该领域较早的参与者和提倡者，90年代提出的

3、直流供电是一用不太成熟的整流后的交流方案（Rectified AC，rAC），即一种不带电压滤波调整功能的脉动直流电源。2008年才开始针对服务器机房直流供电问题进行研究，采用标称336V，兼容168只铅酸电池的工作方式，服务器供电单元（Power Supply Unit，PSU）则用经过改造的DC/DC降压模块后对服务器负载供电。表格1- 1国外直流供电系统应用情况使用单位电压（V）地点开始运行时间最大功率（kW）Gnesta Municipality350瑞典格内斯塔2006-39NTTUniversity380日本仙台市2007-550France Telecom380法国拉尼翁2007

4、-1131.5IntelInc.380美国俄亥俄河2008-525NTTFacilities380日本东京2009-1100Korean Telecom300韩国首尔2009-1120Syracuse University380美国锡拉丘兹2009-12150DukeEnergy380美国夏洛特市2010-830NTT380日本神奈川2011-2100目前各国的一些应用尝试如表格1- 1所见，大部分尝试集中在380Vdc上，这样的选择是由于最初提出的HVDC系统时，各国关注重点都放在节省能耗、高效运行上。而最大程度的降低电能变换次数，则是在选择直流母线电压时主要考虑因素。Intel公司实验室在

5、验证通信用高压直流供电系统时1，用图1. 2所示演变过程讲解380V电压的由来，由于机房服务器电源设计时多采用ATX或SSI标准，在经过二极管全桥和PFC整流器后会有一条380V左右的直流母线。采用该电压等级可最大程度地提升系统效率，同时继承现有PSU中DC/DC技术。图1. 2高压直流系统演变过程1.2. 具体应用情况1.2.1. 美国伯克利实验室2006年开始美国伯克利国家实验室（LBNL）研究400V直流供电系统的可靠性，2008年后Intel公司加入研究项目，并制作了两组相同的交流UPS和两组400V直流UPS对比，功率等级均为25kW。系统结构采用飞轮和电池共同挂在直流母线的形式，如

6、图1. 3所示。市电输入先经过降压变压器将480Vac降为208Vac，在通过整流和稳压将直流母线稳定在380Vdc，经过服务器内部的DC/DC变换器再将380V变为12V直流，给更细致的负载调压器供电。图1. 3伯克利国家实验室直流供电系统结构图由图1. 4可以看到交流、直流两套系统共同运行时的场景，中间是变压器，将480Vac变为208Vac输入到左右两边，左边第一个直流UPS，内含三相电压源型整流器；第二个柜装有飞轮储能装置及断路器，三个黑色的是服务器机箱，最后还有一个整流器作为冗余或者增容。图1. 4交直流系统实物图右边第一个是传统交流UPS，输出208Vac到配电柜中进行电能分配，之

7、后三个服务器，最后有个-48VUPS作为示范。机架上的照明经过改造，作为直流照明的一个演示。详细说明图如图1. 5所示。图1. 5系统详细说明实验结果显示，仅仅是供电系统的改造就能在直流供电系统中得到57%的效率提升（满载下）。具体而言，直流UPS效率提升4%，服务器电源（PSU）提升2%，交流UPS中还集成了变压器来保证后端设备接地需要。而直流UPS中采用悬浮地线，无需变压器，效率表现和系统体积都得到提升。1.2.2. 日本NTT电信局日本NTT电信公司从90年代开始就是HVDC供电系统的先驱研究中心，2007年至今大大小小的示范实验已有七次，功率等级由20kW到100kW不等，是亚洲地区中

8、，380V电压等级的重要推动者。在一次100kW的实验中2，NTT设备局提出了如图1. 6的结构图1. 6 NTT直流供电系统该结构中，采用8个整流模块构成一个100kW的整流机柜，每个模块提供15kW的额定功率，进行7+1冗余设置来提高系统可靠性。整流机柜前端采用降压变压器将电压降至200V交流，直流母线上直接挂载铅酸蓄电池，后端是自主设计的新型直流断路器的配电机柜（PDU）。下图展示了其中的供电结构，主要考虑适配当前通信领域-48V直流供电系统，接地方式采用机箱内高阻抗中点接地，接触电压最高±190V直流，人员操作和设备安全性对比悬浮地线方案更高。表格1- 2则列出系统中主要的设

9、备及其功能介绍。图1. 7直流系统中各个设备图NTT公司在HVDC供电系统的多次尝试中积累了相当全面的应用经验，对于尽可能提高系统可靠性、安全性、功率密度和效率等方面均有相关的研究和文献报道。其中对于SiC器件的使用颇有青睐，从采用SiC SIT设计直流断路器到整流器PFC和DC/DC变换器中均有相关应用报道。对于安全接地，对比了现有的接地方案并最终确定高阻抗中点接地最适合于HVDC供电系统。表格1- 2设备说明及功能设备说明功能整流器（RF）19寸机箱100kW输入3相200Vac输出380V15kW整流模块（7+1）高频隔离整流变压电压补偿器（VC）19寸机架100kW输出380V充电时为

10、电池变换电压放电时将电池电压变为380V配电单元（PDU）19寸机架380Vdc配电关断故障供电保险丝或断路器电源板20kW额定400V额定50A（25A x 2）连接母线到ICT设备能消除插拔电时的电弧过流保护电池容量：150Ah（10hr）放电时间：10min浮充电压401.4V（180节）后备电源铅酸蓄电池对于蓄电池充电电路，NTT采用一个充电变换器代替原来交流UPS的直接挂载方案，好处是能够得到更稳定的母线电压而不受电池浮充电压的影响。实验结果显示，对比市面上表现较好的AC UPS，在25100kW下均有45%的效率提升，尤其在25%的低负荷下，直流系统仍有92.58%效率（AC 87

11、.1%）。另一次NTT设备局30kW的实验3中，将直流系统的高效特性发挥到极致，不仅考虑供电系统本身的损耗，将铜线损耗、空调制冷以及PSU效率均考虑在内，实验时每天工作三小时，连续工作五天记录结果。结果显示，在25%负载下（6.75kW），整个直流供电系统能节省15%的电能损耗，其中供电系统节省0.4kW，导线损耗0.3kW，PSU 0.48kW，空调0.28kW。1.2.3. 韩国电信（KT）韩国电信这几年对服务器直流供电的研究也比较活跃，一个出发点是目前存在大量交流服务器，直流系统需要考虑兼容性。然而交流供电系统越来越难满足数据中心对可靠性的要求，而-48V系统不利于扩展成大功率应用，因此

12、采用了300V直流系统进行研究，实验中采用150节蓄电池串接。图1. 8 KT实验系统实验中将交直流UPS连接到1200W的服务器中，用同一个模拟负载给服务器产生模拟数据流。实验结果表明，300V直流可以兼容部分PSU交流电源，倘若对PSU进行改造，直流系统最多可以提高1415%的效率2. 国内240V直流供电系统应用情况自2004年来，负责电源专业技术支撑的中国电信广州研究院在国内率先开始探讨通信网络交流UPS供电技术的可用性和存在问题。讨论的结果将方案定在220V380V直流供电系统中，为了能够不改变服务器电源（PSU）现状，减轻国内主流UPS厂商以及大型IDC对直流供电系统的抵触，加速市

13、场扩张和客户接纳程度。截止至2012年底统计，全国已投入使用的通信用240V直流供电系统近600套，容量超过300kA，功率达到70MW，相当于输出功率因数为0.8的交流UPS达到87.5MW的供电能力。仅仅中国电信一家，采用240V直流供电的IT设备就有数十个厂、几百个型号规格、超过10万套。以杭州中恒电气公司提供的ZHDCS系列240V供电系统为例，其较大的几个用户如表格1- 3所示。表格1- 3中恒电气ZHDCS部分用户名单用户名单采用型号最大功率（kW）应用时间盐城电信ZHDCS240120*128.82009-6-24无锡电信ZHDCS240150*2722009-7-15扬州电信Z

14、HDCS240400*21922010-3-20苏州电信ZHDCS240400*21922010-2-25对比表格1- 1和表格1- 3，可以明显看出，国内通信用240V直流系统应用情况更普及，这正是得益于240V电压对现有服务器电源的兼容性强的优势。目前国内市场已经能提供一些240V直流UPS设备。表格1- 4通信用240V设备设备型号最大输出能力(kW)生产厂商模块最大功率（kW）模块效率功率密度（W/in3）NetSure HVT C0196艾默生5.894%13.5ZHDCS96中恒电气5.9/14.7594%14.35/23.4HVP-24040096中达电通5.895.5%11.7

15、PRS602496珠江电信5.892%4.85ATCHD96奥特迅9.65.13从表格中可以看出，针对目前应用场景，单个UPS机柜功率均在100kW左右，模块化设计是各个厂商均采用的方案，单个整流模块可做成5.8kW、10kW或15kW。从原理上讲，采用大功率的模块能降低模块数，减少设备维护成本，但系统在接入或断开模块时收到的冲击更大，可靠性降低。另外，对于冗余设置和系统经济运行（ECO模式）而言，小功率的模块均能得到更高的灵活性，有利于进一步提高系统可靠性及运行效率。3. 国内240V系统对比国外380V的优势对于高频开关整流技术而言，调制方法或者控制策略经过多年的发展已经非常成熟，无论是高

16、效地实现240V还是任何更高的电压等级，均不有任何技术瓶颈。但就外围的配套设备和当前应用推广和流通成本上，两个电压等级却有很大的区别。3.1. 兼容性采用直流240V供电能够与我国现有交流220V供电体制兼容，这是由目前电源生产标准所决定的，对于高于300V的直流供电，对现有的许多设备并不兼容。若要采用直流供电而不能兼容主流的交流供电，通信网络上使用的IT设备只能采用定制生产。这对于IT设备制造商而言，虽然直接制造成本不会大量增加，甚至略有下降。但对于IDC运营商而言，大规模的更新换代不仅成本高，需求时间也更长，不利于激发更换的积极性。目前的通信网络已经非常庞大，现有的交流供电的IT设备数量大

17、而且其运行效率、可靠性、可用性正面临着严峻的考验。如果采用兼容性差的供电系统，意味着只有新建的IDC中心能够快速地采用HVDC模式，不利于高可靠性供电系统的发展。3.2. 电气安全性能从理论上讲，电气设备的工作电压越低，其电气安全性能的要求也低，操作使用也越安全。根据国家标准和通信行业标准，直流电源系统的电气安全性能主要包括电气间隙与爬电距离、绝缘电阻、绝缘强度和冲击电压等方面，具体要求见：表格1- 5电气间隙与爬电距离额定绝缘电压（V）电气间隙（mm）爬电距离（mm）Ui633.03.063<Ui3005.06.0300<Ui5008.010.0表格1- 6绝缘试验的试验等级额定

18、绝缘电压（V）绝缘电阻测试仪器的电压等级（V）抗电强度试验电压（kV）冲击试验电压（kV）Ui632500.5163<Ui2505002.05250<Ui50010002.05从电气间隙与爬电距离要求可以看出，直流电压300V是一个分界点，超过这个电压等级，相关要求将会提高60%以上。另一方面，对系统外围设备而言，电压等级越高意味着安全问题隐患越重。电容：虽然服务器电源（PSU）理论上可以承受370380V直流电压，但电容发热量与工作电压的平方成正比、寿命与工作电压的78次方成反比，即电压增加15%，寿命缩短1/3左右。过压保护：现有的PSU过压保护是按照220Vac输入来设计的，

19、普遍设置在290Vrms以上。当采用240V直流供电时，最高输出电压在280V左右，不会触发过压保护。但采用336V或更高的直流供电，市面上会有大量的PSU因过压保护而断开，服务器无法工作，必须重新进行PSU改造。操作安全性：目前通信机房维护人员使用的工具、仪表、绝缘垫、护套的对地耐压均以交流250Vrms为标准，采用240V直流电源时，工作回路对地电压不会超过原有标准，但更高电压下，将对设备接地、人员操作、配套绝缘设施提出更高的挑战。3.3. 标准化经过几年的探索，通信用240V直流供电技术已经日趋成熟，标准体系已经初步建立并在实际应用中得到检验。目前已发布的包括YD/T2378-2011通

20、信用240V直流供电系统、YD/T4555-2013通信用240V直流供电系统配电设备、YD/T2556-2013通信用240V直流供电系统维护技术要求等；已经完成即将发布实施和正在编制的标准有240V直流供电系统工程技术规范、通信用高压直流供电系统性能及建设后评估方法等。2012年，由中国电信和工信部电信研究院代表我国在ITU SG5工作组Q19课题会议上提出C418提案被采纳，会议认为：240V直流作为一种过渡时期电压是合适的4。另一方面，380V直流的标准仍处于广泛讨论中。尽管ITU-T、ETSI、IEC等国际组织均致力于标准的制定，也颁布了EN 300132-3-0 以及132-3-1

21、等标准、L.1200等推荐文件，但由于整体系统突破传统的地方过大，许多细节的制定仍然需要实际尝试与应用中摸索，目前标准的制定和直流系统的尝试正处于相互依存又相互制约的境地。3.4. 生产成本采用240V直流供电由于兼容交流220V电源模块，相关产品的生产产业链非常齐全，能够满足元器件和原材料的大批量购买，因此研发成本、生产成本以及流通成本可大大降低。对于蓄电池、配电和保护器件（如直流断路器、负荷开关、熔丝等）均有通用标准件，除了原来的直流通信生产商可以生产，UPS生产商甚至电力操作电源生产商都能进入该领域。3.5. 推广应用240V通信供电技术在通信网络和IDC中已被大规模推广，目前处于世界领

22、先水平。在投资运营成本、减少劳动强度体现出了明显的优势，可以获得良好的节能效果，已经被国资委纳入“国家重点节能技术推广目录（第五批）”中，是目前唯一被国家认可的通信用高压直流供电节能技术，具有强大的竞争力和推广优势。二. 整流拓扑应用情况去掉了可靠性普遍较低的逆变器后，通信用HVDC直流供电系统成为最为重要的部件。整流拓扑的选取也决定了系统的供电可靠性、输入输出电能质量以及系统安全、EMI表现等等一系列运行指标。UPS中常用的整流器拓扑按照能量流动方向可分为单向、双向整流器，按照是否带有隔离变压器可分为隔离、非隔离拓扑。1. 目前常用拓扑1.1. 单向隔离型图2. 1三相级联式模块整流器（15

23、kW）日本NTT直流系统中提出了如图2. 15所示的三相级联型整流拓扑，对比传统-48V，PFC整流的拓扑和表现均相差不明显，但由于后级DC/DC变比较小，拓扑可以工作在更高效的区间，相应地散热需求和无源器件值更小，功率密度得以提高。文献报道DC/DC的功率密度达到6.25 W/cm3，算上散热空气间隙也有2 W/cm3，是传统48V的两倍。这种拓扑将三相独立进行整流调压，对于负载不平衡或是三相不平衡的工况都有很大的优势，理论上可以实现缺相运行，提高了系统的可靠性。但同时拓扑器件数较大，能量单向流动，可控器件少，输入功率因数较低，谐波畸变和输出纹波都会比较大。效率上50kW负载时为95.3%，

24、30kW时为94.5%，比48V拓扑高2.5%。1.2. 双向隔离型于是文章还提出了一种采用SiC器件的双向隔离型整流器，双向拓扑有利于应用新能源并网，且功率因数更高6。图2. 2 SiC器件用于双向整流采用SiC JEFT和SiC SBD的组合器件来实现PFC整流器可以最大程度的降低器件损耗，在50kHz高频开关下采用硬开关模式仍然能得到优秀的效率表现。采用JFET一方面因为文章发表时SiC MOSFET器件仍未成主流，另一方面因为JFET没有体二极管，不需要反串联二极管来阻断。后级直流变换先采用8个小型48V-48V变换器并联成一个单元，再将8个这样的单元串联实现384V-384V直流变换

25、。也就是总共64个小变换器串并联成一个高压变换器。这种拓扑能尽将系统的功率密度和效率提到极限，但可靠性降低，系统控制变得非常复杂。图2. 3隔离型380V-380V直流变换结构1.3. 双向非隔离型田纳西大学7则提出可以将SiC器件用在三相电流源Buck整流拓扑中，针对美国480Vac供电，若采用Boost拓扑，母线电压将接近1kV，不利于系统安全和后级直流变换器的效率表现。图2. 4三相Buck整流拓扑（7.5kW）器件采用全SiC器件组合（Mosfet+SBD），开关频率28kHz，直流电感采用纳米晶材料制成，有效降低损耗。为了进一步降低损耗，采用多个开关器件并联来降低导通损耗。图2. 5

26、并联器件数与效率在重新设计PSU电源时，该团队后续将GaN器件用进了隔离型400VDC/12VDC拓扑中，通过高频开关（1MHz）来提升系统功率密度。整个实验工作是对宽禁带器件的一次全面应用探究，学术价值很高。但这种拓扑存在无源器件较大、导通损耗高、电能质量略低于电压源型拓扑的缺点。实际工程中使用较少，对于1200V的SiC Mosfet器件，这种拓扑没有利用到耐压值高的优势，反而深受额定电流低的限制，并且并联研究较少。1.4. 三电平双向隔离型金科教授在绿色数据中心供电系统中中建议，为了提高单个拓扑的效率和功率等级，并且为了兼容新能源并网需求，无论PFC整流还是后端的DC/DC变换器，都应该

27、采用三电平的结构。图2. 6三电平双向隔离型整流相应的报道文献指出采用合适的控制方法后，这种拓扑能在两个方向取得很高的效率和可靠性。但这种拓扑只适合用在大功率等级的UPS中，对于模块化整流器，单个模块采用这种拓扑器件数过多，控制过于复杂，驱动板以及器件的散热将会对系统体积做出不良贡献，无法最大化拓扑优势。2. 拓扑方案选择对比分析以上方案以及其他可能的拓扑后，现提出一种适合于国内工程实用的通信用高压直流供电系统的方案。2.1. 关于母线电压虽然380V直流母线电压被世界各国认为是最合适的电压等级，但鉴于目前市场现状和应用场景，兼容性更好的240V电压更加适合。虽然仅仅是作为过渡电压，但应用经验

28、和拓扑均能在未来380V应用中得到很好的传承。国内目前在广泛讨论的天蝎供电机柜也需要240V直流系统积累经验。2.2. 关于整流拓扑和器件选择模块化UPS是数据中心供电系统公认的趋势，其具体优势不再赘述。为了提高模块化HVDC整流器的运行效率和功率密度，510kW一个模块是一个比较合适的选择，在这个功率下，目前Cree公司提供的1200V耐压的SiC Mosfet器件可以得到应用。得益于SiC器件优异的导通和开关特性，高频、高功率模块将成为可能。模块效率提升之余，无源器件尺寸减小，因而系统发热得到很大的控制，进一步提高数据中心效率。若要进一步提高效率，可以采用多个器件并联的结构降低导通损耗。整

29、流拓扑方面，鉴于高阻抗接地方式已逐渐成为标准，隔离型的拓扑必不可少。前端整流经第二章讨论可以认为：三相Boost型隔离整流是比较适合目前SiC器件高耐压低电流的特性的拓扑。拓扑如图2. 2所示，同样分为PFC整流和隔离型DC/DC两个部分。其中PFC整流输入三相220Vac市电，输出约为800V直流。这种拓扑应用时间长，其并联、电压电流调控、三相不平衡工况控制等关键技术都较为成熟，适合用来探究SiC新型器件的性能表现。通过隔离型DC/DC，将800V直流变换成240V直流母线输出，母线可以直接挂载电池作为后备电源，也可以通过一级充放电DC/DC变换器实现更加稳定的母线和充放电电压。通过研究一种

30、通用的、高功率密度的DC/DC变换器可以将拓扑和SiC器件用在高压直流供电系统所有需要相关变换的地方，研究其并联、冗余、软开关、高频变压器等关键技术有利于新器件的发展以及HVDC应用经验积累。三. 接地问题国内通信用240V多用悬浮接地，这是因为电压等级较低，通过合适的绝缘手段可以将人员接触和设备安全隐患降到最低。标准文件通信用240V直流供电系统标准YD/T 23782011也明确指出，系统采用悬浮方式供电。系统交流输入与直流输出电气隔离、输出与地隔离、具备绝缘监察功能。国外采用380V电压，对隔离和绝缘提出了新的挑战。图2. 7现有的主要接地方式：星型和网格型经过多年的应用实验，日本NTT

31、在分析了现有交流两种接地方式后认为：对于高压直流系统，采用高阻抗中点接地的方案适应目前主流建筑接地方案，对比电池中点接地方案，不存在单点故障点，接地可靠性更高8。文献还具体分析了电击伤害的机理，包括心室纤颤、烧伤以及二次伤害（如电晕坠落）。其中心室纤颤死亡率最高，当电流流过心脏时，导致心室颤动，干扰了正常搏动，影响血液循环最终致死。详细分析了电流通路，电流大小以及交直流电流对电击伤害的影响，指出采用高阻抗中点接地能有效地降低触电致死的风险。图2. 8直接中点接地图2. 9高阻抗中点接地经过合适的接地方案，设备的接触电压降为±200V，对人员的伤害被认为是交流220Vac的40%左右【

32、300】。这是因为人体体内回路大致含有电容，对于50Hz的交流电而言，容性阻抗（5nF）大致相当于本身电阻(几十万欧姆)，因此人体对交流的抵抗能力只有直流的一半左右。参考文献1A. Pratt, P. Kumar, and T. V. Aldridge, "Evaluation of 400V DC distribution in telco and data centers to improve energy efficiency," in Telecommunications Energy Conference, 2007. INTELEC 2007. 29th Int

33、ernational, 2007, pp. 32-39.2A. Fukui, T. Takeda, K. Hirose, and M. Yamasaki, "HVDC power distribution systems for telecom sites and data centers," in Power Electronics Conference (IPEC), 2010 International, 2010, pp. 874-880.3M. Noritake, T. Ushirokawa, K. Hirose, and M. Mino, "Verification of 380 Vdc distribution system availability base