高压直流供电技术原理及应用Word格式.docx
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国际电信能源会议的组织者很关心这项工作,经常发布各国的论文,如1999年日本提出《290V直流供电系统是电信和数据高效和可靠的供电系统》;
法国电信和阿尔卡持公司相继于1999年提出《供电给新的电信网络和服务用的新的供电系统》,2000年又发表了《用于电信和数据融合的整流型AC供
电的新方法》,2007年发表了美国《在电信和数据中心改进能源效率的400V直流供电系统的评估》和瑞典《在Gnesta市数据中心运行一年的9kWHVDCUPS供电系统》等论文。
2009年之后,北美、欧洲、H本逐步加大300~400VDC供电方案的实验和商业试点,我国国内逐步加大240VDC和
336VDC供电方案的试点和商业化。
2
高压直流供电技术原理
(1)传统的交流UPS供电方式
传统的交流UPS结构包括一套将交流市电变为直流电的整流/充电装置和一套将直流电再度转变为交流电的逆变器,蓄电池在交流电正常供电时储存能量,此时它一直维持在一个正常的充电电压上。
一但市电供电中断,蓄电池立即对逆变器供电以保证UPS交流输出供电的连续性。
当蓄电池放电至终了电压时,自动通过静态开关转旁路电源
(另一路市电或发电机)供电。
在服务器设备侧,又进行二次变换,将UPS提供的交流电先整流成直流电,然后再将直流变换成12V、5V或3.3V等低压直流给服务器使用。
期匼
2014年12月
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UPS-服务器电源的供电方式如图1所示。
(2)高压直流供电原理
与传统48V供电系统类似,高压直流供电系统是由多个并联冗余整流器和蓄电池组成的。
在正常情况下,整流器将市电交流电源变换为270V、
350V或420V等直流电源,供给IT设备,同时给蓄电
池充电。
IT设备需要的其它电压等级的直流电源,采用DC/DC变换器得到。
市电停电时,由蓄电池放电为IT设备供电;
长时间市电停电时,由备用发电机组替代市电,提供交流输入电源。
高压直流供电系统工作原理图如图2所示。
高压直流供电系统和UPS供电系统原理的对比如图3所示。
(3)高压直流供电系统组成
目前常见的240V高压直流系统主要由交流屏、整流屏、直流屏组成,交流屏负责接入双路交流供电,一般用一个屏3电源屏即整流屏,一般采用
1-2个,直流屏按机房设计保留三级配电模式,即直流屏1分配屏、列头柜等。
图4为容量150A的高压直流配电屏
(4)高压直流(HVDC)供电系统方案
数据机房高压直流供电系统一般采用模块化设计,每个模块额定容量一般为10-20A,一套整流柜容量150-600A,原则上,一般设计按35-lOOkVA功率向一组服务器柜供电,整个机房参考基本组配置若干个供电系统组,形成供电组群,完成全机房供电。
由于高压直流供电系统的最大输出功率约为120kW,较之大型UPS系统每套系统数百于瓦的容量,高压直流系统显然属于小系统,其部署将更加灵活,供电体制既可集中供电,又可分散供电,但从节约资源和投资出发,还是宜采用分散供电。
HVDC系统的一般应用模式如图5所示。
供电系统方案可选用单系统单路供电方案、
UPS
图1 UPS-服务器电源的供电方式
IAC/DC整流器1
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IAC/DC整流器1
IAC/DC整流器1
240V蓄电池
12Vx20只
二一负一载--』
广 7
交流多回路供电系统,低压配电系统
图2 高压直流供电系统工作原理图
豆型生组
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图3 高压直流供电系统(b)和UPS供电系统(a)原理的对比
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单系统双路供电方案、双系统双路供电方案等。
图6和图7分别给出了HVDC单系统双路供电方案和HVDC双系统双路供电方案。
且
目前业界以腾讯为首等互联网公司提出市电与240V高压直流供电架构,即采用一路UPS市电、一路高压直流供电的模式,进一步改变传统UPS等靠硬件多重冗余来保障可靠性的高投入低能效模式,如图8所示。
对于目前大多数的双电源服务器,可以采用如图8所示的采用一路市电直供,另外一路来自240V高压直流的供电架构。
服务器电源内部自动均流,
市电和240V高压直流各承担一半负载。
由于市电
图4 容量150A的高压直流配电屏
@心四II以及配什
图5 HVDC系统的一般应用模式
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双路服务器
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+
电池组 整流极块 总输出屏 列头柜 设备机架
图6 HVDC单系统双路供电方案
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设备机应 列头朴,
图7HVDC双系统双路供电方案
直供支路可以达到近100%的供电效率,而240V高压直流供电具有的节能休眠控制策略,可使其效率在全负载范围内达到94%-96%,这样均分负载情况下的综合供电效率高达97%-98%,比传统的
UPS供电架构效率高出很多,在保证2N供电可靠基
困巠
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础上还实现了准市电直供技术的高效率。
3
高压直流供电优点
高压直流电源比交流UPS结构简单、建设成本低、运行可靠性高、操作维修方便。
最突出的
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三二
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图8 腾讯供电系统模式
优点是既安全又节能,在当今全球能源紧张的清况下,高压直流电源代替UPS,将给大规模使用IT设备的行业产生较大的经济效益和社会效益。
(1)可靠性
直流电源模块化输出和电池直接并联给负载供电,后备电池与电源后段并联给服务器构成2路冗余供电,可靠性高,真正不间断;
如果UPS后备电池只是与电源前段并联给DC/DC供电,整个系统供电对数据设备不是冗余供电模式。
在某种原因下,如逆变器故障、UPS系统崩溃,电池不能直接应用,导致后端设备断电。
而采用直流供电,可杜绝系统崩溃带来的断电风险。
(2)可操作、维护性
高压直流系统模块并机容易,并且可以做成系统解决方案,做到安全不间断割接,功率部分采用模块化,支持带电热插拔,可快速更换,功率部分和监控功能模块CSU之间正常工作是监控单元CSU控制,故障时各自独立控制,避免故障扩散。
更换模块和监控单元CSU是互不影响的,便于维护;
而
UPS一般是一体化,并机相对难度大,并机数量有限,不间断割接困难,维护也相对困难。
(3)高效节能
对于高压直流电源系统而言,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待在较高的水平,从而使系统的转换效率保持在较高的水平。
同时由于省掉了逆变部分,直流开关系统经过2次变流,UPS系统经过4次变流,高压直流电源系统电源效率更高,这样可大大节省能源,降低运营成本。
(4)电池智能化管理
直流高压开关电源系统与传统48V直流电源系统一样,可以很方便的对电池进行全面的智能化管理,具有完备的电池管理系统,能有效延长电池的使用寿命,降低运营成本,提高供电的可靠性心PS电池管理简单、不全面,同时电池容量损失速度也很快。
(5)降低谐波干扰
对于计算机和服务器来说,采用直流输入,不再存在相位和频率的问题,多机并联变得简单易
行,无谐波干扰,而UPS存在负载功率因数问题,一般在0.6-0.9。
(6)安全性
直流高压电源系统是标准电气柜,安全性高,
期巨司
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并且对分路输出和母线的绝缘状况实时监控,对人身伤害预警大大提高;
UPS非标一体柜,安全性低。
(7)性价比
同样容昼的系统,UPS系统一般采用2N冗余结构,高压直流电源系统由于采用N+l或N+X冗余并联模式,投资低,性价比高;
UPS性价比低。
4高压直流电源系统应用情况
由千服务器电源是将UPS提供的交流电源先要整流成直流电,然后再将直流再变换成12V、5V或3.3V等低压直流给服务器使用,而全桥二极管整流电路对直流电可以直接输入,只要直流电压能够达到220V以上就可以使用,因此只要在交流输入端使用合适范围的高压直流,IT设备的开关电源是可以正常工作的,绝大多数的IT设备不用任何改造,可直接由240V高压直流直接供电,见图9。
此外240V高压直流技术具有高效率、智能节能休眠、高可靠性、热插拔易维护等特性,这些优点大大普及了240V高压直流技术在国内的开发应用。
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。
国内业界己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,即选用240V电压等级。
工信部已发布《通信用240V直流供电系统技术要求YDB037-2009》标准,高压直流供电已在部分电信、移动运营商数据中心机房有所应用。
作者简介
李崇辉,工商银行数据中心(北京)资深经理,高级工程师,工行机房管理团队专家组组长,参加过多个机房建设方案设计、实施方案评审、现场技术支持、事故分析等工作。
主编“工行机房建设技术规范和环境设施维护规范",荻得"
2007年度中国银行业朴技发展奖”二等奖。
发表过30余岛技术文章。
本刊编委。
220VAC
八
I
12V
5V
3.3V
服务器等效电路图
』』
直流直接供电,服务器不需要做任何改动
通常蔓流桥后为PFC电路.输人电压范围很宽,
200Vdc以上都能正常工作.
』
服务器等效电路图
270Vdc
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西亚
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图9 IT设备可直接由240V高压直流直接供电
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