1、 HVDC供電技術(shù)及其應(yīng)用前景分析【摘要】hvdc(高壓直流)相比ups電源具有巨大的優(yōu)勢(shì)，其與ups 電源相比，具有高可靠性、高負(fù)載率及便于操作性等優(yōu)點(diǎn)，在解決了后端設(shè)備的高壓供電標(biāo)準(zhǔn)化后，hvdc供電技術(shù)將會(huì)大規(guī)模商用?！娟P(guān)鍵字】hvdc；技術(shù)；前景近年來，隨著通信技術(shù)的ip化，idc機(jī)房不斷擴(kuò)大，it設(shè)備得到了大量的應(yīng)用，作為其主要供電方式的ups電源也在通信機(jī)房中大量應(yīng)用。但ups固有的特點(diǎn)，決定了其具有可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低、輸入電流諧波大等一系列缺點(diǎn)，大型ups系統(tǒng)故障造成的通信阻斷頻繁發(fā)生，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。在此背景下，采用hvdc替代ups供電的呼聲越來越高，部分省市

2、運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在小規(guī)模商用試點(diǎn)，主流設(shè)備廠家已經(jīng)在推出hvdc供電電源。1 hvdc供電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)hvdc就是直流采用高壓直流電源（區(qū)別于常用的-48v）直接對(duì)采用220v交流輸入電源的設(shè)備供電，采用該技術(shù)后，電源系統(tǒng)將具有直流電源系統(tǒng)本身的天然優(yōu)點(diǎn)，如下所述。1.1 技術(shù)方面1.1.1 可靠性大幅提升hvdc供電技術(shù)引入的主要目的就在于提升系統(tǒng)的安全性。ups系統(tǒng)本身僅并聯(lián)主機(jī)具有冗余備份，系統(tǒng)組件之間更多地是串聯(lián)關(guān)系，其可用性是各部分組件可靠性的連乘結(jié)果，總體可靠性低于單個(gè)組件的可靠性。反觀直流系統(tǒng)，系統(tǒng)的并聯(lián)整流模塊、蓄電池組均構(gòu)成了冗余關(guān)系，不可靠性是各組件連乘結(jié)果，總體可靠性高于單個(gè)組件

3、的可靠性。理論計(jì)算和運(yùn)行實(shí)踐都表明，直流系統(tǒng)的可靠性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ups系統(tǒng)，一個(gè)例證就是大型直流系統(tǒng)癱瘓的事故基本沒有。1.1.2 大大節(jié)約能耗目前大量使用的ups主機(jī)均為在線雙變換型，在負(fù)載率大于50時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率與開關(guān)電源相近。但一個(gè)不容忽視的現(xiàn)實(shí)是，為了保證ups系統(tǒng)的可靠性，ups主機(jī)均采用n1（n1、2、3）方式運(yùn)行，加之受后端負(fù)載輸入的諧波和波峰因數(shù)的影響，ups主機(jī)并不能滿足運(yùn)行，通常ups單機(jī)的設(shè)計(jì)最大穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)載率僅為3553。而受后端設(shè)備虛提功耗和業(yè)務(wù)發(fā)展的影響，很多ups系統(tǒng)通常在壽命中后期才能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)載率，甚至根本不能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)載率，ups主機(jī)單機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在很低的負(fù)載率

4、，其轉(zhuǎn)換效率通常為80多，甚至更低。對(duì)于直流電源系統(tǒng)而言，因其采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)輸出負(fù)載的大小，由監(jiān)控模塊、監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)值守人員靈活控制模塊的開機(jī)運(yùn)行數(shù)量，使整流器模塊的負(fù)載率始終保持在較高的水平，從而使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率保持在較高的水平。1.1.3 輸入?yún)?shù)大大改善現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，目前常用的12脈沖在線雙變換型ups主機(jī)，加裝11次濾波器后，其輸入功率因數(shù)通常在0.80.9，最大僅為0.95，輸入電流諧波含量通常在7.5左右。與此對(duì)應(yīng)，由于pfc電路的應(yīng)用，額定工況下，開關(guān)整流器模塊的輸入功率因數(shù)通常都在0.99以上，輸入電流諧波含量通常在5以下。輸入?yún)?shù)的改善的直接效果是，前端設(shè)備的容量可

5、以大大降低，前端低壓配電柜可以不再配置電抗器，從而也可以降低補(bǔ)償電容的耐壓要求。1.1.4 帶載能力大大提高ups系統(tǒng)帶載能力受兩個(gè)因素的制約，一是負(fù)載的功率因數(shù)，以國(guó)內(nèi)某大型ups廠商的某型主機(jī)為例，在輸出功率因數(shù)為0.5（容性）時(shí)，其最大允許負(fù)載率僅為50；二是負(fù)載的電流峰值系數(shù)，通常ups主機(jī)的設(shè)計(jì)波峰因數(shù)為3，如果負(fù)載的電流峰值系數(shù)大于3，則ups主機(jī)將降容使用。對(duì)于直流系統(tǒng)而言，不存在功率因數(shù)的問題。因其并聯(lián)了內(nèi)阻極低的大容量蓄電池組，加之整流器模塊有大量的富余（充電和備用），其負(fù)載高電流峰值系數(shù)的負(fù)荷能力很強(qiáng)，不需專門考慮安全富余容量。1.1.5 割接改造更為方便對(duì)于采用ups供電

6、的設(shè)備來說，除非其采用雙電源（或四電源、六電源），或?qū)ｉT配置有sts設(shè)備，否則通常只能采用停電方式割接。對(duì)于重要系統(tǒng)來說，這是難以忍受的，更為麻煩的是，一些沒有廠家支撐的老型設(shè)備，很有可能在停機(jī)不能重啟的現(xiàn)象。直流電源只要做到輸出電壓和極性相同即可連接到一起，從而實(shí)現(xiàn)不停電割接，而這是非常容易做到的。1.2 建設(shè)投資電源系統(tǒng)投資包括ups電源（hvdc）、前端電源（市電、油機(jī)）、機(jī)房三個(gè)部分。以某運(yùn)營(yíng)商最近完工的一個(gè)機(jī)房為例進(jìn)行對(duì)比分析，該機(jī)房同層布置4套400kva 1+1 ups系統(tǒng)，采用hvdc供電，需5×4套50kw系統(tǒng)。1.2.1 ups電源（hvdc）部分：采用ups方案

7、每套系統(tǒng)的投資大約為250萬元，采用hvdc供電時(shí)5套直流系統(tǒng)投資越160萬元。直流系統(tǒng)投資僅是ups方案的2/3，究其原因，主要是沒有ups柜，并且其僅與交流整流輸入電纜，沒有旁路回路電纜。1.2.2 前端電源部分：粗略測(cè)算，采用hvdc方案，市電和油機(jī)供電系統(tǒng)約可減少2025。1.2.3 機(jī)房：采用ups方案和hvdc供電方案，所需占用的機(jī)房面積基本相同，但是采用hvdc供電方案時(shí)，開關(guān)電源安裝區(qū)域機(jī)房荷載要求大大低于ups機(jī)房，粗略測(cè)算，機(jī)房土建成本約降低10左右。對(duì)以上投資加權(quán)后，采用hvdc供電方案總投資降低約30。需要說明的是，采用hvdc供電方案，不僅電源系統(tǒng)可分期建設(shè)，系統(tǒng)的電

8、源模塊也可根據(jù)需要分期建設(shè)，考慮投資折現(xiàn)率后，hvdc供電方案的投資節(jié)約率將更加明顯。1.3 運(yùn)維成本運(yùn)維成本主要包括電費(fèi)成本和維修成本，由于轉(zhuǎn)換效率的提高，hvdc供電將大大節(jié)約電費(fèi)成本。在維修成本方面，hvdc供電采用的整流模塊化結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)替換非常方便，模塊除廠家外，一些通信支撐企業(yè)也可維修，維修價(jià)格在一定程度上可由市場(chǎng)決定。2 hvdc技術(shù)應(yīng)用前景分析雖然hvdc供電技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但電源技術(shù)的大規(guī)模商用是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到后端用電設(shè)備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)鏈保障等方面，只有這些方面同時(shí)具有可行性，hvdc供電技術(shù)才可能得以大規(guī)模應(yīng)用。2.1 hvdc技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀目前對(duì)hvdc供電的應(yīng)用，

9、總體情況是電信運(yùn)營(yíng)商非常熱心，熱切希望大規(guī)模hvdc供電，與電源系統(tǒng)廠商一起進(jìn)行了大量了理論研究，國(guó)內(nèi)業(yè)界已就包括hvdc供電電壓、接地方式等關(guān)鍵問題達(dá)成了共識(shí)，hvdc供電已在部分本地網(wǎng)進(jìn)行了試點(diǎn)。與之形成鮮明對(duì)比的是，到目前為止，后端it設(shè)備還沒有針對(duì)hvdc供電的電源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有大型it廠商宣布支持后端設(shè)備hvdc供電。hvdc供電有多種電壓可供選擇，因?yàn)槿狈蠖嗽O(shè)備廠商的響應(yīng)，國(guó)內(nèi)hvdc供電的思路均是基于不對(duì)后端用電設(shè)備進(jìn)行改造，供電電壓的選擇就必須保證在電源系統(tǒng)各種運(yùn)行模式下，后端設(shè)備均可正常工作，目前國(guó)內(nèi)業(yè)界對(duì)hvdc供電的標(biāo)稱電壓已達(dá)成共識(shí)，即選用240v電壓等級(jí)。2.2

10、制約hvdc技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要因素2.2.1 后端設(shè)備的適應(yīng)性從目前運(yùn)營(yíng)商的試點(diǎn)情況來看，盡管采用單相ups電源供電的后端設(shè)備絕大多數(shù)都支持hvdc供電，hvdc供電基本可保障后端設(shè)備的運(yùn)行。但hvdc供電畢竟不是后端設(shè)備的電源標(biāo)準(zhǔn)，采用hvdc供電實(shí)質(zhì)上是改變了設(shè)備電源的標(biāo)稱運(yùn)行環(huán)境，因而對(duì)電信運(yùn)營(yíng)商而言存在較多的風(fēng)險(xiǎn)：2.2.2 電源系統(tǒng)的定型與量產(chǎn)hvdc供電還沒有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，僅有工信部近期擬推出通信標(biāo)準(zhǔn)類技術(shù)報(bào)告通信用240v直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求，對(duì)hvdc供電技術(shù)進(jìn)行引導(dǎo)。因缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和大規(guī)模商用實(shí)踐的支撐，目前國(guó)內(nèi)電源廠商的hvdc供電產(chǎn)品設(shè)備還沒有定型，更談不上量產(chǎn)，都是

11、通過訂單定制方式生產(chǎn)。定制生產(chǎn)帶來的問題：（1）電源設(shè)備系統(tǒng)的不能做到標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)備和器件的互換性較差。（2）訂單式生產(chǎn)，廠家不能根據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)預(yù)先生產(chǎn)設(shè)備，設(shè)備交貨周期較長(zhǎng)。（3）設(shè)備的價(jià)格不能有效降低。2.2.3 配套器件hvdc供電涉及的元器件中，整流器模塊所需的功率電子器件、電容、變壓器等器件較為通用，供應(yīng)不存在任何問題，但熔斷器、斷路器等配電保護(hù)元件就較為匱乏。hvdc供電系統(tǒng)日常運(yùn)行電壓（浮充電壓）即已達(dá)到270v，普通熔斷器均為交流熔斷器，已不能支持這一電壓等級(jí)，只能選用專用的直流熔斷器，但目前直流熔熔斷器生產(chǎn)廠家很少，市面上也難以見到。2.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)如要大規(guī)模商用，hvdc電

12、源系統(tǒng)必須納入動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，開關(guān)電源系統(tǒng)的監(jiān)控與48v直流電源相同，沒有任何困難，但配套電池組目前還沒有廠家可以提供專用的240v電池組監(jiān)控單元和配套的軟件子系統(tǒng)。2.3 hvdc技術(shù)應(yīng)用的推進(jìn)制約hvdc供電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的因素也許還有很多，根本的原因還在于沒有后端設(shè)備hvdc供電的標(biāo)準(zhǔn)化。鑒于后端設(shè)備，尤其是it設(shè)備，絕大部分的應(yīng)用還在于社會(huì)的其他行業(yè)，僅僅依靠通信行業(yè)的力量難以有效推動(dòng)電源標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)的。應(yīng)該積極推動(dòng)全社會(huì)對(duì)hvdc供電的認(rèn)知，進(jìn)而產(chǎn)生體現(xiàn)國(guó)家意志的法律、政府規(guī)章和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)使用hvdc供電的it設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。在后端設(shè)備具備hvdc供電的條件，并大規(guī)模商用

13、后，電源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化將迎刃而解，市場(chǎng)這只無形的手將推動(dòng)前端電源零部件及整機(jī)廠商全力進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，現(xiàn)階段前端電源系統(tǒng)存在的種種制約將不復(fù)存在。3 hvdc供電技術(shù)應(yīng)用的影響根據(jù)通信用240v直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求和運(yùn)營(yíng)商試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)來看，hvdc系統(tǒng)是小電流系統(tǒng)，例如某運(yùn)營(yíng)商推薦每套系統(tǒng)的最大輸出功率為50kw，較之大型ups系統(tǒng)每套系統(tǒng)數(shù)百kw的容量，hvdc系統(tǒng)顯然屬于小系統(tǒng)，其部署將更加靈活，供電體制既可集中供電，又可分散供電，但從節(jié)約資源和投資出發(fā)，還是宜采用分散供電，這就對(duì)傳統(tǒng)機(jī)房電源、設(shè)備截然分開的格局形成了巨大的沖擊，在新建機(jī)房時(shí)就需按照電源、設(shè)備混合布置的需要考慮機(jī)房的荷載、走線通道、制冷量等因素，在設(shè)備的監(jiān)控