HVDC和UPS在通信中的應用

摘要： 文章通過(guò)對傳統UPS( Uninterruptible Power Supply，不間斷電源) 供電模式與HVDC( high-voltage direct current，高壓直流) 模式的對比分析，指出采用HVDC 供電可以有效地改善機房供電質(zhì)量，并以低投資、高可靠性、低運營(yíng)成本等優(yōu)勢逐步成為運營(yíng)商機房一種新的供電模式。

　　隨著(zhù)通信機房UPS 供電系統的安全運行越來(lái)越受到業(yè)內人士的重視，同時(shí)也是維護人員最為擔心的重要環(huán)節。通信行業(yè)數據機房一般采用UPS 電源系統供電。部分通信運營(yíng)商開(kāi)始探索和分析通信設備采用HVDC 供電的可行性，并取得階段性成果。HVDC 供電系統以低投資、高可靠性、低運營(yíng)成本等優(yōu)勢逐步成為通信運營(yíng)商機房一種新的供電模式。本文就通信運營(yíng)商機房采用HVDC 供電系統做了一些探討分析。

　　1 UPS 供電系統和-48 Vdc 系統存在的缺陷

　　1. 1 UPS 供電結構逆變器可靠性低

　　UPS 供電系統如圖1 所示，其可靠性模型見(jiàn)圖2。

　　眾所周知，DC /AC 是UPS 中成本最高、可靠性最低的環(huán)節。根據當前設備可靠性水平，電池的可靠性Rb =0. 99，而UPS 中DC /AC 的可靠性Ri = 0. 90，靜態(tài)開(kāi)關(guān)STS 的可靠性Rs = 0. 99，根據圖2 可計算出UPS 備用能源的供電可靠性：

　　R = RbRiRs = 0. 99 × 0. 90 × 0. 99 = 0. 88

　　可見(jiàn)，UPS 備用能源在系統中的可靠性比電池本來(lái)具備的可靠性降低了很多。

　　圖1 UPS 供電系統圖

　　圖2 UPS 備用能源可靠性模型

　　1. 2 UPS 系統整體利用率低

　　UPS 冗余系統的每一路輸入配電都有可能是主用，其中任何一臺UPS 都必須能夠帶起全部負荷。雙機冗余UPS 系統負荷率 35 %。UPS 輸出三相不平衡，直接導致UPS 降容使用，存在單機利用率低的缺點(diǎn)。

　　UPS 輸入配電除主路外，其它輸入配電處于空載待用，使用效率很低，機房前期建設投入大和負荷規劃浪費，而且后期系統擴容難度大。

　　UPS 帶來(lái)供電系統諧波分量增加，導致變壓器利用率下降、柴油發(fā)電機支撐能力削弱，影響到整個(gè)供電系統的安全性、利用率。

　　并聯(lián)UPS 之間不可能消除環(huán)流問(wèn)題，還增加了UPS 的無(wú)功損耗，降低了系統的可靠性。

　　1. 3 UPS 應急保障和可維護性差

　　UPS 在線(xiàn)維修復雜、在線(xiàn)擴容困難、割接難度大，不同設備型號、不同系統間無(wú)法實(shí)現互為冗余，逆變、濾波電容等關(guān)鍵器件更換困難。

　　若UPS 逆變器發(fā)生故障，系統將轉向旁路供電，但對于某些通信負載，低質(zhì)量的市電可能對設備的安全運行帶來(lái)嚴重故障隱患，而且后備蓄電池組被隔離開(kāi)，起不到保護作用。

　　1. 4 -48 Vdc 系統無(wú)法滿(mǎn)足大功耗通信機房要求

　　近年來(lái)由于數據通信的發(fā)展非常迅速，機房耗電量越來(lái)越大，目前單機架功耗增加很快，某通信機房實(shí)測單機架功耗達9 ～ 12 kW/架，有些單機架高達31kW 左右! 如果仍然采用- 48 Vdc，由于供電電壓低，與高壓240 Vdc( 中國通信標準化協(xié)會(huì )《通信用240 V直流供電系統技術(shù)要求》將240 V 確定為通信行業(yè)高壓直流供電系統的標稱(chēng)電壓值) 相比，根據P = IU，同樣的功率，其電流是240 Vdc 的240 /48 = 5 倍。

　　對于同樣功率大小，電壓低時(shí)，電流增大。而對于電纜損耗P = I2R，同樣的電纜( 電纜線(xiàn)阻一樣) ，線(xiàn)損與電流的平方成正比。為了達到同樣的損耗水平，則需要大幅度增粗電纜線(xiàn)徑。例如，100 kW 的功耗，當用48 Vdc 時(shí)，電流I1 = 100 kW/48 = 2 083 A，當采用240 Vdc 時(shí)，電流則為：

　　I2 = 100 kW/240 = 416. 6 A

　　粗電纜，成本增加; 大電流，意味著(zhù)發(fā)熱量大，發(fā)熱量大意味著(zhù)需要更多的空調來(lái)制冷。

　　2 HVDC 替代UPS 的可行性分析

　　2. 1 HVDC 取代傳統UPS 的優(yōu)勢

　　傳統UPS 供電原理圖如圖3 所示。HVDC 供電原理圖如圖4 所示，比傳統的UPS 少一個(gè)DC /AC 逆變器及服務(wù)器機架內部的AC /DC 整流器，這樣大大提高了供電系統的效率，從而降低供電系統的發(fā)熱損耗，發(fā)熱損耗的降低也減少了空調的配置。通過(guò)HVDC 供電方式的應用可以比采用UPS 供電節約電能10 % ～20 %。

　　圖3 傳統UPS 供電原理圖

　　圖4 HVDC 供電原理圖