HVDC和UPS供电系统在通信行业中的应用与分析-设计应用

精品文档-下载后可编辑HVDC和UPS供电系统在通信行业中的应用与分析-设计应用摘要：文章通过对传统UPS（UninterruptiblePowerSupply，不间断电源）供电模式与HVDC（high-voltagedirectcurrent，高压直流）模式的对比分析，指出采用HVDC供电可以有效地改善机房供电质量，并以低投资、高可靠性、低运营成本等优势逐步成为运营商机房一种新的供电模式。

随着我国通信行业的高速发展，数据业务的快速增加，通信机房UPS供电系统的安全运行越来越受到业内人士的重视，同时也是维护人员为担心的重要环节。通信行业数据机房一般采用UPS电源系统供电，传统UPS供电模式的可靠性、安全性及高能耗等方面问题越来越凸显。部分通信运营商开始探索和分析通信设备采用HVDC供电的可行性，并取得阶段性成果。HVDC供电系统以低投资、高可靠性、低运营成本等优势逐步成为通信运营商机房一种新的供电模式。本文就通信运营商机房采用HVDC供电系统做了一些探讨分析。

1UPS供电系统和－48Vdc系统存在的缺陷

1.1UPS供电结构逆变器可靠性低

UPS供电系统如图1所示，其可靠性模型见图2。

众所周知，DC/AC是UPS中成本、可靠性的环节。根据当前设备可靠性水平，电池的可靠性Rb=0.99，而UPS中DC/AC的可靠性Ri=0.90，静态开关STS的可靠性Rs=0.99，根据图2可计算出UPS备用能源的供电可靠性：

R=RbRiRs=0．99×0．90×0．99=0．88

可见，UPS备用能源在系统中的可靠性比电池本来具备的可靠性降低了很多。

图1UPS供电系统图

图2UPS备用能源可靠性模型

1.2UPS系统整体利用率低

UPS冗余系统的每一路输入配电都有可能是主用，其中任何一台UPS都必须能够带起全部负荷。双机冗余UPS系统负荷率＜35%。UPS输出三相不平衡，直接导致UPS降容使用，存在单机利用率低的缺点。

UPS输入配电除主路外，其它输入配电处于空载待用，使用效率很低，机房前期建设投入大和负荷规划浪费，而且后期系统扩容难度大。

UPS带来供电系统谐波分量增加，导致变压器利用率下降、柴油发电机支撑能力削弱，影响到整个供电系统的安全性、利用率。

并联UPS之间不可能消除环流问题，还增加了UPS的无功损耗，降低了系统的可靠性。

1.3UPS应急保障和可维护性差

UPS在线维修复杂、在线扩容困难、割接难度大，不同设备型号、不同系统间无法实现互为冗余，逆变、滤波电容等关键器件更换困难。

若UPS逆变器发生故障，系统将转向旁路供电，但对于某些通信负载，低质量的市电可能对设备的安全运行带来严重故障隐患，而且后备蓄电池组被隔离开，起不到保护作用。

1.4－48Vdc系统无法满足大功耗通信机房要求

近年来由于数据通信的发展非常迅速，机房耗电量越来越大，目前单机架功耗增加很快，某通信机房实测单机架功耗达9～12kW/架，有些单机架高达31kW左右！如果仍然采用－48Vdc，由于供电电压低，与高压240Vdc（中国通信标准化协会《通信用240V直流供电系统技术要求》将240V确定为通信行业高压直流供电系统的标称电压值）相比，根据P=IU，同样的功率，其电流是240Vdc的240/48=5倍。

对于同样功率大小，电压低时，电流增大。而对于电缆损耗P=I2R，同样的电缆（电缆线阻一样），线损与电流的平方成正比。为了达到同样的损耗水平，则需要大幅度增粗电缆线径。例如，100kW的功耗，当用48Vdc时，电流I1=100kW/48=2083A，当采用240Vdc时，电流则为：

I2=100kW/240=416．6A

粗电缆，成本增加；大电流，意味着发热量大，发热量大意味着需要更多的空调来制冷。

2HVDC替代UPS的可行性分析

2.1HVDC取代传统UPS的优势

传统UPS供电原理图如图3所示。HVDC供电原理图如图4所示，比传统的UPS少一个DC/AC逆变器及服务器机架内部的AC/DC整流器，这样大大提高了供电系统的效率，从而降低供电系统的发热损耗，发热损耗的降低也减少了空调的配置。通过HVDC供电方式的应用可以比采用UPS供电节约电能10%～20%。

图3传统UPS供电原理图

图4HVDC供电原理图

2.2投资建设成本分析

由表1可见，投资建设100kW系统：应用HVDC电源系统比传统型UPS低66%。

表1传统UPS和HVDC电源建设投资成本分析对比

2.3占用机房面积分析

由表2可见，100kW电源系统占用机房面积：HVDC电源比传统UPS少24.22%。

表2传统型UPS和HVDC电源占用机房面积对比

2.4运营成本分析

由表3可见，100kW系统运营成本：HVDC电源系统比传统UPS低16.22%，年节省26.91万元。

表3传统型UPS和HVDC电源运营成本分析对比

2.5节能分析

当前，节能减排的观念已经深入人心。而因为高压直流供电系统所具有的高效率，其在节能方面也会得到普遍认可。以一个10kW的数据设备为例，可以通过以下两组数据说明这一点。

（1）传统UPS供电系统

数据设备功耗：10kW;

数据设备整流损耗（75%效率）:3.33kW;

UPS损耗（85%效率）:2.35kW;

UPS输入功耗即为15.69kW;

若空调功耗取UPS输入功耗的0.4，其空调功耗为6.27kW;

合计功耗：21.96kW;

每年能耗：192376kWh。

按0.8元/度计算电费，每年需153901元人民币的电费。

（2）HVDC供电系统

数据设备功耗：10kW;

数据设备变换损耗（88%效率）:1.36kW;

高压开关整流设备损耗（93%效率）:0.86kW;

高压直流供电系统输入功耗：12.22kW;

若空调功耗取高压直流供电系统输入功耗的0.4，

其空调功耗为4.89kW;

合计功耗：17.11kW;

每年能耗：149853kWh。

按0.8元/度计算电费，每年需119882元人民币的电费。

从以上数据可以看出，每10kW的数据设备采用高压直流供电系统每年节约的电费约34018元人民币。

所以说，HVDC供电系统是值得期待的一种节能供电方式。

3HVDC与传统UPS供电方案优缺点比较

HVDC与传统UPS供电方案的优缺点比较见表4。

表4HVDC与传统UPS优劣比