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高壓直流供電技術(HVDC)是近幾年正在研究的一種集中了UPS交流供電技術和-48V直流供電技術優點為一體的新型供電技術。高壓直流供電技術克服了傳統UPS供電系統效率低、可擴展性差、可靠性低、成本高等弊病,具有電路簡單、變換少、可靠性高、效率高、體積小、成本低等優點。
在工程建設及維護方面,336V直流供電技術具有交流UPS系統不可比擬的優勢,無論在系統可靠性、可維護性、初期投入、長期運行投入以及節能等各方面均具有優勢,因此,對于建設高可靠性、高維護性、高效節能的綠色數據中心,選擇336V直流供電技術具有重要意義。
1 高壓直流供電技術應用研究情況
有利蓄電池，文隆蓄電池， 有利電池，文隆電池，威海文隆
(1)國外高壓直流供電技術應用研究情況
目前國外高壓直流技術應用研究還處于試驗階段,有少數商用解決方案,美國、日本等國家都有一些試驗性應用研究。
Intel EC最早就對數據中心新型供電技術進行了研究與應用,法國電信和阿爾卡持公司1999年起相繼提出《供電給新的電信網絡和服務用的供電系統》,《電信和數據通信融合的整流型AC供電技術的新研究》,《新電信網絡和服務的最佳新型供電》。歐美絕大部分通信運營商采用300～400V直流電壓方案;法國電信公司、日本NTT電信公司試用380V高壓直流供電系統;美國Intel、Microsoft、Facebook等公司試用400V直流供電系統;瑞士在建第一個完全采用336V直流供電的MW級數據中心,為商用數據中心。
(2) 國內高壓直流供電技術應用研究情況
國內高壓直流技術應用已進入規模應用階段,中國電信主導的240V直流供電技術、中國移動主導的336V直流供電技術正逐步擴大使用規模。
240V直流供電技術是中國電信于2008年面向現網交流服務器提出的高壓直流供電技術,在現網已應用了上百套,取得了一定成果。
336V直流供電技術是中國移動于2009年面向未來提出的全新的供電技術,這與國際上發布的《ETSIEN300132-3-1(2012.4)》和《ITU-TL.1200(2012.5)》等標準定義的380V運行電壓是一致的,具有國際先進水平。
336V直流供電技術于2009年在廣東移動進行試點應用及測試,2012年在中國移動新型數據中心哈爾濱試點工程中進行首次落地應用,2013年廣東移動在三水數據中心進行規模應用,2014年開始在中國移動呼、哈等數據中心規模推廣應用。
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(3) 336V直流供電技術標準制定情況
① 國際標準
?《400VDC供電系統接口規范》(ITU-TL.1200);
?《高達400VDC供電系統的架構》(ITU-TL.1201);
?《400VDC供電系統性能及其環境影響評測方法》(ITU-TL.1202);
?《ICT系統高達400VDC配電的顏色和標記標識》(ITU-TL.1203)。
②中國國家標準
《通信高壓直流電源系統工程設計規范》(報批稿)。
③ 中國通信行業標準
?《通信用336V整流器》(YD/T3088-2016);
?《通信用336V直流供電系統》(YD/T3089-2016);
?《通信用240V/336V直流供電系統運行后評估要求與方法》(YD/T3091-2016);
?《基于240V/336V直流供電的通信設備電源輸入接口技術要求與試驗方法》(YD/T2656-2013);
?《通信用240V/336V輸入直流-直流電源模塊》(報批稿)。
④ 中國移動企業標準
?《336V開關型整流器》(QB-H-007-2012);
?《336V直流電源系統》(QB-H-008-2012);
?《336V供電服務器電源模塊技術規范》(QB-H-010-2012);
?《通信用336V直流供電系統工程設計規范》(QB-J-015-2012)。
2 電壓等級的確定
336V直流供電電壓等級主要從系統效率、元器件耐壓、配電設備電壓等級、配電線路的金屬消耗和與蓄電池匹配等幾方面考慮確定的。
(1) 系統效率
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直流母線的供電電壓越高,系統效率越高,節能效果越明顯。
目前,ICT設備的電源模塊(PSU)普遍配置PFC,如圖1所示。PFC一般需要將電壓提升到400V左右,如ICT設備采用接近400VDC的電壓輸入,PFC可以不需要升壓電路或者升壓電路不需要長時間工作,可以提升系統的可靠性和效率。
(2) 元器件的耐壓
大部份電子元器件(Caps,MOSFET等)耐壓為450～500VDC,此耐壓范圍的元器件產品成熟且價格低廉。考慮故障排除和啟動時的電壓脈沖峰值,高壓直流供電系統工作電壓不宜超過400V。
(3) 配電設備的電壓等級
① 現有斷路器產品在直流回路中的額定工作電壓一般為500V。
② 電力電纜的絕緣電壓為690V/1000V,電纜對地絕緣電壓為690V,電纜之間絕緣電壓1000V。
從斷路器和電力電纜耐壓情況看,高壓直流供電系統工作電壓不超過500V時,配電設備均可以支持。
(4) 配電線路的金屬消耗
提高工作電壓可以降低系統的工作電流,減少線路的損耗,減少配電線路的金屬損耗。
高壓直流供電系統工作電壓400V與240V相比,電流降低66%,可以減少有色金屬消耗約60%,同時可以降低配電開關容量和配電設備容量。從配電線路的金屬消耗來考慮,直流供電系統工作電壓越高越好。
(5) 與蓄電池的匹配
目前,普遍應用的蓄電池為鉛酸蓄電池,單只電壓為2V、6V或12V。蓄電池作為后備電源,在高壓直流供電系統故障、維護或停電時,為系統提供不間斷電源。因而,高壓直流供電系統的電壓應與蓄電池組電壓相匹配,高壓直流供電系統的標稱電壓應為2V、6V或12V的整數倍。
通過上述幾方面的分析,高壓直流供電系統的電壓設置越高越有利,但是工作電壓不宜超過400V。因此中國移動于2009年選擇336V電壓等級的直流供電技術進行試點應用,336V直流供電系統的電壓設置應為:
標稱電壓:336V;
浮充電壓:374.64～381.36V(2.23～2.27V/cell);
最高均充電壓：386.40～394.80V(2.30～2.35V/cell);
蓄電池只數:2V電池168只串聯或12V電池28只串聯。
2012年國際電信聯盟發布的《400V直流供電系統接口規范》(ITU-TL.1200)中明確了ICT設備高壓直流供電電壓范圍為260～400V,與中國移動選擇的336V直流供電系統的運行電壓完全匹配。
3 336V直流供電技術的特點
336V直流供電系統克服了傳統UPS交流供電系統的效率低、可擴展性差、可靠性低、成本高等弊病,具有電路結構簡單、變換少、可靠性高、效率高、體積小、成本低等優點,其與傳統UPS供電系統結構對比如圖2所示。
336V直流供電技術的特點:
①電路結構簡單:336V直流系統相比于傳統UPS系統,減少了DC/AC變換環節,同時由于直接輸出直流電,服務器PSU減少了AC/DC環節,取消兩級變換簡化了電路結構。
②可靠性高:簡單的電路結構提高了系統可靠性,系統可用度高達10個9,與2N雙總線UPS交流供電系統相比,系統可用度提高了3個9,而且由于電池直接連接在輸出母線上,提高了電池供電時的可靠性。
③運行效率高:與48V直流電源相比,基礎電壓提高了7倍,減少了線路損耗;與240V直流電源相比,系統效率提高約6%(包含ICT設備內部PSU效率);與傳統UPS交流電源相比,系統效率提高約10%～15%。
④擴容便捷:由于采用了模塊化熱插拔結構,擴容簡單方便,降低后期維護成本。
