通信用240V直流供电系统的研究

一、技术名称：通信用240V高压直流供电系统技术

二、技术所属领域及适用范围：可应用于工业、通讯、国防、医院、计算机业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备等各个领域的数据机房中向服务器等通信设备供电。

三、与该技术相关的能耗及碳排放现状

2011年中国电信生产用房耗电量超过100亿kWh，其中数据中心和通信机房用电约50亿kWh。由于UPS供电架构N+1的模式效率不高且不能工作在高效率区间，尤其是UPS电源中DC-AC转化环节的能耗较高，因此使UPS供电的平均效率低于80%，造成了电能的浪费。目前应用该技术可实现节能量40万tce/a，CO2减排约106万t/a。

四、技术内容

1.技术原理

HVDC电源模块是HVDC系统的核心，是利用电力电子技术将电网的交流电变换成与电网隔离的直流输出。采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点。

HVDC电源模块由三相有源PFC和DC/DC两个功率部分组成。在两个功率部分之外还有辅助电源、输入输出检测保护电路、驱动控制电路、通讯电路等。前级三相有源PFC电路由输入EMI和有源PFC组成，用以实现交流输入的整流滤波和输入电流的校正，使输入电路的功率因数大于0.99，THDI小于5%。后级的DC/DC电路由DC/DC变换器及其控制电路、整流滤波、输出EMI等部分组成，用以实现将前级整流电压转换成通讯电源要求的稳定的直流电压。PFC和DC/DC之间由SCI通讯进行数据和指令传送，再由DC/DC部分的DSP通过CAN通讯与监控建立联系。

2.关键技术

(1)高效三相PFC交错技术，采用先进的SiC二极管和ST的STW57N65M5MOSFET来提高PFC部分的效率，减小损耗和原材料的使用。

(2)LLC串联谐振电路可以实现全负载范围内零电压开关(ZVS)，减小了电磁干扰，与其它的DC/DC变换器相比有很大的优势;LLC串联谐振变换器使用变频控制，与传统的PWM 控制拓扑更容易满足通信电源的掉电保持时间要求。

(3)使用了自主开发的ZHM05、ZHM07监控系统，具有软件均流、模块休眠功能、电池巡检功能、绝缘监测功能。

在对外接口的考虑上，选择了基于RS232和RS485的MODBUS协议以及目前广泛通用的TCP/IP以太网络协议。在国内首次将TCP/IP以太网络协议引入直流操作电源监控，将TCP/IP协议嵌入单芯片控制器构成的系统中，通过现在较为普及的以太网络，按照给定的IP地址，上传本地信息，完成远程监控。现场智能设备的以太网接口，TCP/IP嵌入，可配置的IP地址大大加强了直流屏监控系统与后台通讯的能力，用户通过局域网实现对直流屏的管理。

3.工艺流程

HVDC(高压直流电源系统)，作为数据服务器的供电电源，是IDC机房的心脏。核心部件是AC/DC变换器和系统监控及子监控。系统采用分散控制、集中管理的监控模式，由主监控模块单元、n+1冗余式的高频开关整流模块单元、蓄电池管理单元、绝缘监测单元组成，各模块都有自己独立的监控程序，共同组成系统监控。其结构框图如图1所示。模块间具有RS-485串行通信通道，主监控单元为系统的主模块，其余模块均为从模块，接受主监控单元的管理，主监控单元可经RS-232串口与上位机通信，或通过光纤与远方计算机通信。

五、主要技术指标

1.交流输入

(1)交流电压250V-500V(三相三线制);

(2)交流输入频率：50Hz±5Hz;

(3)输入电流：≤30A(有效值);

(4)THDI：≤3%;

(5)功率因数：≥0.999;

(6)效率：≥96%。

2.直流输出

(1)电压范围：195V-295V;

(2)额定输出电流：50A;

(3)最大输出电流：55A;

(4)电压上升时间：3-10s(软启动时间);

(5)输出恒流范围：5A-55A±0.5A;

(6)稳流精度：≤±0.5%(20%-100%限流测试);

(7)峰-峰值杂音电压：≤0.5%;

(8)稳压精度：≤±0.5%;

(9)温度系数(1/℃)：≤±0.2‰。

六、技术鉴定、获奖情况及应用现状

该技术及成套设备已通过信息产业邮电工业产品质量监督检验中心检验。目前，高压直流技术已经应用到了腾讯天津数据中心、深圳联通坪山数据中心、中国电信宁波云数据中心等155个数据中心。其中深圳联通坪山数据中心采用了60套中恒HVDC系统，最后的测试数据显示整体PUE小于1.5。” 采用”高压直流(50%)+市电(50%)”的供电模式。采用这种供电方案后，市电侧无中间转换损耗，效率高达100%;高压直流侧可采用节能休眠模式，全负载范围内94%以上高效率。因此，综合供电效率高达97%。

七、典型应用案例

应用单位：深圳联通坪山数据中心

技术提供单位：杭州中恒电气股份有限公司

节能改造情况：通过综合采用各种技术，高压直流+市电直供的供电方式、行级制冷和冷通道密封技术，空调系统变频节能等技术，使气流循环的路径最短，节能10%以上。

建设规模：坪山数据中心项目集高压直流、行级制冷、能效管理等于一体，机房微模块分别标准化为18R模块、12R模块。

主要技改内容：坪山数据中心项目集高压直流、行级制冷、能效管理等于一体，机房微模块分别标准化为18R模块、12R模块。18R模块按照总体功率120kW，12R 微模块按照总体功率80kW 计算。微模块局部PUE1.07，30%负载率整体PUE1.5左右，90%负载率整体PUE1.4左右。腾讯市电直供加240V高压直流备份方案：采用”高压直流(50%)+市电(50%)”的供电模式。在保证可靠性的基础上，坪山数据中心在负载达到三分之一的时候，PUE保持在1.5左右。采用这种供电方案后，市电侧无中间转换损耗，效率高达100%;高压直流侧可采用节能休眠模式，全负载范围内94%以上高效率。因此，综合供电效率高达97%。

项目投资额：120万元，年节能能力22 tce/a。

八、推广前景及节能减排潜力

我国通信行业发展迅速，初步估算，国内主要通信企业中国移动、中国电信、中国联通现有UPS约10万套，需要替换的老旧UPS设备约为20%，即2万套，到”十二五”末期，UPS的新增需求量为22万套，总共24万套，项目推广潜力巨大，预计未来五年，该技术的推广率可达50%，总投入可达到4亿元，形成的年节能能力约为198万tce，年CO2减排约为598万t。