HVDC和UPS在通信中的應(yīng)用

摘要： 文章通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)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(duì)比分析，指出采用HVDC 供電可以有效地改善機(jī)房供電質(zhì)量，并以低投資、高可靠性、低運(yùn)營(yíng)成本等優(yōu)勢(shì)逐步成為運(yùn)營(yíng)商機(jī)房一種新的供電模式。

　　隨著通信機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)人士的重視，同時(shí)也是維護(hù)人員最為擔(dān)心的重要環(huán)節(jié)。通信行業(yè)數(shù)據(jù)機(jī)房一般采用UPS 電源系統(tǒng)供電。部分通信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始探索和分析通信設(shè)備采用HVDC 供電的可行性，并取得階段性成果。HVDC 供電系統(tǒng)以低投資、高可靠性、低運(yùn)營(yíng)成本等優(yōu)勢(shì)逐步成為通信運(yùn)營(yíng)商機(jī)房一種新的供電模式。本文就通信運(yùn)營(yíng)商機(jī)房采用HVDC 供電系統(tǒng)做了一些探討分析。

　　1 UPS 供電系統(tǒng)和-48 Vdc 系統(tǒng)存在的缺陷

　　1. 1 UPS 供電結(jié)構(gòu)逆變器可靠性低

　　UPS 供電系統(tǒng)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(jié)。根據(jù)當(dāng)前設(shè)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(jù)圖2 可計(jì)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(tǒng)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(tǒng)圖

　　圖2 UPS 備用能源可靠性模型

　　1. 2 UPS 系統(tǒng)整體利用率低

　　UPS 冗余系統(tǒng)的每一路輸入配電都有可能是主用，其中任何一臺(tái)UPS 都必須能夠帶起全部負(fù)荷。雙機(jī)冗余UPS 系統(tǒng)負(fù)荷率 35 %。UPS 輸出三相不平衡，直接導(dǎo)致UPS 降容使用，存在單機(jī)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(jī)房前期建設(shè)投入大和負(fù)荷規(guī)劃浪費(fèi)，而且后期系統(tǒng)擴(kuò)容難度大。

　　UPS 帶來(lái)供電系統(tǒng)諧波分量增加，導(dǎo)致變壓器利用率下降、柴油發(fā)電機(jī)支撐能力削弱，影響到整個(gè)供電系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性。

　　1. 3 UPS 應(yīng)急保障和可維護(hù)性差

　　UPS 在線維修復(fù)雜、在線擴(kuò)容困難、割接難度大，不同設(shè)備型號(hào)、不同系統(tǒng)間無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(tǒng)將轉(zhuǎn)向旁路供電，但對(duì)于某些通信負(fù)載，低質(zhì)量的市電可能對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重故障隱患，而且后備蓄電池組被隔離開(kāi)，起不到保護(hù)作用。

　　1. 4 -48 Vdc 系統(tǒng)無(wú)法滿足大功耗通信機(jī)房要求

　　近年來(lái)由于數(shù)據(jù)通信的發(fā)展非常迅速，機(jī)房耗電量越來(lái)越大，目前單機(jī)架功耗增加很快，某通信機(jī)房實(shí)測(cè)單機(jī)架功耗達(dá)9 ～ 12 kW/架，有些單機(jī)架高達(dá)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(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)《通信用240 V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》將240 V 確定為通信行業(yè)高壓直流供電系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓值) 相比，根據(jù)P = IU，同樣的功率，其電流是240 Vdc 的240 /48 = 5 倍。

　　對(duì)于同樣功率大小，電壓低時(shí)，電流增大。而對(duì)于電纜損耗P = I2R，同樣的電纜( 電纜線阻一樣) ，線損與電流的平方成正比。為了達(dá)到同樣的損耗水平，則需要大幅度增粗電纜線徑。例如，100 kW 的功耗，當(dāng)用48 Vdc 時(shí)，電流I1 = 100 kW/48 = 2 083 A，當(dāng)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，意味著發(fā)熱量大，發(fā)熱量大意味著需要更多的空調(diào)來(lái)制冷。

　　2 HVDC 替代UPS 的可行性分析

　　2. 1 HVDC 取代傳統(tǒng)UPS 的優(yōu)勢(shì)

　　傳統(tǒng)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(tǒng)的UPS 少一個(gè)DC /AC 逆變器及服務(wù)器機(jī)架內(nèi)部的AC /DC 整流器，這樣大大提高了供電系統(tǒng)的效率，從而降低供電系統(tǒng)的發(fā)熱損耗，發(fā)熱損耗的降低也減少了空調(diào)的配置。通過(guò)HVDC 供電方式的應(yīng)用可以比采用UPS 供電節(jié)約電能10 % ～20 %。

　　圖3 傳統(tǒng)UPS 供電原理圖

　　圖4 HVDC 供電原理圖