高压直流供电及应用初论

项 磊

（华信邮电咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州310014）

0 引 言

进入二十一世纪后，经济和信息经历了爆炸式的发展，国内外各类重要用电设备的使用呈迅猛增长的趋势，为保证各类重要用电设备的运行安全，对供电的可靠性、可维护性以及经济性也提出了更多、更高的要求。

本文初步探讨了高压直流（HVDC）供电系统的工作原理、主要结构特点，并与常用的UPS进行了简要的比较和分析，为今后通信、电力等重要用户在实际工程中的应用，提供一些值得借鉴的意见和建议。

1 常用UPS系统工作原理及组成

所有重要的用电设备为保证其自身系统工作的连续、稳定，需要其供电电源同样具备可靠和连续工作的能力，即需要具备常说的“不间断”供电能力。英语为“Uninterruptible Power Supply”，缩写为 UPS。它可以保障重要设备在市电停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急启动其它应急供电系统，或者保存正在运行和记录的重要数据，使重要用户不致因停电而丢失数据或中断工作。它在各类重要设备系统和网络应用中，主要起到两个作用：一是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，对重要设备和用户造成严重的损害；二是在正常使用期间，可以消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为各类重要设备提供高质量的电源，也可延长设备的使用寿命和服务年限。

下面简要介绍一下目前常用的蓄电池式不间断电源。

1.1 蓄电池式不间断电源

自二十世纪六十年代美国通用电气公司研究生产不间断电源以来，不间断电源一直在被改进，但是其基本原理没有重大变化。

现代不间断电源由电池组、逆变器和控制电路组成，一端连接电网另一端连接电器负载。在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电，在电网出现异常的时候，不间断电源将存储于电池中的电能释放，供负载使用。它按工作方式通常分为在线式和后备式（亦称为离线式）两种；按输出波形可分为正弦型、近似正弦型（用阶梯方波来拟合正弦波）等。

1.2 系统组成

UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。

（1）整流器：整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电（AC）整流成直流电（DC），经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。

（2）蓄电池：蓄电池是UPS用来作为储存电能的装置，它由若干个电池串联而成，其容量大小决定了其维持放电（供电）的时间。其主要功能是：a.当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。b.当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载。

（3）逆变器：通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

（4）静态开关：静态开关又称静止开关，它是一种无触点开关，是用两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制，分为转换型和并机型两种。转换型开关主要用于两路电源供电的系统，其作用是实现从一路到另一路的自动切换；并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。

通用UPS的主要组成及结构如图1所示。

图1 UPS供电系统示意图

2 高压直流（HVDC）系统

2.1 高压直流系统的产生

高压直流电源是将市电或者工频电压电能转变成某些特殊高电压等级和形式的一种电源设备，高压直流电源按输出电压极性可分为正极性和负极性两种。高压直流电源可以广泛应用于各行各业，例如通信、电力以及工农业等各个行业。

高压直流电源最初是将工频电压直接经高压变压器升压后整流滤波，或升压后再倍压整流后得到高压，其基本原理如图2所示。后来随着科学技术的发展，高压直流电源才发展到了线性高压直流电源。

20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命性的变化，20kHz的开关频率结合脉宽调制技术（PWM）开始在电源领域应用。到目前为止，电源的频率已经达到数百千赫兹，应用先进的准谐振技术甚至可以达到兆赫兹的水平。提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积，进而缩小高压电源体积。高频化使高压电源体积大幅度减小，轻巧便携，实用性和使用方便性明显得到改善。

2.2 新型高压直流系统及结构

近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET、IGBT的应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关直流电源。同线性电源相比较，高频开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短。由于它的优越特性，现在已逐渐取代了传统的高压线性直流电源。

图2是高压开关直流电源示意图。它采用了脉宽调制技术，PWM技术和BUCK变换器结合以及PWM技术和逆变器技术结合，实现了高压开关直流电源输出电压稳压和输出电流的限流功能。

图2 典型开关高压直流电源示意图

目前各研究单位和厂商正在大力研制开发新型高压高频电源，包含新的电源理论、新型模块化电路、新型电子器件等，以满足电子设备小型化、高效化和高性能化的时代发展要求。图3就是近年来已生产并投入实用的新型HVDC电源模块的工作原理简图。

图3 高压直流电源模块结构示意图

如图3所示，高压直流系统一般包括电源输入滤波模块、工频整流模块、DC／DC斩波、LC高频滤波输出模块以及蓄电池组等主要构件。

3 实际应用及工作特点

3.1 高压直流系统主要结构

目前高压直流系统（HVDC）已在部分通信和电力行业用户中使用，国内已有专业企业开发和生产不同类型和容量的高压直流供电设备。

下面简要介绍该系统的内部模块结构和功能：

（1）交流配电模块——该模块将两路或一路市电，分配到整流模块；通常配置C、D两极防雷保护系统；

（2）整流模块——将交流整流为直流（AC／DC），给负载供电，同时对电池组进行浮、均充电；

（3）直流配电模块——通过直流空开或熔断器输出到列头柜，再由列头柜输出到各服务器等重要设备，进行不间断直流供电；

（4）监控单元模块——监控模块是直流输出模块的控制中心，担负着系统内部 “上传”“下达”的任务。下层系列配电监控盒负责交、直流电检测及故障信号上送；

（5）电池组——保证交流停电时，提供不间断直流供电。电池数量2V／120节电池。

此外，为保证高压直流电源系统的正常工作，通常还包括一些配套监测和报警功能；

（6）电池巡检模块——可以实时检测每节电池的端电压或电池组内阻，并上送给监控单元；

（7）绝缘监测模块——实现对直流母线、输出分路对大地绝缘状况的监测。

3.2 高压直流（HVDC）系统的主要特点

通过分析高压直流系统的工作原理及系统模块结构，可以归纳出该类电源系统的主要特点：

（1）具有较高的效率：通常采用全桥移相、软开关技术，高频开关技术以达到高频谐波分量减少、辐射低、电磁兼容性好为目的。目前国内厂家所生产整流模块的转换效率一般为93～95%；

（2）较高可靠性：系统内部整流模块的MTBF≥30万小时，结构采用N＋X模块备份方式，电池组与整流模块并联输出，如图3所示；

（3）维护简便：系统主要部件采用热拔插技术，大部分器件可实现在线更换；

（4）随着技术和工艺水平的发展，目前高压直流系统的“功率密度”在不断提升，系统整机体积紧凑，重量较轻。例如400A系统整机重量通常小于350kg；

（5）系统具备完善的电池管理功能；（6）具有绝缘监测功能。

4 使用及建议

4.1 高压直流供电（HVDC）与UPS的比较

UPS系统自20世纪60年代诞生，至今已经发展了近半个世纪的时间，它具有技术成熟、使用范围广和用户众多、市场占有率较高的优势。高压直流供电系统相比之下，可以称为一支“新军”。前文已经对HVDC系统做了简要的说明和分析，下面把二者的系统结构和功能特点做一个简明归纳和比较，如表1。

4.2 高压直流（HVDC）系统与UPS的适用范围及建议

4.2.1 高压直流系统可以满足大部分交流设备的需求

（1）UPS交流电压的供电范围通常在176～264VAC范围内，对应整流后的最低直流电压Uab＝1.25×176V＝220V，最高直流电压Uab＝1.4×264＝370V。

常用交流电源设备，例如各类IDC服务器、计算机的额定工作电压是220VAC，此时对应的直流电压是Uab＝1.25×220V＝275V，显然如果把输入的直流电压控制在220～370V之间，并直接将直流电输入到计算机服务器，该类设备可以正常工作。同时，系统末端选取120节2V电池并联，其均充电压是2.35×120V＝282VDC，浮充电压是2.23×120V＝268VDC，即使系统的AC／DC模块工作故障时，也可以保证HVDC系统的电力输出不间断。

表1 UPS和HCDC的系统结构和功能特点比较

（2）对于安装有APFC模块的计算机服务器，通常对UPS的交流输出范围可以做到更宽，一般可以到110～270VAC。相应对应的直流范围是138～378 VDC，如果改为直流供电，则原APFC模块就变成了单纯的DC／DC Boost电路，不会影响原服务器的正常工作。

4.2.2 高压直流（HVDC）系统的适用建议

（1）高压直流供电系统具有工作稳定、高效、较低建设投资等特点，可适用于目前大多数重要的交流设备需求，例如各类通信IDC机房、信息中心服务器等。有助于减少用户的一次性投资，提高供电可靠性，提高机房利用率；

（2）目前高压直流（HVDC）系统的单只整流模块输出电流一般在10～20A左右，单套系统的最大输出电流不超过500A。相对于中大型UPS供电系统而言，高压直流系统的供电容量偏小；如果采用多机架并联方式，则将影响整套系统的稳定性和安全性，因此目前高压直流系统暂不适用于大容量交流设备的集中供电需求；

（3）分析高压直流供电系统的结构和特点后认为，那些必须提供不间断供电保障、设备功耗需求在100kW以下，并且对供电设备现场维护及时性要求较高的用户和场所，可考虑选用高压直流供电系统。