240 V 高可靠直流UPS 系统HRDC 技术研究

［慕家骁 吕俊荣 李秋宏］

1 引言

通信电源二次供电技术现网有380 V 交流UPS 系统、48 V 直流开关电源系统和240 V 高压直流（HVDC）系统等。交流UPS 工作原理是把市电整流后再经逆变器重建了一个工频交流正弦电源系统，并机、扩容等需要频率和相位都相同等，交流UPS的大量维护工作都得要依靠厂家的技术力量来支撑，给维护工作带来了一定的难度，且会产生谐波损耗等问题；而48 V 直流开关电源系统则由于电压比较低，电流比较大，存在一定的线损；240 V 高压直流系统（HVDC），则是利用高压开关电源模块并联重建了一个240 V的DC 直流电源系统，且蓄电池组的正极直接连接到负载的正极，因此可靠性相对更高，线损也较少，是相对比较理想的通信二次电源系统，然而由于这些二次电源均是通过大量整流模块并联（+逆变器）而产生的交直流电源给通信负载供电，这些技术不但系统效能不够理想（240 VDC 电源相对较好），而且还会由于大量整流模块集中并联而产生大量热量，给机房空调的制冷效果带来一定的影响。因此本文提出了一种利用工频变压器把交流市电直接变压和整流成240 V高可靠直流电源系统，直接给通信负载供给240 V 直流电源，无需另外的整流模块给通信负载整流供电，整个系统的拓扑结构具有简单、效率高、可靠性高等优势和特点。

2 技术思路

2.1 数据中心服务器交、直流通用供电原理

240 V 高压直流系统（HVDC）为何能替换交流UPS？这是因为目前通信机房数据服务器的受电端均为桥式整流电路，当交流输入后通过桥式整流成直流，而直流输入时通过桥式整流电路相对应的二个桥臂输出直流。因此现网的240 V 高压直流系统（HVDC）就是给数据服务器直接输送直流电，故240 V 高压直流系统（HVDC）的电路结构相对简单、可靠性高，且绿色节能和环保，从而得到了各个运营商的青睐，尤其是运营商及阿里云、腾讯云等大型IDC 数据机房设备的大量推广和实际应用。240 V 高压直流系统（HVDC）的工作原理如图1 所示；机房数据通信服务器的工作原理如图2 所示。

图1 直流电源工作原理

图2 数据通信服务器电源工作原理

2.2 380 V 交流UPS 给数据服务器供电工作原理

交流UPS 电源系统的输入和输出都是交流电源，其工作原理如图3 所示。而数据服务器设备板载电压均为1.8 V、3.3 V、5 V、9 V、12 V、15 V 不等，因此在数据服务器内部还要有整流电子元器件将输入的交流电源整流成直流电源才可以使用，如图4 所示。就是说，数据服务器设备通过交流UPS 供电时，其电源变换过程为：交流市电（UPS 输入）→整流→直流→逆变→交流（UPS 输出）→输入数据服务器→整流→直流→供给数据服务器使用。

图3 交流UPS 系统工作原理

图4 数据通信服务器直流电源工

2.3 直流电源给数据服务器供电工作原理

通信用直流电源系统为交流输入，直流输出，其主要电源设备有48 V直流系统和240 V高压直流系统（HVDC），它可以直接供给数据服务器直流电源，其工作原理如图4所示。其为数据服务器设备供电过程为：交流市电（输入）→整流→直流输出→供给数据服务器使用，由此可见，其电源变换供电过程十分简单，供电效率也较高。无需再把直流电源逆变成交流电源后，由数据服务器设备内电源电路再次整流成直流才供给数据服务器设备使用，因此无论是电路结构或节电效率来说，240 V 高压直流系统（HVDC）和48 V 直流系统的工作机理比起交流UPS 供电系统其实就是减少了一次逆变和整流的过程，无论是安全性或是供电效率都有很大的提升。

二次电源的蓄电池组则是通信电源系统的二次供电的最后一道防线，当市电停电时，需要蓄电池组给数据通信服务器供电。由于蓄电池组供电是直流电源，当电源系统是直流48 V 或240 V 系统时，则蓄电池组就会直接通过48 V 或240 V 直流系统的正负极给数据通信服务器供电，因此即使48 V 或240 V 系统整流系统出现故障时，蓄电池组也可以直接给数据通信服务器供电，数据通信服务器也不会受到影响。

而交流UPS 系统则不同，若一旦市电停电后，蓄电池组需要放电时，还要经过UPS 系统的逆变器将蓄电池组的直流电逆变成交流电后，才能供给数据通信服务器。就是说，即使蓄电池组有充足的直流电源，若UPS的逆变器出现故障时，蓄电池组也不能给数据通信服务器供电，这就造成了极大的安全隐患，蓄电池组等于是报废无用了。

由此可见，直流电源系统给数据通信服务器供电的可靠性还是比较明显的，同时由于整个过程减少了逆变的过程，因此节电效率提高也是必然的。

3 240 V 高可靠直流UPS 系统

3.1 240 V 高可靠直流UPS 系统思路的提出

根据前面的分析，我们把市电交流电经过直流整流系统之后就可以直接供给数据通信服务器使用，而且无论是安全性或者节能效率来说都有益处，那么我们是否可以把市电交流电源在变压的同时，也实现直流整流的过程呢？为数据通信服务器设备直接输入240 V 直流电源呢？答案是肯定的！

实践证明，12 相24 脉主整流输出的240 V 直流电源不但能够完全满足原交流单相输入的各种电脑和服务器性能技术指标的要求，同时也能够满足电信级的有关规范标准对数据服务器设备供电的性能技术要求。按照数据服务器开关电源交流单相输入技术制式时，12 相24 脉主整流输出电流纹波也都完全可以满足相关的技术规范标准的要求。

3.2 240 V 高可靠直流UPS 系统（HRDC）工作原理

240 V 高可靠直流UPS 系统HRDC（H 代表high,高；R 代表reliable，可靠；DC 代表直流电源系统）工作原理的主要特点就是把变压器和12 相24 脉主整流器组合，就是说，从变压器输出来的电源就是经过直流整流后的直接可以供给数据通信服务器的240 V 直流电源。12 相24 脉主整流器原理如图5 所示。

图5 12 相24 脉整流原理结构图

为了提高可靠性，系统采用的是双路变压和整流系统。由于是不间断电源，因此配置蓄电池组是必须的，当然给蓄电池组充电也是必须的，故本系统还设计了2～3 个整流模块，专门给蓄电池组充电。原理如图6、图7 所示。

图6 240 V 高可靠直流UPS 拓扑结构图

图7 240 V 高可靠直流UPS 系统供电示意图

3.3 240 V 高可靠直流UPS 系统（HRDC）的可靠性

将一个特殊设计的变压器绕组12 相+24 脉主整流器组合，可为数据通信服务器设备负荷提供安全可靠的240 V直流电源系统。谐波的处理是不控桥整流器较易面临的问题，实践证明，若选用新型特种硅钢片制作的主变辅以合理绕组及配对的整流桥模组，能使THD（总谐波失真）达到小于10%或更低（实测5%，满载）；功率因数Φ在一类满载时达到≥ 99%，一类半载时≥ 98%，效率η≥97.5%（几乎不受负载影响），而且噪音也小于45 dB。对数据通信服务器系统来说，各项性能指标良好，完全能够符合相关规范标准的要求。理论计算网侧THD=7.4%，实测小于4.5%；输出纹波理论电压VPP=2.76，实测小于0.6 VPP；系统效率理论η为97.5%，实测96%以上。

主变压器技术要求：（1）为了保证输出电压误差在0.5%以内；y/d 绕组的匝比1.732 误差必须控制在小于0.1%以内，所以必须选择15/26。（2）为了使得分布参数能够符合变比平衡要求；各绕组须采用轴向双分裂工艺。

此外240 V直流UPS系统（HRDC）的可靠性还表现在:

①用电设备并不需要稳压；

② 对蓄电池组的独立维护，有利于整个系统的安全运行；

③为了提高系统的高可靠性,采用的是双路变压和直流整流系统；

④ 关键部件采用冗余技术，提高系统可靠性裕度；

⑤ 控制装置采用失效安全容错策略。

对数据通信系统来说，后备电源是必须的，因此快速的备份电源切换是直流电源系统成功的关键，由于切换的是直流等电压电源，这样就少了同步相位和电压等因素的制约和麻烦，使得直流切换要比交流静态开关切换电源容易得多、安全得多，对于电源系统的技术性能指标的影响也小得多。为此我们还分别试验了电脑、各型服务器、高压金属卤素灯、高压汞灯等对电源连续性要求十分苛刻的用电负载，结果负载运行均未受到影响。240 V 高可靠直流UPS 系统（HRDC）的各项参数性能指标和技术已完全满足了通信行业YD/T2378-2011 通信用240 V 直流供电系统等标准和技术要求。

4 与现有二次电源技术相比具有的明显的优势和特点

4.1 240 V 直流UPS 系统与交流UPS 及240 V 高压直流系统的性能比较

240 V 高可靠直流UPS 系统（HRDC）与380 V 交流UPS 系统及240 V 高压直流系统（HVDC）的性能比较如表1 所示。

表1 240 V 直流UPS 与交流UPS 及240 V 高压直流性能比较

4.2 240 V 高可靠直流UPS 系统（HRDC）技术指标

240 V 高可靠直流UPS 系统HRDC 系统标准系列参数指标如表2 所示。

表2 240V 高可靠直流UPS 系统HRDC 系统标准系列参数指标

4.3 240 V 高可靠直流UPS 系统（HRDC）的特点和优势

变压器效率高，耐冲击抗过载能力强，可全负载冷启动，变压器寿命可长达20～30 年。240 V 高可靠直流UPS（HRDC）主回路四组整流模块并联输出（任意二组整流模块损坏可维持满载输出，整流模块可在线更换），变流环节少,电路拓扑结构简单，可靠性裕度高，故障率低，节能效果显著。但240 V 高可靠直流UPS 系统（HRDC）电源的最大缺点是变压器体积略大，重量较重。

240 V 高可靠直流UPS 系统(HRDC)除具有上述优缺点外，还具有如下一些优势：蓄电池组由精密整流模块N+1 充电（平时轻负载使精密整流模块寿命延长，24 小时休眠轮换工作，支持热插拔）；240 V 高可靠直流UPS系统（HRDC）整个系统维护工作量小，系统效率高于97.5%，功率因数达0.99，电流谐波小于4.5%，可150%过载10 分钟，噪音低于45 分贝；由于本系统的发热量低，对环境温度要求低，工况场地只要通风良好就无需空调，有效降低了空调系统总负荷和机房PUE 值；HRDC 系统的扩容、升级、并机、更换、搬移等维修和维护工作均可在线安全进行；240 V 高可靠直流电源HRDC 系统的控制部分由一路市电一路直流一路蓄电池三路热备份供电，且采用失效安全容错技术,可靠性比较高；240 V 高可靠直流电源HRDC 系统结构简单，维护成本较低，维修操作便利；基于平衡技术体制的6 相12 脉+（小于400 A）和12 相24 脉整流技术体制，能够满足YD/T2378-2011 对系统网侧的PF、THD 和η的技术要求和阀侧纹波技术要求；独立的蓄电池组均浮充管理，对蓄电池组精细维护管理较为有利；无故障运行时间长，在全寿命周期内运行维修维护成本很低，使用寿命长（3～4 倍于高频整流模块）；噪音小（柜体门外1 m 内检测小于47 dB）；电路简单，成本较低，尤其是大容量系统优势更为明显。

5 240 V高可靠直流UPS系统（HRDC）现场安装及认证情况

2013年2月，240V高可靠直流UPS系统（HRDC）100A/240V工频直流不间断电源在深圳诞生并稳定运行至今，各项性能指标稳定可靠。

2013年6月，240V高可靠直流UPS系统（HRDC）200 A/240 V 工频直流不间断电源通过工信部泰尔实验室检测合格（执行标准：YD/T2378-2011）。

2016年5月和8月，240V高可靠直流UPS系统（HRDC）1200A/240V工频直流不间断电源系统分别在江苏常熟和上海南翔都通过工信部泰尔实验室检测合格。

6 结语

240 V 高可靠直流UPS 系统（HRDC）技术仅重量指标略逊于高频整流器全模块并联体制技术外，其它技术指标和性能均优于目前现网的二次电源其它技术，尤其对大型IDC 类机房的二次电源输出电流大于800 A的系统具有明显优势；大于400A 系统采取12 相整流技术也具有明显的优势。因此目前在大型装置上，具有广泛的应用潜力。