高压直流(HVDC)供电系统的发展和应用(国内.ppt

IDC机房高压直流供电系统的发展和应用技术 国内 主讲人 杜秋18918033303 1 2020 2 22 目录 一 国内高压直流供电系统的技术研究和应用情况 二 国内高压直流供电的准规范的解析 2020 2 22 2 2020 2 22 3 一 国内高压直流供电系统的技术研究和应用情况 1 国内IDC机房用高压直流供电方案 技术 研究 由于高压直流供电系统具有供电可靠 能有效节约能源等优点已经被多数通信电源专业人士接受 国内对高压直流供电系统的研究和设备研制等工作始自07年 且快速进展 在不久的将来 高压直流供电方案将首先在我国IDC机房供电系统中得到应用 根据高压直流供电系统的特点 在安全性 可靠性和可扩展性等方面的优势和在通信系统中的应用具有广阔前景 2020 2 22 4 近年来 IDC数据中心机房业务发展迅猛 服务器托管需求激增 而且由于IDC设备电路集成度的增加 其单位功率密度较常规通信设备的高出很多 甚至高出普通通信机房的8 10倍 目前 IDC机房进行供电的主要是交流UPS电源和低压 48V直流电源 其中交流UPS电源是主要的供电系统 与之相比 高压直流供电系统具有扩容方便 可靠性高 效率高等突出特点 特别对不断增加的高功耗负载 高压直流供电系统将是一个有发展前途的电源系统结构 2020 2 22 5 1 国内IDC机房用高压直流供电方案 技术 研究 2 国内高压直流供电方案的发展 2 1 概述计算机 服务器和路由器等大都采用220V交流不间断供电 需安装AC UPS电源或逆变器电源对其供电 但无论什么信息技术设备 其最终电路板芯片都是低压直流供电 如12V 5V 3V和1 1V等 只有用户的话机由电话局的 48V供给 目前所占比例将愈来愈小 移动通信局等 48V电源只起到过渡电压作用 将来使用交流电压供电的通信设备将愈来愈多 对交流来说 不论是采用DC AC逆变器或交流UPS设备 都要经过市电整流和逆变器二级换流 2020 2 22 6 2 国内高压直流供电方案的发展 2 2 对通信和信息 数据设备供电的两种观点 统一到 48V直流供电 INTELEC1998年发表 一种新生的技术 48V计算机设备供电拓扑 48V供电是最可靠 最安全的方案 主张统一到rAC220V高压直流供电 对电信和数据通信融合的新供电应统一到将市电220V整流后的高压直流供电 称为TENOR供电 当市电为230V 10 20 2峰值系数 时 直最高电压为358V 最低电压为260V 2020 2 22 7 3 高压直流供电的组成 2020 2 22 8 日本NTT公司的由交流200V整流变换为直流270V的系统 AC200V DC270V DC270V 4 高压直流供电方案的发展的特点及优势 4 1 可靠性 高压直流可靠性远高于目前UPS 4 2 效率和节能 n 1的UPS系统考虑谐波的综合因素其负载率不高于60 效率在50 90 之间 而高压直流系统在40 的负载率下效率即可达90 以上 4 3 影响效率的因素分析 设备内部的DC DC变换器的内部功率损耗和配电电缆的功率损耗 DC DC变换器工作时 MOSFET的功率损耗 包括MOSFET导通电阻 Ron 压降损耗和输出电容 Cout 充放电的损耗 导通电阻上的损耗正比于MOSFET管的导通电流 电容上的损耗正比于电源电压和开关频率 2020 2 22 9 4 高压直流供电方案的发展特点及优势 4 4 48V和高压直流的效率比较 负载较小时 高压直流系统的效率比 48V系统低 主要是因为高压直流系统DC DC变换器MOSFET管输出电容充放电损耗大 负载较大时 48V系统的效率比高压直流系统低 主要是因为 48V系统的DC DC变换器中MOSFET导通电阻上的损耗和配电电缆上的损耗较大 所以 高压直流供电系统用于负载功率较大的场合比较有利 如 IDC 2020 2 22 10 4 高压直流供电方案的发展特点及优势 4 5 系统效率的提高 电源设备本身效率的提高 通信设备内部的电源模块效率的提高 降低配电线路的功率损耗 从而减少机房空调制冷量的需求 减少电能需求 最终达到节能的目的 4 6 高压直流供电系统的可靠性高 效率高的优点负载功率越大越突出 4 7 面临的困难 实现这个供电系统 负载设备的滤波器 熔丝 连接器和通信设备内部的板上DC DC变换器都需要相应地改变 实现起来比较困难 4 8 前景 这种电源系统结构能否采用 取决于未来负载机柜的功率要求是否较大 从目前的电信和数据通信的发展情况看 这些负载设备的功耗正在不断增加 因此 高压直流供电系统还是一个有发展前途的电源系统结构 2020 2 22 11 2020 2 22 12 4 9 IDC用直流供电与规范符合性的评价 5 UPS交流 高压直流供电的比较 2020 2 22 13 交流UPS供电系统原理框图 高压直流供电系统原理框图 变 转换环节的减少 促使效率的提高 逆变 整流器件的减少 促使故障率的降低 6 不同电压等级的高压直流比较 6 1 380V高压直流供电结构图 整流器输出高压380V左右直流电 使用高压直流服务器 整流器和服务器电源均只有一次变化 转换效率高 采用高压配电 同功率下电流小 配电损耗小 但380V的直流供电系统 目前尚无应用案例 电源设备 直流供电系统和服务器电源均需要专门设计和制造 2020 2 22 14 6 不同电压等级的高压直流比较 2020 2 22 15 6 2 220V次高压直流供电结构图 整流器输出电压220V 240V左右 使用普通交流服务器 通用性非常强 配电电压较高 同功率下电流较小 配电损耗较小 服务器电源有二次转换 整体效率略低于高压配电 220V的直流供电系统 目前没有应用案例 开关电源和直流供电系统也需要专门设计和制造 另外 交流服务器电源直接使用同电压直流电有待验证 6 不同电压等级的高压直流比较 2020 2 22 16 6 3 低压直流供电 48V 直接采用通信行业使用最多的 48V通信电源 该技术非常成熟 整流器输出48V直流电 整流器和服务器均只有一次电源转换 转换损耗小 使用低压直流电源服务器 目前已经有现成的 48V服务器电源 由于采用低压配电 相同功率下电流大 线路压降和损耗较大 6 不同电压等级的高压直流比较 2020 2 22 17 6 4 不同电压等级的高压直流综合评比 7 1 通信机房采用不同的交流或直流电压等级 其初始投资也有所不同 关键在铜材的耗量上 7 2 交流供电一般采用三相四线制 直流供电采用单相两线制 在相同的电缆截面下 对相同的电缆数 4根 相同电流下 输送的功率比如下式 cos 为功率因数 可取0 9 2020 2 22 18 7 直流供电电压等级与初始投资 由上式 当直流供电电压高于296 2V 电缆耗铜量比交流380V供电少 IDC机房若采用高于296 2V供电电压等级的直流供电系统 综合了转换器的功耗 就能达到降低初始投资成本 提高经济效益和节能的目的 输送相同的功率 直流电压值越高则耗铜量越少 初始投资费用越低 8 直流供电电压等级与运营成本 采用不同电压等级的直流供电 其长期运行的线路损耗不同 从长期运行角度比较交流与直流运行的经济性 选择恰当的直流电压等级 现分析交 直流电输送功率的通用公式进行分析如下 cos值取0 9 2020 2 22 19 直流电压为242 5V是交直流线损的平衡点 线损与电压的平方成反比 综合相关转换器效率 常把296 2V作为平衡点 9 IDC机房高压直流供电的商业运营模式设想 在IDC机房中 高压直流供电比交流UPS供电更具可靠性和经济性优势 当直流供电电压高于296 2V时 直流的初始投资和运行成本将明显低于交流供电系统 因此 高压直流供电均是IDC机房的最佳供电方案 经测试 目前大部分服务器可直接输入高于296 2V的高压直流电 但仍有小部分服务器不能直接输入高压直流 由于IDC机房的服务器为各客户的托管设备 无法强制性规定服务器输入电源的电压标准 建议参照IDC机房等级评定办法 调整IDC机房的商业运营模式 对高压直流供电的机房进行等级划分与倾斜 为推进高压直流的技术发展奠定基础 2020 2 22 20 2020 2 22 21 二 国内高压直流供电的准规范解析 1 1 2009年 工业和信息化部电信研究院 中国电信集团联合国内知名的通信电源厂商的国内知名专家起草了 通信用240V直流供电系统技术要求 的征求意见规范稿 1 2 该技术报告由中国通信标准化协会提出并归口 1 3 该技术报告参与起草单位 中达电通股份有限公司 广州珠江电信设备制造有限公司 艾默生网络能源有限公司 北京动力源科技股份有限公司 中国移动通信集团公司 易达威锐电源系统有限公司 华为技术有限公司 上海邮电设计院有限公司 中国普天信息产业股份有限公司 2020 2 22 22 1 准规范的起草背景 2 准规范的术语和定义 2 1 恢复时间 Recoverytime 恢复时间 T 是指直流输出电压 Uo 与直流输出整定值 Uz 之差的绝对值超出稳压精度 如要求 1V 范围处开始 恢复至小于等于并不再超过稳压精度处的这段时间 2 2 绝缘监察 Insulationmonitoring 对直流输出与地的绝缘度进行检测 判断是否发生接地故障或绝缘度降低 2020 2 22 23 3 1 产品型号 系统的型号依据YD T638 3的规定命名 3 2 产品组成 通信用240V高频开关电源系统包括 交流配电部分 高频开关整流模块 直流配电部分 监控单元组成的柜式直流电源系统 3 3 产品系列 A 系统的直流输出电压标称值为 V 240 B 模块额定输出电流 A 5 10 15 20 30 40 50 100 对应功率分别为 kw 1 2 2 4 3 6 4 8 7 2 9 6 12 24 2020 2 22 24 3 产品的组成和分类 4 1 环境的要求A 温度 工作温度范围 5 40 储运温度范围 40 70 B 湿度 工作相对湿度范围 90 40 2 储运相对湿度范围 95 40 2 C 海拔 海拔高度应不超过1000m 超过1000m时按GB T3859 2的规定降容使用 D 振动 系统应能承受频率为 10 55 Hz 振幅为0 35mm的正弦波振动 2020 2 22 25 4 相关要求 4 2 交流输入的要求 A 交流输入电压变动范围三相380V 允许变动范围为 323 418 V 15 10 单相220V 允许变动范围为 187 242 V 15 10 注 交流输入电压超出上述范围 但不超过额定值的 25 时 系统可降额使用 B 输入频率变动范围 50Hz 2 5Hz 5 C 输入电压波形失真度 交流输入电压总谐波含量不大于5 时 THDU 5 系统应能正常工作 2020 2 22 26 4 相关要求 4 3 系统配置的要求A 基本要求 系统供电宜采用分散供电方式 单个系统容量最大不宜超过600A B 系统电压 系统标称电压为240V 设备运行时 浮充 均充电压由蓄电池技术参数确定 系统输出电压在一定范围内可调 可调范围216V 288V 10 20 系统在其输出可调范围内 应能输出额定电流 系统的直流输出电压值在其可调范围内应能手动或自动连续可调 系统在稳压工作的基础上 应能与蓄电池并联以浮充工作方式或均充工作方式向通信设备供电 2020 2 22 27 4 相关要求 4 3 系统配置的要求 C 蓄电池配置 蓄电池型号选择 宜选用铅酸蓄电池 蓄电池单体电压和组数确定 根据系统容量大小 蓄电池单体电压可选2V 6V 12V 每个系统蓄电池组数不得少于2组 最多不宜超过4组 2020 2 22 28 D 整流模块配置 整流模块选择 单体模块功率应根据系统设计容量大小合理选择 模块数量不宜多于20个 整流模块数量配置按负载电流 0 1C10的充电电流计算 采用N 1配置 其中N个主用 N 10时 1个备用 N 10个时 每10只备用一个 高频开关电源系统宜具备模块休眠功能 4 相关要求 4 4 系统采用悬浮方式供电 A 系统输出应与地 机架 外壳隔离 B 使用时 正 负极不得接地 C 系统应有明显标识标明该系统输出不能接地 4 5 配电要求A 配电设备应符合YD T585的相关技术要求 除了本技术要求所具体规定的外 其余要求均可参照YD T585中相关条款 B 直流电流额定值等级配电设备的直流电流额定值在下列数值中选取 50A 100A 200A 400A 600A 800A 注 当用户提出要求并与制造厂协商后 可以生产上列数值以外的产品 但不允许超出GB T762 2002规定的范围 2020 2 22 29 4 相关要求 4 5 配电要求C 配电结构 图1 单系统双回路 2020 2 22 30 根据负载重要程度 可采用单系统单回路或双回路供电 图1 必要时也可采用双系统双路供电 图2 4 相关要求 图2 双系统双回路图 2020 2 22 31 4 6 过流保护方式 A 告警位置 重要的断路器 熔断器 如蓄电池 等 应能发出声光告警 B 交流输入 系统总输入过流采用交流断路器保护 每一个整流模块输入应有独立的断路器 C 直流输出 输出全程正负极各级都应安装过流保护器件进行保护 直流输出各级配电 末级除外 应采用熔断器或直流断路器保护 直流输出末级开关 即设备输入开关 应采用断路器保护 所采用的断路器或熔断器都应与系统的直流电压相适应 D 直流输出电缆颜色标志 正极母线 棕色 负极母线 蓝色 2020 2 22 32 4 相关要求 4 6 过流保护方式 E 通信设备电源接线标准 如图 直流输出 正 极 对应于设备输入电源线的 N 端 正 N 直流输出 负 极 对应于设备输入电源线的 L 端 负 L 通信设备输入电源线的 地 端与系统保护地可靠连接 地 PE F 直流配电部分电压降直流配电部分电压降不超过500mV 环境20 全程压降不超过额定电压5 蓄电池单体连接条压降不超过10mV 2020 2 22 33 4 相关要求 2020 2 22 34 4 相关要求 4 7 整流模块A 输入COS THDI的要求 当输入额定电压 输出满载时 模块的输入功率因数 cos 输入电流谐波成份 THDI 应符合右表要求 稳压精度 稳压精度应优于 1 纹波电压 整流模块直流输出端在0MHz 20MHz频带内的峰 峰值电压应不大于输出电压标称值的0 5 负载效应 负载调整率 不同负载情况下 直流输出电压与输出电压整定值的差值应不超过输出电压整定值的 0 5 2020 2 22 35 4 相关要求 4 7 整流模块负载效应恢复时间 动态响应 由于负载的阶跃变化 突变 引起的直流输出电压变化后的恢复时间应不大于200 s 其超调量应不超过输出电压整定值的 5 开关机过冲幅度 由于开关机引起直流输出电压变化的最大峰值应不超过直流输出电压整定值的 5 启动冲击电流 浪涌电流 由于启动引起的输入冲击电流应不大于额定输入电压条件下最大稳态输入电流峰值的150 软启动时间 软启动时间 从启动至直流输出电压爬升到标称值所用的时间 可根据用户要求确定 一般3s 10s 2020 2 22 36 4 相关要求 4 8 电池的管理功能系统应具有能接入至少两组蓄电池的装置 系统应具备对蓄电池均充及浮充充电状态进行手动或自动转换的功能 系统在对蓄电池进行充电时 应具有限流充电功能 系统应能根据蓄电池环境温度 对系统的浮充电压进行温度补偿 在蓄电池充放电时 系统宜具备对蓄电池剩余容量进行估算的功能 可选 系统宜具备蓄电池单体电压管理功能 可选 2020 2 22 37 4 相关要求 4 9 并联工作性能 系统中整流模块应能并联工作 能按比例均分负载 50 100 额定输出电流时 在监控模块正常工作时 其不平衡度应不大于输出额定电流的 5 当监控模块异常时 系统输出不会中断 其不平衡度应在额定输出电流的 10 以内 当单个整流模块异常时 不影响系统的正常工作 在系统不停止工作的状态下 在线更换故障模块 2020 2 22 38 4 相关要求 4 10 系统效率 单个整流模块额定输出功率 7 5KW时 效率 90 单个整流模块额定输出功率 7 5kw时 效率 85 4 11 系统音响噪声 系统正常工作时 音响噪声应不大于65dB A 2020 2 22 39 4 相关要求 4 11 保护功能 绝缘监测及保护 显示接地极性 发出告警 具备通信接口 交流输入过 欠电压保护 三相交流输入缺相保护 直流输出过 欠电压保护 直流输出电流限制 其标称值的20 110 之间调整 或输出功率限制功能 直流输出过流及短路保护 保护接地要求 明显的保护地标志 接地铜螺母 M8 接地线大于10mm2 接地电阻应不大于0 1 过温保护 自动降额或恢复 2020 2 22 40 4 相关要求 4 12 告警性能 保护发生的同时 自动发送相应的声光告警信号 并通过通信接口将告警信号传送到监控设备上 各种告警记录的查询功能和刷新功能 告警信息失电不丢失 4 13 防雷性能 交流输入端应装有浪涌保护装置 至少能承受电压脉冲 10 700 s 5kV 至少能承受电流脉冲 8 20 s 20kA 的冲击 2020 2 22 41 4 相关要求 4 13 安全要求 电气间隙与爬电距离见下表 B 绝缘电阻与介质强度 各独立电路与地 即金属框架 之间 无电气联系的各电路之间的绝缘电阻不小于10M 且应进行介质强度试验 C 系统接触电流 不大于3 5mA 注 大于3 5mA时 接触电流不应超过每相输入电流的5 如果负载不平衡 则应采用三个相电流的最大值来进行计算 在大接触电流通路上 内部保护接地导线的截面积不应小于1 0mm2 在靠近设备的一次电源连接端处 应设置标有警告语或类似词语的标牌 即 大接触电流 在接通电源之前必须先接地 2020 2 22 42 4 相关要求 4 13 安全要求 D 材料阻燃性能 PCB的阻燃等级应达到GB4943中规定的V 0要求 塑胶导线的阻燃等级应达到GB T18380 1 2001中规定的要求 其他绝缘材料的阻燃等级应达到GB4943中规定的V 1要求 E 产品的防护等级 系统机柜的外壳防护等级应不低于GB4208 1999中的IP20的规定 F 直接触电的防护 系统内交流或直流裸露带电部件 应设置适当的外壳 防护挡板 防护门 增加绝缘包裹等措施 防止在维护和操作过程中意外触及 用外壳作防护时 防护等级也应达到IP20 2020 2 22 43 4 相关要求 4 15 系统电磁兼容性 传导骚扰限值应符合YD T983 1998中第5 1条的要求 辐射骚扰限值应符合YD T983 1998中第5 2条要求 静电放电抗扰性 系统机柜应能保护产品抵御静电的破坏 其保护能力应符合YD T983 1998第7 3条表9中 静电放电 的要求 应能承受不低于8kV静电电压的冲击 4 16 系统可靠性 MTBF 5 104h 注 通过模块并联冗余方式来提高系统可靠性 即 n k 方式 2020 2 22 44 4 相关要求 4 17 监控性能 A 主要功能 实时监视系统工作状态 采集和存储系统运行参数 设置参数的掉电存储功能 接受局端命令对被控设备进行控制 通信协议应符合YD T1363 3的要求 B 交流配电部分 遥测 输入电压 电流 可选 频率 可选 遥信 输入过 欠压 缺相 过流 可选 过频 可选 断路器状态 可选 C 整流模块 遥测 整流模块输出电压 每个整流模块输出电流 遥信 每个整流模块工作状态 开 关机 限流 不限流 故障 正常 遥控 开 关机 均 浮充 测试 D 直流配电部分 遥测 输出电压 总负载电流 主要分路电流 可选 蓄电池充 放电电流 遥信 输出电压过压 欠压 蓄电池熔丝状态 均 浮充 测试 主要分路熔丝 开关状态 可选 蓄电池二次下电 可选 2020 2 22 45 5 有关定义的计算公式和方法 V0 直流输出电压整定值 Vmax 所测数据与整定值偏差 正偏或负偏 最大的直流输出电压值 Va0 直流输出电压整定值 Va1 负载功率为5 额定值时的直流输出电压值 Va2 负载功率为100 额定值时的直流输出电压值 t 测试时环境温度 V20 20 时直流配电设备电压降 Vt t 时直流配电设备电压降 铜导体电阻温度系数 P0 直流输出功率 Pi 交流输入有功功率 2020 2 22 46 6 检验内容表 2020 2 22 47 7 个别参数的测试方法 7 1 负载效应恢复时间 动态响应 试验电路见图 谢谢 2020 2 22 48