5、高压直流(HVDC)供电系统的发展和应用(国内)-精选文档

➢ 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
d. 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；
e. 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。
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3、高压直流供电的组成
AC200V
DC270V
DC270V
日本NTT公司的由交流200V整流变换为直流270V的系统
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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
发展奠定基础；
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二、国内高压直流供电的准规范解析
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1、准规范的起草背景：
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
单谐波小于3％， 总谐波小于5％
直流输出，无谐波
投资成本和运行成本不宜过 目前同容量开关电源价格为UPS
高，要求小于UPS投资与运 价格的三分之二，直流系统运行
行成本
成本低于UPS系统运行成本。
满足 满足 满足
满足
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5、UPS交流、高压直流供电的比较
整流器 市电 输入
整流器 逆变器 静态开关
服务器电源
P 交 322 I0 交 cos P 直2U dI直
P 交 3 I交 2 R 3 ( 3 2 P 交 2 2 co 0 )2 s R 3 ( 2 P 交 2 2 co 0 )2 s R
P 直 2 I直 2 R 2 4 P 直 U 2 d2 R 2 P 直 U 2 d2 R
b. 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；
c. 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；
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1、国内IDC机房用高压直流供电方案（技术）研究
➢ 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。
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6、不同电压等级的高压直流比较
6.4、不同电压等级的高压直流综合评比
评价名称 可靠性 开关电源效率 配电压降
和服务器电源均需要专门设计和制造；
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6、不同电压等级的高压直流比较
市电 输入
整流器
整流器 逆变器
静态 开关
服务器电源
整流器
变换器
PFC
服务 器主 板
电池
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
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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；
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2、国内高压直流供电方案的发展
2.1、概述 ① 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； ② 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）； ③ 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； ④ 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；
整流器
整流器 逆变器
电压：380V
静态开关
整流器
服务器电源
PFC
变换器
电池
服务 器主 板
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
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（
cosφ为功率因数，可取0.9）：
➢ 输送相同的功率，直流电
P交 3380Icos29.26 压值越高则耗铜量越少，
p直 2U直I
U直 初始投资费用越低!
➢ 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
P直3 （ 2200.9)2 24.522
P交
2Ud2
Ud2
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，
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常把296.2V作为平衡点）
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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。
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；
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2、准规范的术语和定义
2.1、恢复时间（ Recovery time）： 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（μ，如要求μ ≦ 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。
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。
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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）：
整流器
变换器
PFC
电池
整流器
交流UPS供电系统原理框图
服务器电源
服务 器主 板
市电 输入
整流器
逆变器
静态开关
整流器
变换器
PFC
服务 器主 板
电池
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！
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6、不同电压等级的高压直流比较
市电 输入
➢ 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)。
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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
2.2、绝缘监察 （Insulation monitoring）： 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。
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3、产品的组成和分类
3.1、产品型号：系统的型号依据YD/T 638.3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——
满足2014661249idc用直流供电与规范符合性的评价ups20146613整流器整流器逆变器静态开关市电输入整流器pfc变换器服务服务器电源电池整流器整流器逆变器静态开关市电输入整流器pfc变换器服务服务器电源电池整流器整流器逆变器静态开关市电输入整流器pfc变换器服务服务器电源电池整流器整流器逆变器静态开关市电输入整流器pfc变换器服务服务器电源电池交流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
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。
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4.9、IDC用直流供电与规范符合性的评价
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；
评价名称
评价标准
直流供电
结论
可靠性
系统简单、单点故障少， 直流系统简单、无单点故障， 满足
系统可靠性>99.99% 设备可靠性高，超过该标准。
效率 谐波干扰 输出波形 失真度
拥有成本
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效率大于90％（满载）
能源仅一次转换， 模块效率>90％
谐波不宜过大，<20%
有PFC电路，谐波<4％
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。
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6、不同电压等级的高压直流比较
市电 输入
整流器
整流器 逆变器
电压：48V
静态开关
整流器
服务器电源
PFC
变换器
电池
服务 器主 板
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；
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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： ① 统一到-48V直流供电：INTELEC 2019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； ② 主张统一到rAC 220V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】；
Hale Waihona Puke 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
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一、国内高压直流供电系统的 技术研究和应用情况
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1、国内IDC机房用高压直流供电 方案（技术）研究
a. 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；
①交流配电部分、 ②高频开关整流模块、 ③直流配电部分、 ④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】
高压直流供电 ★★★★★ ★★★★★ ★★★★★
次高压直流供电 ★★★★★ ★★★★★ ★★★★
低压直流供电 ★★★★★ ★★★★★ ★★
经济性
★★★★
★★★★
★★★
服务器通用性 ★
★
★★★
配电标准化
★
综合分数
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7、直流供电电压等级与初始投资
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；