[实用新型]高压直流供电系统

说明书

本实用新型涉及电源与不间断电源供电技术，特别是指一种高压直流电源和直流供电配电系统。

随着金融、证券交易中心、海关、政府等单位业务的不断推进，传统业务与支撑传统业务的相关用电设备的不断萎缩，随之带来的是数据业务与新型相关设备的快速膨胀。而给这些设备供电的电源仍然采用传统的交流不间断电源系统（UPS）供电。随着转型业务与增值业务量的快速增长，交流UPS供电的模式在这些单位系统中安全性、可靠性和经济性等方面的问题越来越严重，主要体现在以下几方面：

    能耗高。由于交流UPS中采用了逆变器，蓄电池组接在逆变器前级，电源转换环节多，这就导致效率很低。为保证设备用电的安全可靠性，目前在交流UPS电源系统中，基本上采用1+1并机冗余备份系统或2+1并机冗余备份系统，这就使得系统效率进一步降低。由于UPS是一个整体设备，考虑到后期发展规划，机房建设初期，UPS系统建设就必须一次到位，但实际使用中业务的发展是一个渐进的过程，这就使得UPS的平均使用效率更低。综合上述原因，交流UPS系统的平均使用效率一般只有50%。  

    安全可靠性低。交流UPS电源系统中，就单台设备而言，通过冗余技术可以使其UPS供电的可靠性大为提高，但就整个UPS供电系统而言，有很多不可备份的系统单点故障点，比如同步并机板、静态开关、输出切换开关等，这些单点故障点，都可能导致整个供电系统“停电”瘫痪。另外，蓄电池组接在逆变器前级，一旦逆变器出现故障，就能导致整个供电系统“停电”瘫痪。

    在线维护、扩容难度大。由于交流UPS扩容涉及到交流电的频率、电压、相序、相位、波形等同步的问题，不像直流系统中扩容只关注电压一个参数。所以交流UPS每一次在线扩容都是一次艰巨的风险操作，甚至可能因为UPS制造商自身产品升级更新换代使得UPS扩容不可能，导致UPS设备单台故障时无法替换。

    建设投资成本大。随着业务的增长与新型相关设备的快速膨胀，按照现有的设备供电模式，每年需要建设大量的新的交流UPS系统。投资建设成本很大，尤其是涉及核心网络、重要业务平台、VIP客户业务等重要场景，从保障安全角度出发，往往选用进口UPS系统，这就使得建设成本进一步加大。

    我国早在20世纪90年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机电源更新换代。进入90年代以来开关电源已广泛应用在各种电子、电器设备、程控交换机、通讯、电力检测设备电源和控制设备电源之中。现在大多数设备内部都有一个开关电源，当输入为交流电时，整流桥导通方向是交替变化的，经整流后变换成一个波动的高压直流电，然后再经过DC/DC电路变化降压成CPU、LED和各类电子元器件能正常工作的低压直流电。当输入为高压直流电时，整流桥是单边导通的，而且导通方向不变，此时在整流桥后端得到一个稳定的高压直流电，在经过DC/DC电路变化降压成CPU、LED和各类电子元器件能正常工作的低压直流电。因此只要给开关电源输入一个合适的直流电压，开关电源完全能够正常工作。

   我们知道当交流电为220V时，其实际峰值电压有311V，这就要求元器件的耐压等级都要高于峰值电压。所以我们选择的270V的直流电压低于交流电工作时的最高电压，有利于元器件的耐压安全性和可靠性。

   当输入为交流220V时，其等效直流电压是220V（考虑功率因数时更低）。用电设备的功率恒定时，根据欧姆定律，电压升高，电流下降。当输入270V的直流电时，电压升高了，电流减小为交流的0.81倍。根据热量计算公式：Q1＝K×I²×R×T，假设开关电源的输入电阻R不变，开关电源的发热量在270V直流输入时为：Q2＝K×0.81I×0.81I×R×T＝0.656Q1.其中K为热量转化系数，T为单位时间。由计算结果得知，开关电源长时间工作时整流二极管R不变，在直流输入工作时产生的热量大约是交流输入工作时产生热量的1/2左右。而在实际应用中，根据二极管的伏安特性，整流二极管在直流输入时的等效电阻远小于交流输入时的等效电阻R。所以，开关电源在实际工作时产生的发热量远不到交流输入时的1/2。

因此，对现有的开关电源，高压直流供电在节能、提高效率及提高安全可靠性方面确实比交流供电要好。

   近年来，随着科技技术的不断发展，各种新型精密用电设备得到了广泛应用，对于电源的安全及可靠性提出了更高的要求。随着电源和供电技术的发展，出现了新型的高压直流供电系统。新型高压直流供电系统与传统的UPS供电相比较，在安全可靠性，节能率，可维护性和建设成本等方面具有明显的优势，并且已经在数据中心中推广使用高压直流供电系统，替代传统的UPS供电。