5、高压直流(HVDC)供电系统的发展和应用(国内)课件.ppt

1、IDCIDC机房高压直流供电系统机房高压直流供电系统的发展和应用技术的发展和应用技术(国内）国内）主讲人：杜秋主讲人：杜秋1891803330318912022-8-8目目 录录一、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2022-8-822022-8-83一、国内高压直流供电系统的一、国内高压直流供电系统的 技术研究和应用情况技术研究和应用情况 1、国内、国内IDC机房用高压直流供电机房用高压直流供电方案（技术）研究方案（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

2、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；2022-8-84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810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

3、供电系统将是一个有发展前途的电源系统结构。2022-8-851、国内、国内IDC机房用高压直流供电方案（技术）研究机房用高压直流供电方案（技术）研究2、国内、国内高压直流供电方案的发展高压直流供电方案的发展2.1、概述、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

4、变器或交流UPS设备，都要经过市电整流和逆变器二级换流；2022-8-862、国内、国内高压直流供电方案的发展高压直流供电方案的发展2.2、对、对通信和信息、数据设备供电通信和信息、数据设备供电的两种的两种观点观点：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；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】；2022-8-873、高压

5、直流供电的组成高压直流供电的组成2022-8-88日本NTT公司的由交流200V整流变换为直流270V的系统AC200VDC270VDC270V4、高压直流供电方案的发展的特点及优势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

6、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；2022-8-894、高压直流供电方案的发展特点及优势高压直流供电方案的发展特点及优势4.44.4、-48V-48V和高压直流的效率比较：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

7、较有利（如，IDC)。2022-8-8104、高压直流供电方案的发展特点及优势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、效率高高压直流供电系统的可靠性高、效率高的的优点负载功率优点负载功率越大越突出；越大越突出；4.7、面临的困难：、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：、前景：这种

8、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。2022-8-811评价名称评价名称评价标准评价标准直流供电直流供电结论结论可靠性系统简单、单点故障少，系统可靠性99.99%直流系统简单、无单点故障，设备可靠性高，超过该标准。满足效率效率大于90（满载）能源仅一次转换，模块效率90满足谐波干扰谐波不宜过大，20%有PFC电路，谐波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：、相关要求：4.4、系统采用悬浮方式供电系统采用悬浮方

9、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、配电要求配电要求A、配电设备应符合YD/T 585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/T 585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/T 762-2019规定的范围。2022-8-8294、相关要求：、相关要求：4.5、配电要求配电要求C、配电结构配电结构：图图1

10、、单系统双回路、单系统双回路2022-8-830 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：、相关要求：图图2、双系统双回路图、双系统双回路图2022-8-8314.6、过流保护方式过流保护方式：A、告警位置：、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：、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

11、）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直流输出电缆颜色标志：正极母线：棕色；负极母线：蓝色2022-8-8324、相关要求：、相关要求：4.6、过流保护方式过流保护方式：E、通信设备电源接线标准通信设备电源接线标准（如图）：（如图）：直流输出“正”极，对应于设备输入电源线的“N”端，正正N；直流输出“负”极，对应于设备输入电源线的“L”端，负负L；通信设备输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接，地地PE；F、直流配电部分电压降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

12、压降不超过10 mV。2022-8-8334、相关要求：、相关要求：2022-8-8344、相关要求：、相关要求：4.7、整流模块整流模块A、输入、输入COS、THDI的要求：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：项目技术要求I类II类THDI10%28%COS0.990.92稳压精度稳压精度：稳压精度应优于1%；纹波电压纹波电压：整流模块直流输出端在0MHz20MHz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）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

13、输出电压整定值的0.5%；2022-8-8354、相关要求：、相关要求：4.7、整流模块整流模块负载效应恢复时间负载效应恢复时间 (动态响应动态响应)：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200s，其超调量应不超过输出电压整定值的5；开关机过冲幅度开关机过冲幅度：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；启动冲击电流启动冲击电流(浪涌电流浪涌电流)：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：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3

14、 s10 s；2022-8-8364、相关要求：、相关要求：4.8、电池的管理功能、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）；2022-8-8374、相关要求：、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

15、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；A.在系统不停止工作的状态下，在线更换故障模块；2022-8-8384、相关要求：、相关要求：4.10、系统效率、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）；2022-8-8394、相关要求：、相关要求：4.11、保护功能、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

16、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；2022-8-8404、相关要求：、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（10/700s、5kV）；至少能承受电流脉冲（8/20s、20kA）

17、的冲击；2022-8-8414、相关要求：、相关要求：4.13、安全要求、安全要求：电气间隙与爬电距离见下表：额定绝缘电压Ui，额定工作电压交流均方根值或直流V额定电流 （mm）额定电流（mm）电气间隙爬电距离电气间隙爬电距离60353560 Ui3005668300 Ui6008121012B、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，且且应进行介质强度试验应进行介质强度试验；C、系统接触电流：不大于3.5mA；注：大于3.5 mA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

18、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”2022-8-8424、相关要求：、相关要求：4.13、安全要求、安全要求：D、材料阻燃性能材料阻燃性能：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/T18380.1-2019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、产品的防护等级产品的防护等级：系统机柜的外壳防护等级应不低于GB4208-2019中的IP20的规定；F、直接触电的防护直接触电的防护：系统内交

19、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；2022-8-8434、相关要求：、相关要求：4.15、系统电磁兼容性：传导骚扰限值应符合YD/T 983-2019中第5.1条的要求；辐射骚扰限值应符合YD/T 983-2019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/T 983-2019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：MTBF5104h；注：通过模块并联冗余方式来提高系统可靠性，

20、即（n+k）方式2022-8-8444、相关要求：、相关要求：4.17、监控性能监控性能：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

21、（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）；2022-8-8455、有关定义的计算公式和方法、有关定义的计算公式和方法%100)(0021aaaaVVVV负载效应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。%10000maxVVV稳压精度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tVVt120120）（全程压降t测试时环境温度；V2020时直流配电设备电压降；Vtt

22、时直流配电设备电压降；铜导体电阻温度系数。%100IOPP效率P0 直流输出功率。Pi 交流输入有功功率 2022-8-8466、检验内容表、检验内容表序号项 目1交流输入电压允许变动范围2输入频率变动范围3输入功率因数4输入电流允许波形畸变率5整流模块负载效应6整流模块负载效应恢复时间（动态响应）7整流模块开关机过冲幅度8整流模块启动冲击电流（浪涌电流）9整流模块软启动时间10直流输出电压可调范围11系统输出稳压精度12系统输出纹波电压13直流配电部分电压降14蓄电池管理功能15并联工作性能16监控功能17效率18可闻噪声序号项 目25熔断器（或断路器）保护26温度过高保护27告警性能28防

23、雷性能29接地性能30绝缘电阻31介质强度32接触电流和保护导体电流33材料阻燃性能34电磁兼容a35系统外观36可靠性指标试验19绝缘检查保护20交流输入过、欠压保护21三相交流输入缺相保护22直流输出过、欠压保护37低温贮存试验系统输出纹波电压系统输出稳压精度38低温工作试验系统输出纹波电压系统输出稳压精度39高温贮存试验系统输出纹波电压系统输出稳压精度40高温工作试验系统输出纹波电压系统输出稳压精度41恒定湿热试验系统输出纹波电压系统输出稳压精度绝缘电阻42冲击、振动试验系统输出纹波电压系统输出稳压精度a 必要时进行试验。23直流输出电流限制或输出功率限制性能24直流输出过流及短路保护2022-8-8477、个别参数的测试方法、个别参数的测试方法7.1、负载效应恢复时间（动态响应）试验电路见图交流稳压可调电源交流数字电压表被测整流模块直流数字电压表数字存储示波器直流电流测试装置25%额定可调阻性负载25%额定可调阻性负载50%额定可调阻性负载交流输入 谢谢！谢谢！2022-8-848