通信系统高压直流电源供电技术的探讨

艾勇

（艾默生网络能源有限公司 广东 深圳 518000）

摘 要：高压直流供电相比UPS电源具有巨大的优势，随着通信产业的高速发展，传统的UPS电源已无法满足日益发展的通信系统需求，因此，高压直流供电的应用逐渐普遍。本文详细比较了高压直流供电与交流UPS，并阐述了高压直流电源供电的原理和拓扑结构，探讨了通信高压直流电源供电技术的可行性和可推广性。

关键词：高压直流供电；UPS；原理；拓扑结构

近年来，随着通信技术的不断发展，作为其主要供电方式的UPS电源也在通信系统中大量应用。但UPS固有的特点，决定了其具有可靠性差、转换效率低、输入电流谐波大等一系列缺点，大型UPS系统故障造成的通信阻断频繁发生，造成重大的经济损失和社会影响。在此背景下，采用高压直流替代UPS供电的呼声越来越高，压直流供电就是直流采用高压直流电源直接对采用220V交流输入电源的设备供电，采用该技术后，电源系统将具有直流电源系统本身的天然优点。

1 高压直流供电（HVDC）系统与交流UPS比较

交流UPS系统一般由整流器、逆变器、静态开关等组成，如图1（a）所示。交流市电经过整流后供给逆变器并对蓄电池进行充电，逆变器将直流电重新逆变为交流电并通过静态开关提供给负载，静态开关实现了冗余配置，保证了设备供电的可靠性。同时在整流器和逆变器之间加入了蓄电池组，作为另外的备份，市电正常时，市电经整流逆变供给负载使用；市电故障时，由蓄电池组经逆变后给负载供电。交流UPS一般通过冗余并机的方式提高设备供电的可靠性，根据客户的重要程度，供电方式分为单套（N+1）UPS供电和两套（N+1）UPS系统并联冗余供電两种方式，但后者在提高供电可靠性的同时也大大增加了设备成本。

直流供电系统直接将交流市电整流为直流电供给负载侧的直流变换器使用，使用蓄电池作为后备电源。市电正常时，交流市电直接给负载供电并对电池组进行浮充；市电故障时，由电池组给负载供电。直流供电系统如图1（b）所示。高压直流供电系统借鉴了目前成熟的-48V通信电源系统的原理，其可用性及可靠性值得信赖。

通过对图1交流供电系统和直流供电系统的比较分析可知，采用传统的交流UPS并机输出需要保持对市电相位、频率和幅值的跟踪，受市电影响范围较大。交流UPS系统结构复杂，整流器、静态开关、逆变器任何一个设备的单点故障都会造成系统的瘫痪，因此交流UPS系统的可靠性远远低于直流供电系统。

2 高压直流供电原理

系统供电一般采用分散供电方式，单个系统容量一般在1000A以下，最大不应超过1500A，系统总输出容量应根据系统设计总负荷和蓄电池组的均充容量之和进行合理选择。高频开关电源整流模块的额定输出电流优先采用20A、40A，每个系统中高频开关电源的整流模块的数目不少于5只，一个整流机架中的整流模块不多于20只。模块配置根据系统最大输出电流采用N+1冗余配置，其中N个主用，N≤10个时，1个备用；N>10个时，每10个备用一个。蓄电池后备时间应满足系统满载时对通信系统供电保障的需要，重要通信系统的后备时间不小于120min，一般通信系统的后备时间不小于60min。电池总容量应按照系统设计负荷的工作电流I根据式（1）计算出蓄电池的容量。Q≥KIT

（1）

式中：Q为蓄电池容量（Ah），K为安全系数（取1.25），I为系统设计负荷电流（A），T为放电小时数（h），η为放电容量系数，t为实际电池所在地最低环境温度数值。

系统采用悬浮方式供电，交流输入应与直流输出电气隔离，直流输出应与机架、地、外壳电气隔离。电池组的正常有效维系着整个系统地有效性，为了严格监控其运行状态，系统的集中监控单元配置有电池组巡检仪，巡检仪监测每个电池的浮充电压和放电电流以判断电池组是否正常工作。

同时，直流供电系统的静态开关采用基于SCR直流静态开关，其复杂程度远小于交流UPS系统采用的交流静态开关。SCR直流静态开关没有系统同步的要求，可以做到非常高的低电压监测判断和开关投切响应速度。一般直流静态开关投切延时时间小于0.1ms，而几乎所有的开关电源其滤波电容储能满载支撑时间都要大于13ms，直流静态开关的投切完全能满足系统地要求。为了提高系统可靠性，直流静态开关系统可以采用并联电路结构，当开关检测到主回路出现低电压时，即行触发SCR，同时关闭充电器。

3 高压直流供电系统拓扑

240V直流系统的工作模式有两种：后备工作模式和在线工作模式。当系统工作在在线工作模式时，所有的电源模块全部投入使用，模块采用N+1冗余配置，电源模块对所有负载供电并对电池组进行充电维护。市电正常时，市电经过电源模块组向负载供电，模块可以进行热插拔更换与维护；市电故障时，由电源母线上的电池组向负载供电。当市电恢复时，模块组恢复供电，电池组进入充电维护状态。在线模式电路结构如图2所示。

这种电路拓扑结构的缺点是忽略了市电在绝大多数情况下是好的，发生故障的几率很小，对于这种小概率事件，可以考虑采用电池组后备运行的供电方式。当工作在后备模式时，在市电中断或在恢复过程中，首先由负载中的开关电源内部的储能电容放电以维护计算机的工作，然后迅速通过静态开关切换至由蓄电池供电直至市电恢复。

4 高压直流的优势

高压直流系统另一个显著优点是可以实现成熟的电池管理，同时由于母线上直接挂着电池，因此电池还具有智能休眠节能功能。电池直挂母线，瞬时的负载冲击可以通过电池放电来做缓冲，休眠退出过程中电池放电，然后设备退出休眠后再正常带载，因此不会拉垮系统。

240V高压直流供电技术与传统交流UPS系统的投资运行成本，通过分析得出在相同系统容量的情况下，高压直流无论在土地成本、电力运行成本还是扩容成本上都明显优于交流UPS系统。

5 结论

总之，通信业电源技术的重大发展方向是高压直流供电，它具有技术节能、可靠、低成本，较之传统的UPS电源具有巨大的优点。但由于受到交流UPS在行业内部的长期运行影响以及高压直流供电技术自身在应用阶段的一些问题，高压直流供电技术大规模应用仍然有很长的道路要走。

参考文献

[1] 孙文波；侯福平.通信用240V直流供电技术探讨[J].电信技术，2009年第09期.

[2] 蒋威.关于高压直流供电系统的研究报告通信电源技术，2012年03期.