淺談機房的高壓直流供電應用

　摘要：隨著計算機網絡的普及和數據業務的快速發展，機房供電也朝著大容量、高可靠的方向發展。　　

　　一、機房供電的趨勢及存在問題
　　
　　機房的供電問題，關系到網絡的安全等級和成本，歷來成為業界關注的重點。隨著計算機網絡的普及和數據業務的快速發展，機房供電也朝著大容量、高可靠的方向發展。但是隨著機房規模的擴大，機房的耗電問題、擴容問題和維護問題日益突出。現在各行業的數據機房一般采用交流UPS電源系統供電，但交流UPS電源系統卻有著明顯的缺陷：
　　
　　1、效率低。對于供電級別要求高的機房，交流UPS設備一般采用1+1備份方式。為了保持系統的冗余，每臺UPS的實際負載只能控制在35%以下，在電源資源的使用上有著較大的浪費。
　　
　　2、要求高。交流UPS供電系統通常采用多臺并機工作模式，這種模式對UPS系統的并機控制電路要求很高，要求所有UPS的輸出電壓相等，頻率、相位一致，否則無法并機。并機控制電路較復雜，一旦故障，將導致UPS并機失敗，嚴重時可能造成系統斷電。
　　
　　3、存在一定的安全隱患。UPS設備雖然有電池組作為供電的斷電保障，但電池是通過逆變換進行輸出的，如果逆變部分出現故障，同樣會導致設備斷電。
　　
　　二、高壓直流供電的可行性分析
　　
　　隨著電源技術的發展，高壓直流供電模式由于其拓撲簡單、擴容方便等特點引起了人們的關注。高壓直流供電方式逐步從實驗室走向市場，雖然它的技術和應用還需和實際設備進一步磨合，但高壓直流供電代表了技術發展的一種趨勢。
　　
　　1、為什么直流電源可以替代交流電源？

　　首先看負載設備內部，一般來說，設備的電源部分為獨立的電源模塊。從圖一中可以看出，雖然設備的輸入電源是交流的，但是設備電源的最終輸出還是直流，其核心部分還是DC/DC變換，只要我們輸入一個合適的直流電壓給變換部分，設備就可以正常工作。
　　
　　2、直流電源如何替代交流電源？

　　圖二和圖三分別是負載設備在交流供電和直流供電時的整流原理。圖二中，電源部分在交流輸入的時候，正半周時電流的走向是從A→D2→C→D→D4→B，在負半周時電流的走向是從B→D3→C→D→D1→A，整流管D1、D3和D2、D4輪流導通。這樣，交流電壓從AB端直接傳到CD端，輸出端CD保持直流輸出。圖三中，電源部分在采用直流電壓直接輸入時，由于電壓相位不變，整流管D2、D4長期導通。這樣，電壓從AB端直接傳到CD端,輸出端CD保持直流輸出。聯系到圖一，從上面的分析可以看出，不論在輸入端輸入交流電壓，還是直流電壓，在輸出端均可以輸出直流電壓，直流電壓再經過DC/DC變換，給設備供電。

　　三、高壓直流供電的優點

　　交流UPS供電原理如圖四所示：

　　我們可以發現高壓直流供電有以下各個方面的優點：
　　
　　1、可靠性高。主要有兩個方面：一是直流供電蓄電池的輸出和電源整流模塊的輸出并聯在負載端，當外電停電時，蓄電池的電能可以直接供給負載，母線電源是不間斷的，確保供電的連續性。二是采用直流輸出，無諧波干擾。
　　
　　2、效率高，能耗低。和交流UPS系統相比，直流供電省掉了逆變環節，而一般逆變的損耗在5％左右，同時又沒有諧波損耗，因此電源的效率得以提高。據實驗證明，直流電源的效率比同規格的冗余備份的交流UPS電源相比，能夠節能10%-15%。其次，由于直流電源采用了模塊化的設計，并聯輸出，使每個模塊的使用率可達到70～80，比起交流UPS系統提高了很多。
　　
　　3、擴容便捷。首先由于直流供電采用模塊化結構，單機擴容容易實現，只要增加相應的模塊即可。其次，由于是直流輸出，不存在相位和頻率的問題，多機并聯變得簡單易行，電源并機容易實現。
　　
　　4、不存在“零地”電壓等不明問題的干擾。因為是直流輸入沒有零線，因此，也就不存在“零地”電壓，避免了一些不明的故障。
　　
　　四、高壓直流供電面臨的問題
　　
　　高壓直流供電雖然有以上列舉的種種優點，但也存在著缺點和面臨的問題：
　　
　　1、雖然直流電壓與交流電壓的峰值相比差別不太大，但是由于直流電壓沒有過零的存在，其危險性遠遠大于交流電壓。
　　
　　2、配電開關性能要求高，對于交流電，電流在周期內會有過零點，當短路時，過零點的存在使開關斷開時產生的電弧容易滅弧。而如果是直流電，不存在過零點，滅弧相對困難。
　　
　　3、現在市場上選用的開關器件大都按照220Vac/380Vac來設計，但直流開關器件和交流開關器件在要求上是不同的，所以在直流供電系統中，必須采用符合安全要求的直流配電器件，這會相應增加建設成本。
　　
　　4、高壓直流供電大規模市場運用有著一定的困難。我們廣電機房設備種類繁多，雖然機房大部分使用開關電源的設備都可以用直流電源供電，但也有很多設備不能直接使用。如：
　　
　　（1）少數設備的電源輸入端有工頻變壓器，輸入直流會產生短路。
　　（2）具有輸入端頻率檢測啟動的設備不能直接進行使用。
　　（3）具有啟動過壓保護功能的設備，不能直接進行使用。
　　（4）部分電源對地設計有電感濾波，雖然不影響使用，但會造成正極接地。
　　（5）風扇類設備要區別對待，交流輸入的風扇使用直流電源會產生短路。
　　（6）顯示器設備區別對待，CRT（陰極射線管）顯示器，內部有交流交流激勵回路的，不能使用直流供電。
　　
　　機房各種設備開關電源部分的設計思路基本相同，但是詳細的設計卻又是千差萬別，所以高壓直流供電在實際的運用過程中，需要對各種設備進行測試，甚至需要對設備的電源部分進行改造，這些都是高壓直流供電應用中所遇到的困難。高壓直流供電目前還在試驗探索階段，據真正的大規模市場化應用還有待時日，但是從機房節能增效的角度來說，高壓直流供電是技術發展的方向。相信以后隨著高壓直流標準的制定，以上的缺點和面臨的困難都會得以解決，高壓直流供電技術會得到更廣泛的應用。