浅谈机房的高压直流供电应用

　摘要：随着计算机网络的普及和数据业务的快速发展，机房供电也朝着大容量、高可靠的方向发展。　　

　　一、机房供电的趋势及存在问题
　　
　　机房的供电问题，关系到网络的安全等级和成本，历来成为业界关注的重点。随着计算机网络的普及和数据业务的快速发展，机房供电也朝着大容量、高可靠的方向发展。但是随着机房规模的扩大，机房的耗电问题、扩容问题和维护问题日益突出。现在各行业的数据机房一般采用交流UPS电源系统供电，但交流UPS电源系统却有着明显的缺陷：
　　
　　1、效率低。对于供电级别要求高的机房，交流UPS设备一般采用1+1备份方式。为了保持系统的冗余，每台UPS的实际负载只能控制在35%以下，在电源资源的使用上有着较大的浪费。
　　
　　2、要求高。交流UPS供电系统通常采用多台并机工作模式，这种模式对UPS系统的并机控制电路要求很高，要求所有UPS的输出电压相等，频率、相位一致，否则无法并机。并机控制电路较复杂，一旦故障，将导致UPS并机失败，严重时可能造成系统断电。
　　
　　3、存在一定的安全隐患。UPS设备虽然有电池组作为供电的断电保障，但电池是通过逆变换进行输出的，如果逆变部分出现故障，同样会导致设备断电。
　　
　　二、高压直流供电的可行性分析
　　
　　随着电源技术的发展，高压直流供电模式由于其拓扑简单、扩容方便等特点引起了人们的关注。高压直流供电方式逐步从实验室走向市场，虽然它的技术和应用还需和实际设备进一步磨合，但高压直流供电代表了技术发展的一种趋势。
　　
　　1、为什么直流电源可以替代交流电源？

　　首先看负载设备内部，一般来说，设备的电源部分为独立的电源模块。从图一中可以看出，虽然设备的输入电源是交流的，但是设备电源的最终输出还是直流，其核心部分还是DC/DC变换，只要我们输入一个合适的直流电压给变换部分，设备就可以正常工作。
　　
　　2、直流电源如何替代交流电源？

　　图二和图三分别是负载设备在交流供电和直流供电时的整流原理。图二中，电源部分在交流输入的时候，正半周时电流的走向是从A→D2→C→D→D4→B，在负半周时电流的走向是从B→D3→C→D→D1→A，整流管D1、D3和D2、D4轮流导通。这样，交流电压从AB端直接传到CD端，输出端CD保持直流输出。图三中，电源部分在采用直流电压直接输入时，由于电压相位不变，整流管D2、D4长期导通。这样，电压从AB端直接传到CD端,输出端CD保持直流输出。联系到图一，从上面的分析可以看出，不论在输入端输入交流电压，还是直流电压，在输出端均可以输出直流电压，直流电压再经过DC/DC变换，给设备供电。

　　三、高压直流供电的优点

　　交流UPS供电原理如图四所示：

　　我们可以发现高压直流供电有以下各个方面的优点：
　　
　　1、可靠性高。主要有两个方面：一是直流供电蓄电池的输出和电源整流模块的输出并联在负载端，当外电停电时，蓄电池的电能可以直接供给负载，母线电源是不间断的，确保供电的连续性。二是采用直流输出，无谐波干扰。
　　
　　2、效率高，能耗低。和交流UPS系统相比，直流供电省掉了逆变环节，而一般逆变的损耗在5％左右，同时又没有谐波损耗，因此电源的效率得以提高。据实验证明，直流电源的效率比同规格的冗余备份的交流UPS电源相比，能够节能10%-15%。其次，由于直流电源采用了模块化的设计，并联输出，使每个模块的使用率可达到70～80，比起交流UPS系统提高了很多。
　　
　　3、扩容便捷。首先由于直流供电采用模块化结构，单机扩容容易实现，只要增加相应的模块即可。其次，由于是直流输出，不存在相位和频率的问题，多机并联变得简单易行，电源并机容易实现。
　　
　　4、不存在“零地”电压等不明问题的干扰。因为是直流输入没有零线，因此，也就不存在“零地”电压，避免了一些不明的故障。
　　
　　四、高压直流供电面临的问题
　　
　　高压直流供电虽然有以上列举的种种优点，但也存在着缺点和面临的问题：
　　
　　1、虽然直流电压与交流电压的峰值相比差别不太大，但是由于直流电压没有过零的存在，其危险性远远大于交流电压。
　　
　　2、配电开关性能要求高，对于交流电，电流在周期内会有过零点，当短路时，过零点的存在使开关断开时产生的电弧容易灭弧。而如果是直流电，不存在过零点，灭弧相对困难。
　　
　　3、现在市场上选用的开关器件大都按照220Vac/380Vac来设计，但直流开关器件和交流开关器件在要求上是不同的，所以在直流供电系统中，必须采用符合安全要求的直流配电器件，这会相应增加建设成本。
　　
　　4、高压直流供电大规模市场运用有着一定的困难。我们广电机房设备种类繁多，虽然机房大部分使用开关电源的设备都可以用直流电源供电，但也有很多设备不能直接使用。如：
　　
　　（1）少数设备的电源输入端有工频变压器，输入直流会产生短路。
　　（2）具有输入端频率检测启动的设备不能直接进行使用。
　　（3）具有启动过压保护功能的设备，不能直接进行使用。
　　（4）部分电源对地设计有电感滤波，虽然不影响使用，但会造成正极接地。
　　（5）风扇类设备要区别对待，交流输入的风扇使用直流电源会产生短路。
　　（6）显示器设备区别对待，CRT（阴极射线管）显示器，内部有交流交流激励回路的，不能使用直流供电。
　　
　　机房各种设备开关电源部分的设计思路基本相同，但是详细的设计却又是千差万别，所以高压直流供电在实际的运用过程中，需要对各种设备进行测试，甚至需要对设备的电源部分进行改造，这些都是高压直流供电应用中所遇到的困难。高压直流供电目前还在试验探索阶段，据真正的大规模市场化应用还有待时日，但是从机房节能增效的角度来说，高压直流供电是技术发展的方向。相信以后随着高压直流标准的制定，以上的缺点和面临的困难都会得以解决，高压直流供电技术会得到更广泛的应用。