項 磊

（華信郵電咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州310014）

0 引 言

進入二十一世紀后，經濟和信息經歷了爆炸式的發(fā)展，國內外各類重要用電設備的使用呈迅猛增長的趨勢，為保證各類重要用電設備的運行安全，對供電的可靠性、可維護性以及經濟性也提出了更多、更高的要求。

本文初步探討了高壓直流（HVDC）供電系統(tǒng)的工作原理、主要結構特點，并與常用的UPS進行了簡要的比較和分析，為今后通信、電力等重要用戶在實際工程中的應用，提供一些值得借鑒的意見和建議。

1 常用UPS系統(tǒng)工作原理及組成

所有重要的用電設備為保證其自身系統(tǒng)工作的連續(xù)、穩(wěn)定，需要其供電電源同樣具備可靠和連續(xù)工作的能力，即需要具備常說的“不間斷”供電能力。英語為“Uninterruptible Power Supply”，縮寫為 UPS。它可以保障重要設備在市電停電之后繼續(xù)工作一段時間以使用戶能夠緊急啟動其它應急供電系統(tǒng)，或者保存正在運行和記錄的重要數(shù)據，使重要用戶不致因停電而丟失數(shù)據或中斷工作。它在各類重要設備系統(tǒng)和網絡應用中，主要起到兩個作用：一是應急使用，防止突然斷電而影響正常工作，對重要設備和用戶造成嚴重的損害；二是在正常使用期間，可以消除市電上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質量，為各類重要設備提供高質量的電源，也可延長設備的使用壽命和服務年限。

下面簡要介紹一下目前常用的蓄電池式不間斷電源。

1.1 蓄電池式不間斷電源

自二十世紀六十年代美國通用電氣公司研究生產不間斷電源以來，不間斷電源一直在被改進，但是其基本原理沒有重大變化。

現(xiàn)代不間斷電源由電池組、逆變器和控制電路組成，一端連接電網另一端連接電器負載。在電網電壓正常的情況下，不間斷電源利用電網電源為自身充電，在電網出現(xiàn)異常的時候，不間斷電源將存儲于電池中的電能釋放，供負載使用。它按工作方式通常分為在線式和后備式（亦稱為離線式）兩種；按輸出波形可分為正弦型、近似正弦型（用階梯方波來擬合正弦波）等。

1.2 系統(tǒng)組成

UPS是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護設備。主要由整流器、蓄電池、逆變器和靜態(tài)開關等幾部分組成。

（1）整流器：整流器是一個整流裝置，簡單的說就是將交流（AC）轉化為直流（DC）的裝置。它有兩個主要功能：第一，將交流電（AC）整流成直流電（DC），經濾波后供給負載，或者供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓。因此，它同時又起到一個充電器的作用。

（2）蓄電池：蓄電池是UPS用來作為儲存電能的裝置，它由若干個電池串聯(lián)而成，其容量大小決定了其維持放電（供電）的時間。其主要功能是：a.當市電正常時，將電能轉換成化學能儲存在電池內部。b.當市電故障時，將化學能轉換成電能提供給逆變器或負載。

（3）逆變器：通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。

（4）靜態(tài)開關：靜態(tài)開關又稱靜止開關，它是一種無觸點開關，是用兩個可控硅（SCR）反向并聯(lián)組成的一種交流開關，其閉合和斷開由邏輯控制器控制，分為轉換型和并機型兩種。轉換型開關主要用于兩路電源供電的系統(tǒng)，其作用是實現(xiàn)從一路到另一路的自動切換；并機型開關主要用于并聯(lián)逆變器與市電或多臺逆變器。

通用UPS的主要組成及結構如圖1所示。

圖1 UPS供電系統(tǒng)示意圖

2 高壓直流（HVDC）系統(tǒng)

2.1 高壓直流系統(tǒng)的產生

高壓直流電源是將市電或者工頻電壓電能轉變成某些特殊高電壓等級和形式的一種電源設備，高壓直流電源按輸出電壓極性可分為正極性和負極性兩種。高壓直流電源可以廣泛應用于各行各業(yè)，例如通信、電力以及工農業(yè)等各個行業(yè)。

高壓直流電源最初是將工頻電壓直接經高壓變壓器升壓后整流濾波，或升壓后再倍壓整流后得到高壓，其基本原理如圖2所示。后來隨著科學技術的發(fā)展，高壓直流電源才發(fā)展到了線性高壓直流電源。

20世紀70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命性的變化，20kHz的開關頻率結合脈寬調制技術（PWM）開始在電源領域應用。到目前為止，電源的頻率已經達到數(shù)百千赫茲，應用先進的準諧振技術甚至可以達到兆赫茲的水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結構體積，進而縮小高壓電源體積。高頻化使高壓電源體積大幅度減小，輕巧便攜，實用性和使用方便性明顯得到改善。

2.2 新型高壓直流系統(tǒng)及結構

近幾年，隨著電子電力技術的發(fā)展，新一代功率器件，如MOSFET、IGBT的應用，高頻逆變技術的逐步成熟，出現(xiàn)了高壓開關直流電源。同線性電源相比較，高頻開關電源的突出特點是：效率高、體積小、重量輕、反應快、儲能少、設計、制造周期短。由于它的優(yōu)越特性，現(xiàn)在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。

圖2是高壓開關直流電源示意圖。它采用了脈寬調制技術，PWM技術和BUCK變換器結合以及PWM技術和逆變器技術結合，實現(xiàn)了高壓開關直流電源輸出電壓穩(wěn)壓和輸出電流的限流功能。

圖2 典型開關高壓直流電源示意圖

目前各研究單位和廠商正在大力研制開發(fā)新型高壓高頻電源，包含新的電源理論、新型模塊化電路、新型電子器件等，以滿足電子設備小型化、高效化和高性能化的時代發(fā)展要求。圖3就是近年來已生產并投入實用的新型HVDC電源模塊的工作原理簡圖。

圖3 高壓直流電源模塊結構示意圖

如圖3所示，高壓直流系統(tǒng)一般包括電源輸入濾波模塊、工頻整流模塊、DC／DC斬波、LC高頻濾波輸出模塊以及蓄電池組等主要構件。

3 實際應用及工作特點

3.1 高壓直流系統(tǒng)主要結構

目前高壓直流系統(tǒng)（HVDC）已在部分通信和電力行業(yè)用戶中使用，國內已有專業(yè)企業(yè)開發(fā)和生產不同類型和容量的高壓直流供電設備。

下面簡要介紹該系統(tǒng)的內部模塊結構和功能：

（1）交流配電模塊——該模塊將兩路或一路市電，分配到整流模塊；通常配置C、D兩極防雷保護系統(tǒng)；

（2）整流模塊——將交流整流為直流（AC／DC），給負載供電，同時對電池組進行浮、均充電；

（3）直流配電模塊——通過直流空開或熔斷器輸出到列頭柜，再由列頭柜輸出到各服務器等重要設備，進行不間斷直流供電；

（4）監(jiān)控單元模塊——監(jiān)控模塊是直流輸出模塊的控制中心，擔負著系統(tǒng)內部 “上傳”“下達”的任務。下層系列配電監(jiān)控盒負責交、直流電檢測及故障信號上送；

（5）電池組——保證交流停電時，提供不間斷直流供電。電池數(shù)量2V／120節(jié)電池。

此外，為保證高壓直流電源系統(tǒng)的正常工作，通常還包括一些配套監(jiān)測和報警功能；

（6）電池巡檢模塊——可以實時檢測每節(jié)電池的端電壓或電池組內阻，并上送給監(jiān)控單元；

（7）絕緣監(jiān)測模塊——實現(xiàn)對直流母線、輸出分路對大地絕緣狀況的監(jiān)測。

3.2 高壓直流（HVDC）系統(tǒng)的主要特點

通過分析高壓直流系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)模塊結構，可以歸納出該類電源系統(tǒng)的主要特點：

（1）具有較高的效率：通常采用全橋移相、軟開關技術，高頻開關技術以達到高頻諧波分量減少、輻射低、電磁兼容性好為目的。目前國內廠家所生產整流模塊的轉換效率一般為93～95%；

（2）較高可靠性：系統(tǒng)內部整流模塊的MTBF≥30萬小時，結構采用N＋X模塊備份方式，電池組與整流模塊并聯(lián)輸出，如圖3所示；

（3）維護簡便：系統(tǒng)主要部件采用熱拔插技術，大部分器件可實現(xiàn)在線更換；

（4）隨著技術和工藝水平的發(fā)展，目前高壓直流系統(tǒng)的“功率密度”在不斷提升，系統(tǒng)整機體積緊湊，重量較輕。例如400A系統(tǒng)整機重量通常小于350kg；

（5）系統(tǒng)具備完善的電池管理功能；（6）具有絕緣監(jiān)測功能。

4 使用及建議

4.1 高壓直流供電（HVDC）與UPS的比較

UPS系統(tǒng)自20世紀60年代誕生，至今已經發(fā)展了近半個世紀的時間，它具有技術成熟、使用范圍廣和用戶眾多、市場占有率較高的優(yōu)勢。高壓直流供電系統(tǒng)相比之下，可以稱為一支“新軍”。前文已經對HVDC系統(tǒng)做了簡要的說明和分析，下面把二者的系統(tǒng)結構和功能特點做一個簡明歸納和比較，如表1。

4.2 高壓直流（HVDC）系統(tǒng)與UPS的適用范圍及建議

4.2.1 高壓直流系統(tǒng)可以滿足大部分交流設備的需求

（1）UPS交流電壓的供電范圍通常在176～264VAC范圍內，對應整流后的最低直流電壓Uab＝1.25×176V＝220V，最高直流電壓Uab＝1.4×264＝370V。

常用交流電源設備，例如各類IDC服務器、計算機的額定工作電壓是220VAC，此時對應的直流電壓是Uab＝1.25×220V＝275V，顯然如果把輸入的直流電壓控制在220～370V之間，并直接將直流電輸入到計算機服務器，該類設備可以正常工作。同時，系統(tǒng)末端選取120節(jié)2V電池并聯(lián)，其均充電壓是2.35×120V＝282VDC，浮充電壓是2.23×120V＝268VDC，即使系統(tǒng)的AC／DC模塊工作故障時，也可以保證HVDC系統(tǒng)的電力輸出不間斷。

表1 UPS和HCDC的系統(tǒng)結構和功能特點比較

（2）對于安裝有APFC模塊的計算機服務器，通常對UPS的交流輸出范圍可以做到更寬，一般可以到110～270VAC。相應對應的直流范圍是138～378 VDC，如果改為直流供電，則原APFC模塊就變成了單純的DC／DC Boost電路，不會影響原服務器的正常工作。

4.2.2 高壓直流（HVDC）系統(tǒng)的適用建議

（1）高壓直流供電系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、高效、較低建設投資等特點，可適用于目前大多數(shù)重要的交流設備需求，例如各類通信IDC機房、信息中心服務器等。有助于減少用戶的一次性投資，提高供電可靠性，提高機房利用率；

（2）目前高壓直流（HVDC）系統(tǒng)的單只整流模塊輸出電流一般在10～20A左右，單套系統(tǒng)的最大輸出電流不超過500A。相對于中大型UPS供電系統(tǒng)而言，高壓直流系統(tǒng)的供電容量偏小；如果采用多機架并聯(lián)方式，則將影響整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，因此目前高壓直流系統(tǒng)暫不適用于大容量交流設備的集中供電需求；

（3）分析高壓直流供電系統(tǒng)的結構和特點后認為，那些必須提供不間斷供電保障、設備功耗需求在100kW以下，并且對供電設備現(xiàn)場維護及時性要求較高的用戶和場所，可考慮選用高壓直流供電系統(tǒng)。