4、高压直流(HVDC)供电系统的发展和应用(国外)

IDC机房高压直流供电系统的发展和应用技术主讲人：杜秋[e-mail]12020/5/20目录一、国外高压直流供电系统的发展和应用情况；二、附录：DCforDatacentersworkshop,专题研讨会ppt演示文稿2020/5/202一、国外高压直流供电系统的发展和应用情况--HVDC与ACUPS、SELVDC的比较32020/5/204主要内容1.国外HVDC电源系统发展应用概述2.HVDC电源系统的概念（略）3.电信和数据中心的电源系统结构——AC配电、机架级DC配电、设备级DC配电4.电信设备输入端的电源接口（接口“A”）——介绍有关接口“A”的ETSI标准（ETSIETS300132-2，ETSIETS300132-1，ETSIEN300132-3V1.2.1，重点介绍ETSIEN300132-3V1.2.1）5.国外HVDC试验工程举例——HVDC设备级直流配电和常规AC配电的比较6.附录：DCforDatacentersworkshop专题研讨会PPT2020/5/2051、国外HVDC电源系统发展应用概述1.1、简述①目前，大型数据中心的电源系统需要已达10000KW的电源，预计将来会增加到50000KW。服务器在寿命期内的能耗超过其设备本身的购买价；②数据中心电源系统的设计对于通信局的节能至关重要。传统的配电系统是400/480VAC交流UPS电源系统（欧美）、380VAC交流UPS电源系统（我国）；③在电信系统设备全世界都采用-48VDC直流电源系统（SELVDC）；④目前，国内外普遍认为，高效率电源方案是采用较高电压的直流电源方案，即高压直流（HVDC）方案，这个方案在世界范围内已经讨论了10年之久。目前仍处于试验阶段。2020/5/201.2、INTELEC对HVDC的特别关注①1999年，在21届INTELEC99（哥本哈根）会议：法国电信首次提出了高压直流（整流的交流，rectifiedAC）是比较实际的电信设备与电源设备的接口；②日本NTT发表论文《270VDC系统—用于电信和数据通信的高效率高可靠性的电源系统》，阐明270VDC电源系统比常规的48VDC系统优越，可靠性高，成本低，效率高；③2003年，25届INTELEC03（横滨）会议：瑞典POWERBOX，NETPOWER，ERICSSON等公司提出互联网宽带设备采用300VDC系统供电的建议；④2005年，在27届INTELEC05（柏林）会议：法国电信提出采用300-400VDC的DCUPS。1、国外HVDC电源系统发展应用概述2020/5/206⑤2007年，在29届INTELEC07（罗马）会议：美国INTEL公司提出在电信和数据中心采用400VDC配电；瑞典NETPOWERLABSAB等介绍了9kWHVDCUPS350VDC运行一年的经验，并研究了现有数据服务器和其他计算机设备采用HVDC供电的可能性（作为过渡步骤）；日本NTT介绍了在HVDC演示工程中采用的半导体开关的特性。⑥自2003年起，几乎每届国际电信能源会议上均安排了与高压直流电源系统有关的专题研讨会。INTELEC2007会议期间召开专题研讨会上“FutureTrendsinPowerSupplyforTelcoandDatacentres:ACorDC?”；1、国外HVDC电源系统发展应用概述2020/5/2071.3、现况①由于HVDC系统的实施是一个涉及面十分广泛的工作，不是仅仅由电源一个专业就可以解决的问题，虽然讨论了10年，至今仍未能大规模成功地实施，仍处于试验研究阶段；②近年来，电源研究单位和处理器/服务器厂家，网络设备厂家、IT运营商，电源厂家，以及一些大学等多次联合召开了“DCfordatacenterworkshop”的研讨会。还进行了一些试点工程。HVDC电源系统有了新的发展；③上述这些DCfordatacenterworkshop会议，对于HVDC的应用和发展具有非常重要的意义。1、国外HVDC电源系统发展应用概述2020/5/2081.4、2007年“DCforDatacentersworkshop”研讨会①概况：2007年7月12日在美国，加利福尼亚，圣克拉拉市召开，由IntelCorp主持。来自数据中心产业的有关的40个公司的80名代表参加了会议。会议分成电压等级、配电、连接器、安全接地等几个专门研讨小组进行研讨；②会议基本意见：电压等级：会议讨论了不同电压等级的理由，虽然意见不尽相同，但多数倾向于350-400V电压（Sun、Intel和其它公司都坚决支持未来的数据中心采用380VDC的方案）；配电：专门研讨小组支持在电信和照明应用中采用直流（DC）电源配电方案。DC电源在与可再生能源（例如太阳能，燃料电池）连接时，具有额外的优点；接点/连接器和其他硬件（下一步工作是）：研究制定380VDC连接器的标准；进一步评价PSU的支持（HVDC）的时间；研究目前欧洲应用的DC断路器；安全和接地问题：研究现有的380VDC电路保护方案，漏电流和电击危险；UL额定380VDC连接装置；在机架内配电设备；机架工作人员的培训和认证；配电设备安装人员的培训和认证；1、国外HVDC电源系统发展应用概述2020/5/2091.5、HVDC专题研讨会涉及和必须解决的主要问题①安全问题：高压直流配电的安全等级与交流配电的安全等级是否相同？高压直流配电能否保证设备和维护人员的安全？②可用性和可靠性：高压直流配电与交流配电是否同样可靠？高压直流配电是否达到和超过交流配电的可用性？③效率：高压直流配电在效率和节能方面比交流配电优越吗？电源系统的模块化可以使电源系统处于最佳的使用状态。但是交流配电的双母线系统不能做到最佳的状态，主要是由于变换器之间的功率分配的原因。高压直流配电能建立一个新的最好的折中方案吗？④环境影响：除了效率外，在环境方面，DC和AC之间有没有区别？一个重要的区别是：在HVDC母线上，太阳能或燃料电池更容易接入。⑤可用性的标准：为了实现从目前的AC/DC混合配电应用向完全的DC配电转换，必须制定配电元件的标准；1、国外HVDC电源系统发展应用概述2020/5/20102、高压直流配电的概念实现HVDC配电的基本条件：1必须有专用的HVDC电源系统（电压等级符合标准要求）。2服务器电源PSU应能接受HVDC供电。现有的交流输入PSU(PowerSupplyUnit)可以接受一定值的直流电压【如果服务器原输入为220VAC±10%，则直流母线电压约为252VDC-308VD】，直接在现有服务器PSU上加此高压直流电压，可以简单地实现HVDC供电。但不够完善，仅可作为过渡方案。最大的挑战是服务器、路由器和备用单元等必须有HVDC输入或AC/HVDC通用输入！3相关的连接器、接地应符合相关标准安全要求。2020/5/20113.电信和数据中心的配电系统结构IDC的配电系统结构有三种：AC配电、机架DC配电、设备DC配电。3.1AC配电3.1.1美国传统480Vac的AC配电，服务器中PSU（PowerSupplyUnit）可接受的电压90-264VAC，三相480VAC的线电压其相电压为277VAC，这超过了PSU的电压输入范围。输入和输出时常有隔离变压器。在PSU中，AC变换为DC380V-410V，再由隔离的DC/DC变换器降压为典型的为12VDC或48VDC。一般是12VDC，甚至更低电压级别元件。常规的480VAC电源系统，采用典型的元件时，电源变换的总效率大约为50%。当采用高效率元件时，效率可以达到70%。2020/5/20123.1.2欧洲的AC配电：在欧洲，不需要PDU，因为大楼进线电压是400VAC，这可以产生230VAC的相电压，此电压在PSU的输入电压范围内。在美国现已提出建议，通过采用自耦变压器实现400VAC。这比在UPS输出端采用隔离变压器，从480VAC降压至400VAC的效率高。如图2所示，还可以想象到采用480VAC输入和400VAC输出的UPS，这就可以取消自耦变压器。3.1.3我国的AC配电：我国的AC配电与欧洲的AC配电基本相同，不同的是目前我国采用380VAC交流电压。3.电信和数据中心的配电系统结构2020/5/20133.1.3减少UPS损耗的AC配电为了减少UPS的损耗，可以采用特殊的UPS，避免进行双变换。例如，双变换UPS一般可以通过旁路供电，仅在市电故障时才转到双变换UPS（非在线式）。另一个例子是采用delta变换UPS，如图3所示。虽然特殊UPS提供了最高的效率，还应考虑减少线路干扰和隔离的需要；特殊（delta变换）UPS：在美国PDU是480VAC输入，采用变压器；在欧洲PDU是400VAC输入，无变压器；3.电信和数据中心的配电系统结构2020/5/20143.1.4、典型的交流配电（TypicalACDistributionToday）DC/ACAC/DC480VACBulkPowerSupplyUPSPDUAC/DCDC/DCVRMVRMVRMVRMVRMVRM12VLoadsusingLegacyVoltagesLoadsusingSiliconVoltages12V5V3.3V1.2V1.8V0.8VServerPSU2020/5/20153.2机架级DC配电（Rack-LevelDCDistribution）有些厂家采用在设备机架上变换为48VDC供电的设备。在机架级配置AC/DC变换器（隔离的48VDC），如图4所示。机架级DC配电也可以在较高的DC电压等级上实现，400VDC被用于一些高端服务器系统，与48VDC相比，可以采用效率较高的非隔离变换器，因此系统效率稍微高一些；严重缺陷：机架级AC/DC变换器的数量严重制约用电效率的提高；3.电信和数据中心的配电系统结构2020/5/20163.3、机架级DC配电系统结构图DC/ACAC/DC480VACBulkPowerSupplyUPSPDUAC/DCDC/DCVRMVRMVRMVRMVRMVRM12VLoadsusingLegacyVoltagesLoadsusingSiliconVoltages12V5V3.3V1.2V1.8V0.8VServer380VDCRackPSU3.电信和数据中心的配电系统结构2020/5/20172020/5/20183.3设备级DC配电3.3.1-48VDC输入：设备级DC配电，由于取消了UPS中的逆变器（DC/AC变换级）、PSU中的AC/DC变换器以及PDU中变压器，给出了较高的效率。但，当配电功率超过1MW，其应用的可能性受到限制（低的电压，粗电缆）。理论上48VDC相对480VAC时电缆截面的比率超过了100倍（实际设计时这个比率接近200，低电压传输大容量时，其经济性、可行性受到严重制约，所以必须提升直流的电压等级）；3.电信和数据中心的配电系统结构3.3.2、550V/48VDC配电结构的方案图6的方案是48VDC的设备级配电的效率【增加了功率变换器（PCU），此功率变换器将550VDC变换到48VDC】此变换器需要隔离，因为要求安全电压输出（SELV）；当今，直接配电到PSU的设备级DC的配电被限制到48VDC【因为仅生产通用AC输入范围的或48VDC输入的服务器】；3.电信和数据中心的配电系统结构2020/5/20193.3.3、400VDC设备级供电现已经建议300-400VDC的电压等级输入的PSU，但需要一个世界范围内的标准，以便于实施。图7的配电电路比采用48VDC配电的效率高，因为PDU不需要隔离。图7设备级400Vdc配电3.电信和数据中心的配电系统结构2020/5/20203.3设备级DC配电（Facility-LevelDCDistribution）AC/DC480VACBulkPowerSupplyDCUPSorRectifierDC/DCVRMVRMVRMVRMVRMVRM12VLo