通信交流設備不間斷供電的比較

宮俊峰

（吉化信息網絡公司，吉林 吉林132001）

0 引 言

目前，通信行業交流設備多采用UPS供電，但隨著互聯網技術的飛速發展，交流設備使用越來越多、設備功耗越來越大、供電可靠性要求也越來越高，而傳統大功率UPS（本文指容量在30 kVA及以上的UPS產品）可靠性低、電流諧波大、建設成本高、供電效率低等局限性也逐漸顯現。業界在努力提升傳統UPS供電質量、降低供電損耗的同時，也在不斷探索能夠替代傳統大功率UPS供電的新技術，其中，模塊化UPS和高壓直流供電是當前兩種主流的技術。

1 傳統大功率UPS供電存在的問題

1．1 低可靠性及可用性

大型數據中心等機房對UPS供電的容量及可靠性要求越來越高，但由于UPS本身系統結構復雜、單點故障點多、維護難度大等原因，使由UPS造成的供電事故頻發。同時，由于UPS維護只能依靠廠家，當出現緊急情況時，只有等待廠家派技術人員解決，造成UPS系統可用性也較低。

1．2 電流諧波

由于目前大功率UPS多采用可控硅的整流方式，會產生大量的諧波電流，雖然通過增加整流脈沖次數可以降低諧波電流，但同時也增加了成本、重量和體積，并降低了整機效率，且不能從根本上解決諧波問題。諧波會對電網及供電系統產生諧波干擾，造成設備故障、發熱、壽命降低等后果。同時，為治理諧波而增加的濾波設備，也為UPS系統引入了新的故障點。

1．3 建設成本

由于UPS自身可靠性的局限，目前一般采用冗余并機、雙系統、雙總線等供電模式以提高UPS供電系統的可靠性，并增加濾波設備（無源或有源濾波器）以減少諧波電流的影響，造成建設成本不斷攀升及安裝空間面積和承載要求不斷提高。

1．4 供電系統效率

（1）由于UPS要經過整流及逆變兩次變換，使得UPS本身效率較低；

（2）同時由于冗余配置，使UPS工作在更低效率的負載率區間；

（3）另外UPS產生的諧波電流還會在供電回路上造成損耗以及濾波設備自身的損耗等。

以上三個因素均造成UPS供電系統能量利用率低，不符合當前節能減排的政策。

2 交流設備供電的優劣分析

2．1 模塊化UPS

（1）設計理念

模塊化UPS借鑒了通信高頻開關電源的設計思路，對功率變換主回路進行模塊化設計，并采用了分散控制理論及非固定主從的同步控制技術，是對傳統UPS的一種創新。

（2）相對傳統UPS的優勢

a．可靠性及可用性提升

模塊化UPS可通過對功率模塊的N＋X冗余配置，提高供電系統的可靠性，同時模塊化的設計使維護更加方便，減少了故障處理時間，提高了系統可用性。

b．電流諧波

模塊化UPS采用了有源功率因數校正技術（PFC），降低了輸入電流諧波，加強了設備抗電磁干擾的能力。

c．建設成本

由于采用模塊化技術，可根據初期功耗配置UPS模塊，且不用配置濾波設備、選配輸出隔離變壓器，降低了初期建設成本，同時高頻化設計使設備具有更高的功率密度、更小的體積和更輕的重量，降低了安裝空間及承重的要求。

d．供電系統效率

采用高頻軟開關技術，減少器件開關損耗，提高了整機效率；按需配置UPS模塊，系統工作在最佳負載率區間，提高工作效率；采用PFC功率因數校正技術，諧波電流小，發熱損耗小。

（3）局限性

a．功率限制

由于模塊化UPS采用PFC技術，IGBT電流、電壓應力相對于可控硅較低，因此單個UPS模塊的功率不能做得過大；又由于UPS模塊并機控制較為復雜，因此并機模塊數量不能過多，以上兩個原因造成模塊化UPS整機功率不如傳統的塔式機。

b．可靠性及效率

模塊化UPS可靠性及效率雖然均相對于傳統UPS有較大的提高，但由于采用相同的電源變換結構，仍然存在單點故障、結構復雜問題，使得供電可靠性不能得到質的改變。另外，由于IGBT整流通常采用升壓模式，直流母線電壓較高，蓄電池需通過電壓變換器（蓄電池充電時降壓，放電時升壓）與直流母線連接，增加了電池充放電回路的故障點。

模塊化UPS雖然采用了高頻整流技術，但仍然需要整流逆變兩次變換，同時模塊的增加也使模塊間產生系統環流，使得效率提升有限。

c．建設成本

目前模塊化UPS應用范圍較小，未大規模量產，再加上僅有部分廠商掌握核心生產技術，造成模塊化UPS單位成本仍然較傳統塔式機高。

2．2 高壓直流

2．2．1 設計理念

高壓直流是在通信電源原有－48V高頻開關電源的基礎上，通過提高輸出電壓、采用懸浮供電，并引入電力電源絕緣監察技術，對原有交流設備供電的一種新型供電模式。

2．2．2 相對傳統UPS的優勢

（1）可靠性及可用性提升

a．高頻開關電源技術成熟、結構簡單、維護方便、單點故障點少、系統故障率低；

b．整流模塊可N＋X冗余配置，提高供電系統的可靠性；

c．蓄電池并聯于電源輸出端，直接對設備供電。

（2）電流諧波

高頻開關電源模塊采用了PFC技術，輸入電流諧波小，抗電磁干擾能力強。

（3）建設成本

a．直流電源較UPS采購成本低；

b．根據初期功耗配置整流模塊，降低了初期建設成本；

c．直流電源功率密度高，安裝空間占用少。

（4）供電系統效率

a．簡化供電結構，取消UPS逆變及服務器電源再整流過程，變換損耗低；

b．采用高頻軟開關技術，整機效率高；

c．采用模塊休眠等技術，模塊工作在最佳負載率區間，系統效率高；

d．采用PFC功率因數校正技術，諧波電流??；

e．直流輸出有效電壓高且無諧波分量，傳輸損耗小。

2．2．3 局限性

（1）后端設備適用性

不是所有的交流供電設備都支持高壓直流供電，特別是有些年限較久或功耗較小的設備，由于可能采用了工頻變壓器降壓、半波整流、頻率檢測等技術，不適用于直流供電。因此對交流設備采用直流供電前，需進行適用性測試，增加了工作量。

（2）維保風險

采用直流電源對原有交流設備供電，由于供電環境改變，不符合其規定的輸入電壓要求，如果設備出現故障，廠家可能因為該原因推卸維保責任。

（3）改造難度

對原有UPS供電系統進行高壓直流改造時，由于供電模式改變，需對后端受電設備適用性進行核實，同時還要對供電分配回路進行改造及割接，在后端配電及負載情況較復雜時，改造難度相當大。

（4）電壓標準

目前高壓直流的電壓標準尚存在爭議，電信采用240 V標準，移動采用380 V及240 V標準，國外還存在300 V、320 V、350 V、400 V 等標準，而目前國家尚未出臺相關標準，應警惕在企業大規模應用后出現與國家標準相悖的情況。

（5）使用安全

基于傳統－48 V直流電源在通信行業的廣泛使用，從業人員對直流電源較為熟悉，認為沒有危險，容易對高壓直流產生麻痹心理，因此高壓直流不適宜在管理較不嚴格的低等級機房使用。

2．3 模塊化UPS及高壓直流對比分析

傳統UPS、模塊化UPS及高壓直流供電方式的對比分析見表1所示。

表1 傳統UPS、模塊化UPS及高壓直流對比分析

表1從技術性能、建設維護及實際應用三個方面對傳統UPS、模塊化UPS及高壓直流進行了對比分析：

（1）從技術性能上來看，模塊化UPS和高壓直流均采用了高頻化和模塊化設計，在系統可靠性、效率、功率密度等方面均優于傳統UPS，由于直流系統結構本身固有的優越性，使得高壓直流在技術性能上略優于模塊化UPS；

（2）從建設維護上來看，模塊化UPS和高壓直流各項指標仍然優于傳統UPS，模塊化UPS建設成本比高壓直流略高；

（3）從目前的應用情況來看，傳統UPS和模塊化UPS對負載的適用性較好，高壓直流存在部分交流供電設備不支持的情況。

3 應用場合建議

3．1 模塊化UPS應用場合建議

（1）對于受電設備比較老舊的原UPS供電系統的改造，建議采用模塊化UPS；

（2）對于后端配電情況復雜，難以清理的原UPS系統的改造，建議采用模塊化UPS；

（3）對于接入層機房等機房等級程度不高的機房，如需采用交流不間斷電源供電時，建議配置模塊化UPS；

（4）對于客戶托管機房，在客戶對高壓直流認可度不高，或無相關協議支持時，建議選用模塊化UPS供電。

3．2 高壓直流應用場合建議

（1）對于運營商自有設備為主的業務網及數據中心等機房，建議采用高壓直流供電；

（2）對于蓄電池后備時間要求較長（＞2 h）的應用，建議采用高壓直流供電（可單獨配置充電模塊的模塊化UPS除外）；

（3）當設備負荷較大時（＞200 kVA），應謹慎采用模塊化UPS（高壓直流系統也不宜配置過大，但整流模塊并聯控制對于UPS模塊并聯控制技術相對簡單且成熟，最好的辦法是多建幾套系統分擔負荷）；

（4）在機房承重或空間受限時，優先選用高壓直流供電。

4 結束語

通過以上分析可知，模塊化UPS及高壓直流供電較傳統UPS供電均具有一定的優越性，是交流設備不間斷供電的兩個發展方向，實際應用過程中，應根據實際情況選擇合適的技術和產品。