高压直流电源系统-解决方案001

通信数据中心机房

直流供电系统解决方案广东志成冠军集团有限公司

前言

传统的中心服务器机房的供电方式是：（交-直-交）-（交-直）的多级变换结构，交-直-交是UPS 系统。长期的运行证明本方案有：变换级数多，可靠性低、效率低；设备利用率低、投资大、占地大、运营费用高；部分设备输入功率因数低，谐波污染大等诸多弊端。为此人们提出降低变换级数的直流直供、电池直挂方案。即（交-直-）-（直）的变换。本方案的优点是五级变换减少为三级，大大提高了系统的可靠性，大大提高了系统的效率，大大提高了设备利用率。带来了投资成本低、占地少、运行费用低、可靠性高、节能环保等诸多好处。已有的实验局运行表明：该方案可为用户带来：可靠性提高200%，运营费用降低15%，占地面积节省33%，投资成本节省20%，设备利用率由35%提高到90%。从理论上讲服务器输入交流电和输入直流电是一样的。对元器件的要求也是一样的。而且直流输入省去了服务器电源的APFC变换，更是提高效率，提高可靠性，无任何任何不良影响。只需要人们改变一下使用习惯。

志成冠军集团公司根据多年电源研发经验，针对客户需求，响应国家政策，投入人力、物力为通信系统设计了高压直流供电方案：高压直流供电系统。该系统有240VDC、400VDC两种电压等级，配合交流配电柜、直流配电柜、交直流配电柜组成多种系统。针对小功率数据中心设计了融交流配电、直流配电、整流功能为一体的一体化高压直流系统。高压直流电源系统采用最新电力电子技术成果，最新数字控制技术，最新三电平拓扑结构，最新软开关技术，最新监控技术、网络技术、视频技术、电池管理技术、可靠性技术、智能化管理理念等。系统效率高、功率因数高、功率密度高、可靠性高、电磁干扰小。属通信系统的一类设备。满足节能、环保要求的绿色电源。

高压直流电源系统简介

CPHV-400-25A CPHV-240-40A电源系统是志成冠军集团集多年开发和网上运行经验，采用DSP 技术、为满足核心网供电需求而设计的高可靠、高功率密度、高性能全数字化分立式通信电源整流模块，适用于大中小型交换局、数据中心、移动交换局及移动汇接局等场合。该系统由整流柜、交流配电柜及直流配电柜组成，单柜容量达300A（400VDC），并可通过并机扩容方式实现600A(400VDC)容量。系统特点：

?三相三线制宽交流输入电压工作范围。

?超大系统容量，低输入电流谐波，高功率因数。

?完善的交、直流侧防雷设计。

?整流模块采用全面软开关技术及休眠节能技术，高效节能。

?完善的电磁兼容设计，符合CE、YD/T 983-1998等标准。

?整流模块无损伤插拔技术，即插即用，更换时间小于1min

?智能化电池管理，有效提高蓄电池组性能及使用寿命

?网络化设计，提供多种通信接口，灵活实现远程监控组网

?完备的故障保护、故障告警功能。

?直流配电柜采用模块化设计：配电监控模块化，开关组件模块化。可以根据需要随时增减直流配电开关模块数量，使用非常方便。交流配电柜、直流配电柜均配置有独立监控单元，可脱离系统独立使用。CPHV系列高压直流系统具有：

运行节能、环保；

操作方便、直观；

安装简单、轻便；

维护容易、快捷；

扩容即插、即用。

系统图片：

系统性能参数表

系统原理图（两套整流柜）

上述原理图是两套整流柜的大容量解决方案。其中主备整流柜输出可以单独组成母线（双母线），由一组独立的直流配电模块给18路～36负载供电。也可以将两直流母线连接在一起（单母线），由一组或两组直流配电模块给18路～36路负载供电。

系统配置

根据不同客户的要求，高压直流系统的配置方案有，一体化系统，分屏系统1，分屏系统2，分屏系统3，非标系统等。以下简单介绍。

方案一：400V/200A

一体化系统：交流配电、直流配电、整流模块、配电监控模块、系统监控模

块均安装在一个柜体中。整个系统是一个柜体。适用于小功率系统。

CPHV-400-200A-S 一体化系统标准配置：

系统柜采用2000mm*800mm*800mm 服务器标准机柜.

名 称 型 号

说 明 数量 备注 1 交流配电 S4-250A 四极交流空开+40KA 防雷 1 2 直流开关模块 DCB40A

40A 空开+绝缘监测+开关量+指

示灯

6 电流可选

3

配电监控模块

CPHV-MC400A

配电部分电量检测 1 4 系统监控模块 CPHV-MS400A 系统智能控制中心 1 5 整流模块 CPHV-400-25A 8+1冗余整流模块配置 9 最大配置 6 电池组接入空开 S3-250A

三极交直流两用空开，带开关量，绝缘监测，电流检测，

1

电压检测

方案二：400V/300A 分屏系统1：由一个整流柜、一个配电柜组成。适合于中功率系统应用。

CPHV-400-300A-F1分屏系统Ⅰ标准配置：

系统柜采用2000mm*800mm*800mm 服务器标准机柜

方案三：400V/300A 分屏系统2：由一个交流配电柜、一个直流配电柜、一个整流柜组成。适用于

中功率应用。单独配置直流配电柜主要是为了增加直流输出支路数量（列头柜）。

CPHV-400-300A-F2分屏系统Ⅱ标准配置：

名 称

型 号

说 明

数量 备注 1

交、直流配电屏 CPHV-400-300AS

1个四极交流空开+40KA 防雷 +3个直流开关模块+1个配电监控模块+2组电池开关+开关量、绝缘监测等

1

电流检测 直流开关模块电流可选 2 整流屏

CPHV-400-300AR

1个系统监控模块CPHV-MS400A+13个整流模块CPHV-400-25A

1

12+1 冗余

系统柜采用2000mm*800mm*800mm 服务器标准机柜

方案四：400V/600A 分屏系统3：由一个交流配电柜，一个直流配电柜，两个整流柜组成。适用于

大功率，多负载的应用。直流配电部分可以采用单母线方式，也可以采用双母线方式。也可以再增加一个直流配电柜（做为列头柜）（一个直流配电柜可配置36直流开关模块，带36路直流负载）。

CPHV-400-600A-F3标准配置：

名 称 型 号 说 明

数量 备注 1

交流配电屏

CPHV-400-300AS

2个四极交流空开+40KA 防雷 +6个二极交流空开+2～4个三极交流空开+1个配电监控模块 +开关量等

1

交流输入带电压、电流检测 2 直流配电屏

CPHV-400-300DS

2组电池开关+18～36个直流开关模块+2个配电监控模块+开关量、绝缘监测等

1

可选增加开关模块数 3 整流屏

CPHV-400-300AR

1个系统监控模块+13个整流模块

1

12+1 冗余

名 称

型 号

说 明

数量

备注

系统柜采用2000mm*800mm*800mm 服务器标准机柜。

方案说明

本文向客户提供了四种解决方案，客户根据自己的负载功率选择整流模块数量（整流柜功率）；根据负载路数选择配电柜是一体化交直流配电柜还是独立的交流配电柜、直流配电柜。包括直流配电柜中直流开关模块的数量（每个开关模块1路），电池组的组数等。上述方案中柜体数量、模块数量、开关数量、市电输入路数，电池组数，负载支路数，负载电流检测，母线连接方式等都可以选择。直

1

交流配电屏

CPHV-400-300AS

2个四极交流空开+40KA 防雷+6个二极交流空开+2～4个三极交流空开+1个配电监控模块+若干开关量等

1

带电流、电压检测，

2 直流配电屏

CPHV-400-300DS

2组电池开关+36个直流开关模块+2个配电监控模块+开关量、绝缘监测等

1

3 整流屏

CPHV-400-300AR

1个系统监控模块+13个整流模块

2

12+1 冗余

流侧需要加防雷器时需要在订货时特别注明。客户可以参考我司直流产品技术手册、高压直流系统操作手册等，做设计选择、设备选型等。如有不明白的问题可以直接向公司研发人员咨询。

工程安装

高压直流系统所有柜体均为标准网络柜，带滚动轮，带底脚。用户可以将柜体移动到目标位置，然后调节底脚使其固定即可。所有柜体均为上出线方式。配电柜内已标明接线端子。客户一看就明白接线方式。所有负载输出已连接到端子排上，客户拿掉前面板，按照丝印接线即可。柜体内有接地铜排，安装时需要良好接地。交流配电柜内若需要单相开关时，请按三相四线制的接法引入中线。可参考高压直流系统操作手册等。

中国电信陕西公司IDC机房动力改造方案

根据客户要求：原2400KV A的UPS并联动力系统，其有功功率：2400*0.7=1680KW,再考虑20%的余量，实际负载功率=1680*0.8=1344KW。所以该系统可以由两组700KW的高压直流电源系统组成的动力系统方案替代。如下图所示：每组系统由一个交流配电柜，7个整流柜，2个总输出配电柜，5个列头柜、两组电池组成。

总系统图：

两组700K直流系统既可以单独带负载工作，也可以做成1+1冗余方式工作。若果负载时两路输入，建议采用两组共同带载工作。

分系统图（700KW直流系统）：

分系统介绍：

交流配电柜：标准机柜：800*800*2000，内配双路市电自动切换开关，容量380V，1250A。可自动、手动切换，切换时间0.08～30S可调。安装100KA防雷器模块，实现浪涌电压防护。两路市电接入后再由8路250A-3P空开分8路输出。给7个整流柜供电，一路留用。

交流配电柜内装一个配电监控模块(CPHV-MC240A)，用于两路市电检测，防雷器空开检测，8路负载（整流柜、其他交流设备）开关状态检测。通过CAN总线将交流配电柜的监测数据发给总监控模块（在直流总输出配电柜内）。两路交流输入电流检测可选，用户自定。机柜防护等级IP20，上进、上出线方式。其原理图如下：

直流总配电柜：标准机柜：800*800*2000。直流总配电柜分为两个，一个接4个整流柜的输出，一个接3个整流柜的输出。每个直流总配电柜接入一组电池组。这样相当于将7个整流柜的输出分为A、B两组，每组根据容量配相应的电池组。两组可以独立带载工作，也可以并联带载工作。根据试点技术要求，各整流柜的输出通过熔丝在总配电柜内并联连接。再与电池组连接汇流。然后通过熔丝分配给各列头柜（直流配电开关柜）。总直流配电柜内装配一个系统监控模块，一个配电监控模块。系统监控模块与电池组、整流柜监控模块之间通过CAN总线通信。控制各整流柜调压、调流、遥控、

遥测、遥信等；控制整流柜完成电池管理（自动充放电），负载分配，各整流柜之间均流，每个整流模块状态检测等；完成数据处理、事件记录、告警、上报后台或远端集中监控平台（以太网）。配电监控模块完成各熔丝状态检测、各整流柜电流检测、电池组电流检测、各支路绝缘监测。将这些数据通过CAN总线传给系统监控模块。

直流总配电柜原理图如下：

列头柜：标准机柜：800*800*2000。承接总直流配电柜输出，将其分配给每路实际负载。本柜主要由直流开关模块，配电监控模块，输入熔丝组成。直流开关模块36个，配电监控模块两个。每个直流开关模块内有一个绝缘监测，一个双极直流空开，一个辅助开关，一个可选的电流检测，一个状态指示灯，一个插拔端子。所以本模块可以自由插拔、拆卸、更换。维护非常方便。本模块信号与

配电监控模块相连接。将其状态、数据及时传给配电监控模块，配电监控模块处理后通过CAN总线传给系统监控模块。可以在系统监控模块上查阅任何一开关模块的电流、绝缘、闭合状态等。本柜体内的配电监控模块主要监控每个开关模块。每个可以检测18个开关模块。

列头柜的原理图如下：

电池组：两个直流总配电柜各带一组电池，每组电池120节/2V。容量根据备电时间选择。按一小时备电时可选：1000AH一组，750AH一组。电池组可选配我司的电池管理模块，通过以太网与系统监控模块连接。可以方便的检测每节电池的电压、内阻。以便系统监控模块控制整流柜对电池进行自动充放电管理。用户及时掌握电池状况，同时可延长电池使用寿命。

电池管理模块如下图：

整流柜：标准机柜：800*800*2000。由整流模块，系统监控模块，20KA防雷器，反阻二极管、输出总开关等组成。模块配置10+2冗余方式，总功率100KW+20KW，总电流400A+80A。输出电压连续调节范围180～288VDC。整流柜性能参数如下：

※输入电压范围304-456V AC，三相三线制或三相四线制。

※输入功率因数0.995

※输入总电流谐波小于5%

※输入防雷等级：柜体（20KA）、模块（1.5KA）。

※输出电压180～288VDC，标称电压270VDC。

※输出电流40A，过载回缩。

※整流柜效率94%，整流模块效率94.5%。

※稳压精度《0.3%。

※稳流精度《0.5%。

※纹波电压《0.1%。

※并联均流：数字均流，电流不均度《3%

※全数字控制、软开关、多电平变换。

※输入、输出隔离度大于3000VDC

※电磁兼容满足YD/T 983-1998标准要求。

※与监控模块通过CAN总线连接，实现四摇控制，模块休眠、模块轮休、智能调度、均浮充转换、连续调压、调流等。

※绝缘检测放在负载侧，整流柜不设。

整流柜原理图：

系统工作过程说明：

交流配电柜将两路市电引入，分配给个整流柜，整流柜完成交流变直流的隔离变换。整流柜内的系统监控模块完成本柜体内的整流模块四摇控制，智能管理、智能调度、状态监控、电压、电流调节等。模块之间均流由并连在一起的模块自主完成。各整流柜体之间的均流由总输出直流配电柜中的系统监控模块控制完成，电池充放电过程控制也由总输出直流配电柜中的系统监控模块完成。但是本监控模块不涉及智能控制问题。各整流柜的输出汇总到总输出直流配电柜中，再与电池组汇流，形成

1600A、1200A的直流母线A、B。这两条直流母线之间可以根据实际情况连接起来，也可以单独分两路输出。电池组监控、管理由总输出直流配电柜中的系统监控模块完成。最后两条直流母线引入到列头柜，由列头柜内的直流模块直接分配给多路负载。完成直流配电。若果所有负载需要两路供电，则可将两套700KW系统的输出分别引入负载即可。

志成冠军高压直流系统各部件介绍：

整流模块：CPHV400-25A CPHV240-40A

整流模块是高压直流电源系统的核心部件，完成将交流电隔离变换成直流电供负载和电池组。整个电源系统的性能完全取决于整流模块。系统的可靠性也主要体现在整流模块的可靠性。所以整流模块必须采用最新技术、最新工艺、最新器件、最新理念来设计。最新技术包括：最新数字控制技术、最新电力电子拓扑结构、最新控制算法、最新监控技术、网络技术、电池管理技术、可靠性技术、智能化管理理念等；最新工艺：最新磁性器件制造工艺、最新高密度装配工艺、模块化积木式设计装配工艺等；最新器件：最新磁性器件、最新功率器件、最新控制器件等；最新设计理念：增加智能化程度、模拟人们的管理行为、减少维护、监控等劳动强度。上述技术、工艺、设计理念才能保证整流系统满足：系统效率高、功率因数高、功率密度高、可靠性高、电磁干扰小，通信系统一类设备要求，满足节能、环保要求的绿色电源。

志成冠军集团研发的整流模块采用三线三线制三电平有源PFC变换电路，数字控制。输入功率因数达0.997。输入端总电流谐波小于4%。变换效率达98%。隔离式全桥三电平软开关变换技术，数字控制。使得DC/DC变换效率达97%，调压范围大，功率达12KW。功率密度高、效率高、干扰小、输入电流谐波小，真正做到节能环保。与监控配合可以实现高智能控制、智能化调度，进一步提高整个系统的效率，降低损耗，提高可靠性。

整流模块性能指标：