直流供电系统

深圳艺朴露科技有限公司、海南电网有限责任公司海口供电局的研究人员谢本建、徐平、许锦兰、林斯正、吴松泽，在2017年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，随着自动化程度的不断提高，直流供电系统负载中，精密的自动化设备越来越多，而依靠单一的蓄电池供电的直流系统，越来越不能满足通信、保护、控制等系统的高可靠性要求的需要。

本文介绍了一种新兴的直流供电方式的应用，利用超级电容与蓄电池组成的新型储能系统，大大提高了直流供电系统的稳定性和可靠性，通过实际应用的数据和图表，验证了该储能系统的实践效果，为其进一步的开发与研究提供参考。

1 引言

超级电容器是在上世纪中期电化学领域发展起来的一种新型储能电气原件，业内也叫电化学电容，也有的称为黄金电容。其储能的过程是可逆的，而且在这个过程中并没有发生化学反应，它的功率密度高，使用寿命长，放点完成后恢复时间短，还具有结构简单等等特点，越来越得到各行各业的广泛应用。它本身具有电容和电池两种元器件的特性，在某些领域其使用性能可能会更优于电池。

近些年，我国对超级电容器的应用也得到了飞速的发展，其在各行各业的使用范围也在不断扩大，包括电动汽车领域，数据记忆存储领域，便携仪器应用研究领域，应急后备电源领域等，特别是在电动汽车领域，2004年7月份由上海奥威科技，上海交大等十几家科研机构共同开发的电容公交车快速充电系统通过验收，并在上海张江开始投入试运行阶段。

直流供电系统中主要负载有：控制系统、保护系统、信号系统和通讯装置系统的直流操作电源，此外，事故照明系统也采用直流电源供电，各行各业都离不开直流电源供电系统。因此，直流系统的安全性和可靠性的提升是一个非常重要的问题。

现如今大多数直流电源采用蓄电池作为储能设备，而蓄电池虽然容量能够满足直流系统的需求，但存在功率密度低，对于大电流的输出能力差等缺点，对于某些重要领域，如电力、医学等，直流系统的稳定性和可靠性十分重要，为提高直流系统的供电的稳定性，及作为备用电源的可靠性，必须采用大容量功率型蓄电池组，它的缺点是价格高寿命短，后期维护工作繁琐，存在事故隐患。

这样可以将超级电容与蓄电池组相结合，用超级电容的动态响应速度快，大电流输出能力强，充电恢复时间短等优点，弥补蓄电池组的缺点，采用混合储能的直流电源系统是一个不错的组合方案。

2 超级电容储能系统的结构

一个典型的超级电容储能系统包括：核心元件超级电容，电路的控制机构（电源开关），超级电容状态控制器（DC-DC变换器）及相关参数检测控制设备。超级电容储能系统原理流程图见图1。

图1 超级电容储能系统原理流程图

从上图可见参数检测控制装置的作用主要是监测直流供电系统和超级电容器各项工作参数及运行状态，确保整个超级电容工作系统运行平稳。如果超级电容在充电状态时，改变DC-DC变换器的状态，使得其变换为一个降压电路向超级电容充电。

而在超级电容放电时，将DC-DC变换器变换为升压电路使超级电容向电网输送电能。超级电容在充电完成后会处于空闲状态，当直流系统因操作，故障等原因出现电压大幅变化，参数检测控制装置会将监测结果传输至DC-DC变换器，使其根据分析结果改变工作方式，使超级电容做为电源，向直流电网输送电能，以维持直流系统电压不变。

3超级电容储能系统的等效电路（略）

图2 混合储能系统等效电路图见

4超级电容储能系统的实际应用

某变电站通信系统，直流电源取自于二次直流屏直流220V转换成直流48V的直流电源，未改造前为蓄电池组储能直流屏供电的直流电源，系统存在以下缺陷，即直流系统中某一供电支路出现短路等故障时，在空气开关脱扣隔离故障点前一段时间，发生直流母线电压跌落式下降，从而造成通信设备因电压跌落过低而重启，事故近一步扩大。

该变电站通过后期改造，在通信电源直流系统中增加短路补偿器，该短路补偿器与直流系统空气开关脱扣曲线配合，解决因支路短路故障引起的系统重启问题。而短路补偿器的核心装置就是超级电容。

短路补偿器工作原理：监测控制系统检测到某一供电支路短路时，使DC-DC转换器变换成为升压电路，使短路补偿器内的超级电容释放大电流，减缓直流母线电压跌落，使短路支路的空气开关有足够的时间脱扣，隔离故障点，保证其他支路的通信设备正常工作，不受电压跌落而影响而重启。直流系统中短路补偿器的接线示意图见图3

图3 直流系统中短路补偿器的接线示意图

我们分别对安装与不安装短路补偿装置直流系统做了短路模拟实验，我们获得以下实验数据：在未安装短路补偿装置的直流系统中：支路负载正常状态下母线电压检测为53.6V，此时模拟支路短路故障，直流系统电压变化曲线如图4，从图像可以看出，从发生短路故障开始，电源电压从40V（通信系统工作电压最低允许值）下降至0V,再从0V到40V用时约10MS，母线电压直线下降至0V，且电压恢复正常时间过长，从而导致所有设备重启或死机。

图4 未安装短路补偿器时直流系统电压变化曲线

在安装短路补偿装置的直流系统中：支路负载正常状态下母线电压为53.5V，模拟短路实验后，直流系统电压变化曲线如图5，从图像可以看出，电源电压从40V下降至33V,再从33V到40V用时约2MS，大大降低了电压跌落的幅值和电压恢复时间，由此可见，安装补偿器设备时补偿器内的超级电容对母线电压具有缓冲作用，短路支路跳闸后，其他通讯支路工作正常，不由短路支路故障影响。

图5 安装短路补偿装置后直流系统电压变化曲线

该短路补偿装置在海口地区12个110kV变电站试点应用，试运行后推广至电网公司范围内的所有变电站使用。试运行内容主要包括：在海口地区选取已有48V通信DC-DC模块的12个110kV作为本项目的试验变电站，各安装1台短路补偿器，测试在各种负载条件、各种运行环境下短路补偿器的实际性能表现。

通过设备投入的前期运行观察，实验结果达到了设计的预期效果，提高了通信系统和变电站各监测控制系统的稳定性和可靠性，提高了蓄电池组投入的使用寿命，减少了直流系统后期运行过程中的维护成本。

5结束语

现如今，几乎各行各业都离不开直流供电系统，而以往采用单一蓄电池供电已经不能满足如今直流系统安全、稳定的运行，超级电容与蓄电池混合储能系统的出现弥补了单一蓄电池供电时，对故障发生产生跌落电压造成的负荷重启死机等情况的发生。

我们采用了超级电容--蓄电池混合供电系统，充分利用并发挥了超级电容的功率密度高，寿命长的特点，既满足了直流系统的要求，又实现了蓄电池充放电的灵活控制，延长了蓄电池的使用寿命，提高了直流系统运行的技术经济性。

高压直流供电系统能够替代目前的交流UPS供电系统而为数据服务器供电。

1.服务器电源的基本原理

现在IDC机房的服务器内部一般使用可靠性较高的高频开关电源，把外部输入的交流电转化为内部电子电路所用的直流电。对于功能强、使用在重要场合的服务器或小型机，均配置两个及两个以上的模块并联运行。

虽然服务器设备输入是交流电源，但核心部分还是DC/DC变换电路，我们只要输入一个范围合适的直流电压给DC/DC变换电路，就同样能安全满足服务器设备工作。图5-7中因为输入端没有工频变压器，所以输入直流不会产生短路阻抗，就没有必要非得交流输入，不用交流也就没有必要用UPS，由此因UPS交流供电引起的一切不利因素也就自然而然地消失了。如果我们输入的直流合理地配上蓄电池，辅以远程监控，构成一个可靠的直流供电系统，就可取代交流UPS供电系统给服务器设备供电。

2高压直流供电系统的关键问题

电压等级的选择成为高压直流供电系统组成的关键问题。根据服务器的特点，目前高压直流供电系统电压等级的选择主要有两个标准。

(1)240V电压等级

在DC/DC的输入端电压范围为100VDC~373VDC，通过对服务器电源输入电压的分析，以及在实际中对服务器进行测试的数据，以240V为一种标称电压的观点已经得到认同。

在标称电压为240V的直流电压供电模式下，电池组配备120只2V电池(也可采用40只6V电池或者20只12V电池)。平时电池处在浮充状态，供电电压为270V。在电池供电时，最低电压为216V。在目前进行的测试中，服务器在这个电压下均能正常工作。

(2)380V电压等级

这类服务器电源在DC/DC的输入端电压范围为380VDC~400VDC，对应此类服务器电源则需要选择380V或以上的高压直流供电系统。

但是这种供电模式不适用国内现有的服务器设备，是对未来机房建设以及服务器设计的前瞻准备，因此要采用这种供电模式，需要服务器厂商的配合，也就是服务器电源要支持380V的高压直流供电模式。

相较于240V电压等级供电模式，380V电压模式供电情况下，会减少电缆耗铜量，线路损耗也会降低。

3高压直流供电系统的优缺点

(1)高压直流供电的优点

1)供电可靠性大大提高。采用直流供电的最大优点在于提高了供电的可靠性。这可以从三个方面体现:一是采用直流供电，蓄电池可以作为电源直接并联在负载端，当停电时，蓄电池的电能可以直接供给负载，确保供电的不间断。二是直流供电只有电压幅值一个参数，各个直流模块之间不存在相位、相序、频率需同步的问题，系统结构简单很多，可靠性将大大提高。三是虽然交流UPS系统可以提高冗余度来提高安全系数，但是由于涉及到同步的问题，每个模块之间必须相互通信来保持同步，所以还是存在并机板的单点故障问题。而直流模块没有这些问题，即使脱离控制模块，只要保持输出电压稳定，也能并联输出电能。

2)工作效率提高。和交流UPS系统相比，直流供电省掉了逆变环节，一般逆变的损耗在5%左右，因此电源的效率提高了。其次，由于服务器输入的是直流电，也就不存在功率因数及谐波的问题，降低了线损。再次，由于并机技术简单了，可以采用大量的模块并联，使每个模块的使用率可达到70%~80%，比交流UPS系统提高了很多。

3)系统可维护性增强。现在的交流UPS系统，涉及复杂的同步并机技术，整机的维护也只能依靠厂家。即使出现紧急情况时，我们的维护人员也只能等待厂家技术人员来解决，这些先天不足对安全供电存在较大的隐患。而采用直流供电，就如现在一直使用的−48V直流系统一样，系统由模块组成，虽然电压增高了，但只要做好安全防护措施，维护人员还是可以自己进行维护的，比如更换模块等。

4)扩容便捷。由于采用模块化结构，现在一个模块的容量一般在10kW左右，只要预留好机架位置，扩容是非常方便的。同时在建设的时候，可以根据服务器的数量逐渐增加模块数，使每个模块的负载率能尽量提高。这对于节能也是非常有好处的。

5)不存在"零地"电压等不明问题的干扰。因为是直流输入不存在零线，因此，也就不存在"零地"电压，避免了一些不明故障，维护部门也无需再费时费力去解决"零地"电压的问题。

6)投资及空间的节省。

(2)高压直流供电的缺点

1)对配电开关灭弧性能要求高。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，就不存在过零点，灭弧相对困难。因此配电所需的开关性能要求更高，会相应增加配电部分的建设成本。

2)电缆线径的增加。按目前的配电结构，从UPS输出到楼层配电柜，是采用三相四线供电，如果采用高压直流供电，则是一相两线供电，在相同电压下输送同等功率，电缆的消耗量将会有所增加。

3)其他问题。从理论上服务器电源使用直流电压输入是没有问题，但还不能保证实际使用中会发生一些意外，比如可能存在某些服务器电源的特别设计而不能使用直流电，或者长时间使用会不会增加服务器的故障率等，这都要经过实际使用的检验。

再就是如果使用直流电源，当服务器设备损坏时，服务器厂家对该故障的认可，有可能会因我们使用直流电源供电不符合其设计要求而推卸责任。