UPS和直流供电的思考

Posted on March 5, 2018

为了在网络断电后还能使用, 我曾经给路由器配置 12v 直流 UPS. 但是, 随着我的网络扩展, 出现了更多的设备, 而且这些设备不再是12v电压供电的了, 而是出现了 24v 和 54v 供电的设备. 同时, 12v 供电的设备也增加了, 原来的 UPS 容量就显得捉襟见肘了. 我继续要对 UPS 进行一次升级.

一劳永逸的解决方式, 其实是直接购买普通的 220v 逆变输出的 UPS. 但是, 生命在于折腾, 而且, 这种 UPS 效率很低, 因为 DC 经过一次逆变后, 还有再变压直流, 其实这中间的转换就属于脱裤子放屁多此一举, 除了带来毫无意义的能源损失. 除非用电设备是非交流电不能的, 比如 单相异步交流电机 然而我的设备里, 即使是网络存储器的散热风扇, 也是 12v的直流风扇而已. 所以, 直接购买UPS显然不够极客, 也不适合节能减排的今天.

当然, 我也可以继续扩容 12v DC UPS. 多并联几个就好了. 然后使用 12v -> 24V 和 12v-> 48v 的 DC/DC 变换器来解决使用其他电压的设备供电.

但是这样做会有2个问题, 第一个问题是, 这种寨牌的成品UPS并不能水平扩容. 第二个问题则是, 又要引入许多电压转换, 带来能源损失. 本身电池储能就有限, 不能肆意铺张浪费.

思考再三, 我决定储能上使用 48v 电池. 因为如此耗电最大的设备, ES-8 POE 交换机, 就可以直接使用电池供电. 最大限度的减少变压带来的损耗. 电池类型上呢, 决定使用更加经济环保的磷酸铁锂电池. 这种电池在同样体积下, 比铅酸蓄电池提供了更大的容量, 而且并没有贵太多. 虽然单个电池更贵, 但是单位容量的成本反而是下降的.

接着, 购买了自动切换主备电源的开关, 主电源停电后, 自动闭合备用电源. 用电设备呢, 则是购买了1拖2的那种DC转接线.

电池的输入和自带电源适配器的输入, 共同并入用电设备. 由于备用电源在主电源有电的情况下, 是常开状态的, 所以其实这种情况下, 并不会出现适配器的输出给电池充电的情况 (这种情况是要极力避免的, 因为这种适配器并不能用来给电池充电, 否则极易使电池报废).

大功告成后, 发现了一个问题, 就是这种主备自动切换的开关, 有一个切换延迟. 这个延迟虽然小, 但是还是导致切换的时候, 设备重启了. 这个问题呢, 暂时通过引入一个小容量的超级电容解决了.

但是, 这个事情呢, 也让我认识到, 后备式UPS 在切换的稳定性上, 不如在线式UPS. 但是, 在线式UPS最大的问题, 就是电压多次变换导致的效率低下. 只要设备还是工作在 220v 交流电下, 在线式就不可避免的要引入逆变器, 不可避免的要效率低下.

如果不要逆变器呢? 如果我使用的是, 带电池管理功能的 48v 开关电源, 则其实电池是可以直接接入母线. 变成直流的在线式UPS. 这个固然效率很高, 但是只适用于直流供电的设备, 不适用于其他类型的设备. 而且, 48v 电压, 也只能用在路由器交换机这种耗电不大的设备上, 所以, 直流的在线式UPS始终无法应用开来. 否则电流太大, 耗费在电缆上的能源也非常可观, 减少能耗使用非常粗的电缆则不现实.

真的吗?

如果提高直流电压, 比如提高到 300v 呢? 220v 交流电压其实只是个等效值, 他的峰值电压其实可以到 311v. 也就是说, 如果使用 300v 的直流电, 其实现有的布线绝缘等级是完全够用的, 而且电压提高了, 实际上能输送更大的功率.

用电设备又如何呢?

现如今, 大部分家庭设备, 其实都是直流的, 有的外置,有的内置, 不管外置还是内置, 都有一个开关电源. 这些开关电源的工作原理, 恰恰是对 220v 的交流电进行整流, 变成大约 300v 的直流电, 然后内部再进行 DC 变压进而输出需要的电压.

而像电饭锅之类的设备, 实际上发热元件只是电阻, 本身并不在意是交流还是直流.

少数必须交流才能工作的电器(比如电风扇), 则可以单独配置逆变器解决, 或者改成更先进的变频电机(凡是变频电机的设备, 内部其实还是需要直流电的, 通常设备在电源线刚进去, 就通过一个整流器整流为直流电, 然后再使用.)的款式.

如此一来, 其实现如今, 家庭用电,其实完全可以使用 200v - 300v 的高压直流电.而不需要改造家电. 只需要在电线入户处配置一个高效的大功率整流器即可.

直流的好处, 首先就是比交流安全. 虽然 300v 的直流电仍然是属于可以电死人的电压, 但是仍然比交流电更安全. 第二个好处, 就是方便使用家庭储能, 少掉逆变器, 大大增加系统的可靠性, 大大降低系统的成本. 第三个好处, 方便接入新能源. 因为新能源通常产生的是直流电. 如果家庭内部使用的是直流电, 就可以直接并网让家庭优先使用本地产生的新能源, 而不需要进行并网控制. 第四个好处, 直流供电的家庭, 无法向电网馈送功率. 大大增强电网的稳定性.

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