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        ups不間斷電源系統的設計
        2020-12-02 06:46:40

               數據中心供電系統,由中壓配電、變壓器、低壓配電、ups不間斷電源、末端配電以及發電機等設備組成。其中,UPS的主要作用,是在市電電源中斷、發電機啟動之前,確保所帶的負載持續供電,因此,ups不間斷電源系統包含了儲能設備,如蓄電池或飛輪;此外,傳統UPS還具有隔離市電側浪涌、電壓驟升驟降等作用。?

               ups不間斷電源系統是數據中心供電連續性的重要保障,UPS系統的可靠性直接影響數據中心的可靠性,同時,在絕大多數數據中心,UPS系統的損耗可占IT設備能耗的10%以上。因此,提高UPS系統的可靠性,同時降低其損耗,就成為數據中心UPS系統架構演變的主旋律。?

        1.?普通UPS供電系統?
        目前,數據中心內應用最廣還是傳統UPS不間斷電源,它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態旁路3部分電路組成,DC母線上掛接蓄電池,輸入AC正常時,經整流和逆變兩次轉換后為負載供電,同時為蓄電池浮充,輸入AC中斷時,蓄電池由浮充轉放電,經逆變器為負載供電,對負載來說,感受不到輸入端電源的中斷。?

        UPS設備的分類
        從結構上看,UPS設備可以分為后備式、在線互動式、雙轉換在線式、Delta?轉換在線式等類型,其中前兩種主要用于小容量負載(≤5kVA),Delta轉換在線式技術受專利保護,因此,大型數據中心主要采用雙轉換在線式UPS設備。?

        傳統的雙轉換在線式UPS設備采用可控硅整流,主要的問題是諧波電流畸變率(THDi)高(10-30%),轉換效率低(85-92%)。?

        隨著ups不間斷電源的發展,呈現出IGBT取代可控硅整流的趨勢,IGBT整流的優勢是取消變壓器,因而降低了成本,同時有比較好的輸入特性,在較寬的負載范圍內,可以將THDi控制在5-10%之間,最大的好處是效率的提升,通常在87-95%之間。目前,IGBT整流型UPS的可靠性比可控硅整流型略低。?

        UPS冗余設計
        由于UPS設備結構復雜,因此自身容易發生故障,設備冗余可以提高可用性,UPS系統便有了N、N+X、2N、”市電+U電“等架構。?

        • N系統滿足基本需求,沒有冗余的UPS設備。它的優點是系統簡單,硬件配置成本低廉;由于UPS工作在設計滿負荷條件下,因此效率較高。其缺點是可用性低,當UPS發生故障,負載將轉換到旁路供電,無保護電源;在UPS、電池等設備維護期間,負載處于無保護電源狀態;存在多個單故障點。


        • N+X并聯冗余系統是指由N+X臺型號規格相同且具有并機功能的UPS設備并聯組成的系統,配置N臺UPS設備,其總容量為系統的基本容量,再配置X臺(X=1~N)UPS冗余設備,允許X臺設備故障退出檢修。相對于“N”系統,“N+X”系統在UPS配置上有了一定的冗余,系統可靠性有所提高,同時帶來了系統配置成本的增加、系統負荷率的降低以及效率降低。N+X系統在成本增加不多的前提下提高了可用性,因此,在數據中心得到了廣泛的應用,但是該系統在UPS輸出端仍然存在單故障點,實際項目中由此造成的系統宕機屢見不鮮。


        • 2N,為了消除單點故障,高等級數據中心通常采用2N冗余系統。該系統是指由兩套或多套UPS系統組成的冗余系統,每套UPS系統N臺UPS設備的總容量為系統的基本容量。該系統從交流輸入經UPS設備直到雙電源輸入負載,完全是彼此隔離的兩條供電線路,也就是說,在供電的整個路徑中的所有環節和設備都是冗余配置的,正常運行時,每套UPS系統僅承擔總負荷的一部分。這種多電源系統冗余的供電方式,克服單電源系統存在的單點故障瓶頸,對于少數單電源設備的情況,可通過安裝小型STS設備,保證其供電可靠性。采用2N冗余系統可用性得到明顯提高。

        • 2N冗余系統的缺點也非常明顯,設備配置多、成本高,通常情況下效率比N+X系統更低。

        • “市電+U電”供電架構由百度提出并在其自建M1數據中心規模應用,它在N+1系統基礎上做了改進,UPS設備配置不變,將服務器等雙電源設備的其中1路改由市電直接供電,消除了單點故障,可靠性較N+1系統大大提高,同時,UPS系統的損耗降低為原先的50%。UPS系統整體效率提升至95%以上。UPS?ECO模式帶來了效率的提升,其代價是IT負載由市電供電,UPS必須不斷監視市電狀態,并在發現問題且當該問題尚未影響負載時,迅速切換到逆變器供電。這個聽起來簡單,但實際操作起來非常復雜并且需要承擔很多風險以及潛在的負面影響。


        2.?高壓直流(HVDC)不間斷電源系統?
        盡管所有國家的市電都是交流,但是IT設備內部都采用直流供電,這就為直流供電提供了可能。事實上,通信行業采用直流48V供電已經有幾十年的歷史,電力行業也長期采用直流220V作為斷路器等設備的操作和控制電源(直流屏)。?

        傳統UPS設備存在效率低、可靠性差、靈活性和擴展性差、故障后不易修復等問題,所以業內一直在尋找替換UPS的方案。

        現有主流的高壓直流供電系統圖,與通信行業48V直流系統架構基本一致。與傳統雙轉換在線式UPS系統的主要區別,是取消了逆變環節,蓄電池掛接在直流母線,與整流器并聯,同時為IT設備供電。由于直流電源拓撲簡單,因此故障率較UPS有所降低,因采用模塊化設計,可在線維護。


        3.?分布式不間斷電源系統?
        UPS或HVDC通常采用集中式供電方案,集中式系統的優點是可以實現資源共享,降低成本,其缺點是系統故障范圍大,影響面廣。?

        UPS也有小型機分布式供電方案,但是多套分布式小型機系統與1套集中式大型UPS系統相比,小型機的數量多,故障點多,成本高,因此大中型數據中心不會采用分布式UPS系統。?

        盡管有如上問題,但是對于分布式不間斷電源系統的探索,從來沒有停止過。百度和soso都在探索分布式ups不間斷電源在IDC數據機房中的應用。

        • 百度是最早進行服務器自研定制的互聯網公司,同時也最早放棄了集中式ups不間斷電源方案,轉將蓄電池分布到每臺服務器電源直流12V輸出端。市電正常時,進入服務器電源轉換成dc12v為服務器主板供電,同時為蓄電池提供浮充電源,市電停電后,由DC12V母線并聯的蓄電池繼續給主板供電,直到柴油發電機啟動后回復交流供電。百度早期采用鉛酸電池供電,因服務器內部高溫導致鉛酸電池故障率高,后改為鋰電池方案。蓄電池的后備時間為分鐘級(通常為1-3分鐘)。此方案的優點是大大簡化了IT設備前端供電系統,缺點是服務器電源需要深度定制。


        • soso自建數據中心的供電系統采用DC48V離線備用系統。為每6個9kW的機柜配置1個鉛酸蓄電池柜,輸出為DC48V,服務器電源采用AC277V和DC48V雙輸入,市電正常時作為主用,市電中斷后由蓄電池輸出DC48V為服務器供電。蓄電池后備時間為45秒。此方案的系統效率與240V?HVDC?Offline方案及DC12V分布式系統相當。


        • 隨著業內對數據中心能耗關注日益增強,國內近幾年出現了一種新型的分布式DC240V電源設備,同樣采用離線方案,市電正常時,直接輸出市電電源,市電停電后,由內部鋰電池提供DC240V輸出。這種方案的優勢是IT設備無需定制,只要兼容DC240V供電即可。其缺點是電源內部存在AC220V和DC240V的切換,系統可靠性降低;鋰電池串聯數量多,單只電池故障會影響系統的可靠性。從實際應用效果看,某互聯網公司租用的數據中心一年中發生十幾起電源故障,證明此架構還需完善。


        4. 未來發展趨勢
        過去,計算機作為一種非常嬌貴的設備,雙轉換在線式UPS消除了市電電能質量問題,但帶來了6-10%的電能損失以及其自身可靠性低的問題。?

        通過冗余可以提高系統可靠性,ups不間斷電源發展出主備供電、N+1冗余并機、雙總線、分布冗余等方案,相應帶來的是成本和能耗的進一步增加。?

        為了避免UPS設備故障率高的問題,國內提出并已規模部署了直流240V電源系統,大部分IT設備可以直接兼容直流供電。

        數據中心不間斷電源系統架構呈現如下三種趨勢:?
        第一,從在線到離線。ups不間斷電源ECO模式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等本質上都是將電源離線,從而降低電源成本和運行損耗。?

        第二,從集中到分布。隨著鋰電池等新型儲能設備的發展以及大數據時代服務器快速部署、靈活擴展的需要,不間斷電源設備正在從集中到分布。?


        第三,未來數據中心供電發展的整體趨勢是由高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發展,由機房外集中式鉛酸電池向IT機柜內分布式?。ㄤ嚕╇姵胤较虬l展,從化石能源向綠色能源方向發展。


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