1 傳統UPS供電系統的技術現狀和存在的問題

圖1給出了傳統UPS的典型架構和工作狀態。從圖1可以看出傳統UPS是如何工作的,必然存在的固有問題,已經做過的和正在做的技術改進或補救措施。

 

(1) 傳統UPS供電系統結構的特點

①具有不停電供電功能的UPS設備配置在交流供電系統中;

②選用直流電池做備用能源,電池需要AC/DC變換充電和DC/AC變換供電;

③能源多次變換:UPS設備AC/DC和DC/AC兩次變換,還包括IT設備內部開關電源的AC/DC和DC/DC兩次變換;

④兩個諧波電流源:UPS設備AC/DC變換和IT設備開關電源AC/DC變換;

⑤交流輸入能源和備用能源(電池)都要經過UPS向負載供電,其供電可靠性取決于UPS系統可靠性;

⑥系統復雜,維護難度大,存在多環節串聯形成單路徑故障點,可靠性差。

(2) 當前的技術發展狀況

從當前用戶關注的焦點和UPS廠家技術改進的重點來看,要解決的問題和技術措施歸納起來有以下三點:

① 提高系統可用性

•提高設備可靠性;

•增大成本,對設備采用冗余配置,使其有容錯功能;

•對系統采用雙總線冗余配置,不但UPS有容錯功能,還可最大限度地減少整個系統的單路徑故障點;

•配置模塊化UPS,有冗余功能,并大幅度降低故障修復時間;

•提高設備智能監測和管理功能,便于維護,提前消除潛在的故障隱患;

•采用集成化系統設計,解決系統中各類設備阻抗和連接方式的匹配問題,提高系統集中管理功能,并最大限度地減少安裝和維護中的人為錯誤。

②抑制系統中諧波電流的產生及其治理問題

•加大零線規格和前端設備(變壓器、油機、配電開關、轉換開關等)容量,以便降低諧波電流的影響;

•6脈沖整流前加5次無源濾波器,PF=0.9,THD≤20%;

•輸入改為12脈沖整流+11次無源濾波器,PF=0.95,THD≤10%;

•6脈沖整流前加有源濾波器,輸入電流成正弦波,PF=0.99,THD≤5%;

•輸入改為PFC高頻整流,PF=0.99,THD≤5%;

•要求負載(IT設備)輸入開關電源采用PFC整流。

以上這些技術改進措施,還可以分為UPS設備和系統方案配置兩個方面,如表1所示

(3 )當前UPS供電系統運行中存在的問題

傳統UPS存在的問題,可綜合歸類于以下六個方面:

①系統可靠性

系統復雜、單路徑故障點多、設備可靠性差、維護難度大等;

②系統電流諧波*

系統中存在兩個諧波源,對電網和系統本身形成*、降低輸入功率因數和能源利用率、對地線系統提出苛刻要求等;

③系統成本和能源消耗

兩次轉換效率低、系統復雜提高購置和運行成本、電流諧波大增加濾波設備、輸入功率因數的低而降低了系統設備容量利用率;

④系統標準化

系統復雜為標準化帶來困難,系統設計建造停留在手工業階段;

⑤系統的靈活性和可擴展性

計劃容量一次性投入、難以變更和擴展,縮短了生命周期;

⑥系統使用維護難度
要求較高的維護水平,多供應商和非標準化使故障修復困難;

(4)值得思考的問題

①供電系統的現狀和趨勢是,系統不斷復雜化;設備堆積、結構臃腫;成本不斷攀升;效率難以再有效提高;系統構成五花八門,難以標準化。

②系統可靠性問題的存在,是因為UPS設備本身的可靠性不高;

③通過方案設計和智能管理提高可用性還有多大潛力?

④系統中的諧波是負載和UPS設備自身產生的;

⑤系統復雜性和設備容量利用率低下,造成了系統能源效率難以有效提高。傳統UPS設備在滿載時可達92%以上,在系統中實際的工作效率在85%～90%,而整個供電系統效率為75%～80%;

⑥維護難度增加,原因是系統復雜、可靠性差、沒有標準化。

2 傳統UPS供電系統的能源架構的形成

談到不停電供電系統,最重要的條件是必須具備兩種能源:

①主供電能源:通常是市電電網;

②備用能源:通常包括交流備用能源—發電機和直流過渡備用能源—蓄電池。

任何供電方案的形成,從根本上講是由兩種能源的特性和配置方法決定的。因此,在我們討論一個方案的優劣和探討可能的變革時,也必須從能源類型的選擇和配置方法入手。

(1)對傳統UPS供電系統進行改革的思考

談到傳統UPS的技術進步和變革,通常是指設備功能和電路技術的進步、系統方案設計的進步、新設備的應用和系統方案的改革。

但是,以下四個問題是傳統UPS系統難以解決的固有問題,使任何技術進步和改革都會遇到不可逾越的障礙:

①UPS供電系統可靠性差的主要原因是UPS設備可靠性差,前面講的所有提高系統可靠性措施主要是針對UPS設備的,UPS的AC/DC和DC/AC變換是整個供電系統中可靠性最薄弱的環節;

②AC/DC和DC/AC雙轉換結構形式形成對提高系統效率改革的制約,AC/DC和DC/AC變換運行效率難以再提高。提高可用性需要冗余并機系統,使供電系統設備容量利用率低于40%。設備容量利用率在20%～30%情況下,整個系統運行效率會降到80%以下;

③AC/DC和DC/AC雙轉換結構形式形成對提高可靠性改革的制約,AC/DC和DC/AC變換決定了UPS設備和系統的復雜性,已經采用過的各種技術措施在降低復雜性方面都沒有明顯的成效,甚至技術越進步,系統越復雜,進而可靠性越差;

④提高功率半導體器件性能的局限性對提高UPS設備的容量形成制約。提高單臺設備容量可降低系統的復雜性,但是當前的IGBT功率器件的輸出能力和電氣性能決定了單臺UPS輸出能力在400kVA左右,模塊化UPS可拔插的最大功率模塊限制在40kVA。

鑒于以上原因,我們對改革傳統UPS系統的設想是,從根本上去掉傳統的AC/DC和DC/AC變換結構,這可能是對傳統UPS供電系統進行徹底改革的唯一出路。

為此要做到兩點:

①去掉或轉移UPS對供電質量進行補償調控的功能;

②改變過渡儲能器件(蓄電池)在系統中的位置,或者采用新的儲能器件代替蓄電池。

(2)不停電供電系統能源配置要求

圖2給出了傳統數據中心供電系統的能源配置在圖2中,整個系統是靠三種能源實現不停電供電的:

 

①可連續供電的主能源—市電;

②可連續供電的備用能源—柴油發電機;

③在主備交流能源轉換期間保證IT設備連續不間斷供電的過渡備用能源—蓄電池。

(3)計算機供電系統演變和傳統UPS供電系統產生的過程

圖3給出了計算機供電系統演變和傳統UPS供電系統產生的過程。

 

從計算機問世至20世紀60、70年代,計算機由電網市電直接供電,機內電源擔負著高壓交流電到低壓直流電的轉換,并且保證了對IT設備的供電質量,當時的開關電源(或其他電路結構的AC/DC電源)由于功率器件性能的限制,其輸入端必須配置50Hz降壓變壓器;

20世紀70、80年代,計算機提出不停電供電要求,而實現這一功能是從研發和配置一個獨立的設備開始的,這就是最初的UPS設備。鑒于它是一個獨立的設備,就把它配置在IT設備前面的交流供電系統中,而IT設備內部保留了原來的開關電源。因為開關電源輸入端配置了降壓變壓器,所以要求獨立的UPS設備是交流輸入/交流輸出;

同樣是在20世紀70、80年代,電源業內開始了20kHz的革命,80年代末90年代初,無輸入變壓器的開關電源開始成熟并逐漸產品化,高性能的開關電源在IT設備中得到了普遍的應用。雖然開關電源輸入已經去掉了降壓變壓器,但是UPS作為獨立的設備仍保留了交流輸出,以至于開關電源也必須保留AC/DC和DC/DC兩級變換。

(4)過渡備用能源配置和傳統雙轉換UPS結構形式的必然性

兩個基本條件決定了傳統UPS的結構形式:

①UPS作為獨立設備配置在交流供電系統中;

②采用直流蓄電池作為備用能源。

如圖4所示,電網市電正常時,電池需要AC/DC充電。市電掉電時,需要DC/AC為負載供電,這就是當前傳統UPS結構形式的必然性。

 

(5)對UPS供電系統應具備功能的討論

傳統UPS產生50多年來，UPS作為一個獨立存在的設備，在產業化和市場應用推廣過程中，

人們賦予了它太多的功能，除了不停電供電外，還可以全面改善和保證計算機的供電質量。特別是后者,好像在UPS出現之前，計算機都沒有穩定地運行過，沒有UPS保駕的高性能計算機、教育系統計算機以及更廣泛的辦公用計算機肯定不能可靠運行似的。因此，討論并明確一下UPS應具備的功能，對進一步改革傳統UPS系統的是非常必要的。

①不停電供電是UPS唯一必須具備的功能

傳統UPS供電系統是在計算機需要不停電供電的需求下產生的,這同時也就決定了它應具備的基本功能:當主供電電網中斷時,啟動備用能源電池供電,保證計算機連續運行。

也可以說,沒有計算機不停電供電要求,就不會產生UPS設備。

②改善供電質量不是UPS的任務

首先,IT設備是由開關電源直接供電的,開關電源輸出低壓直流,它的輸出電壓性能指標可以完全滿足IT設備要求,這是無容置疑的。

再者,開關電源對輸入交流電源的適應能力比UPS強許多。表2是開關電源與傳統UPS對輸入交流電源三項主要性能指標要求的比較。

 

以下場合計算機設備都是由市電直接供電的:

•在UPS普遍應用前的計算機供電系統;

•當前的筆記本和臺式機;

•UPS應用初期,大量后備式UPS(相當于市電直供)為計算機供電;

•UPS轉旁路(相當于市電直供)是UPS一種正常運行模式;

•科研和教育行業大型計算機系統;

3 UPS供電系統的改革

(1) 已具備的改革條件

隨著數據中心不停電供電系統的技術進步,以下兩點變化為我們提供了對傳統UPS系統做進一步改革的必要條件:

①柴油發電機成為系統必備的可連續運行的主備用能源

隨著數據中心技術進步和規模的擴大,一個顯著的特點是單機架功率密度的提高,在一個平均機架功率密度為3kW的數據中心中,最高機架功率密度可能達到6～8kW。實際測試表明,一個普通平均機架功率密度小于2kW的機房,市電掉電制冷設備停止運行后,經60s,機房溫度就上升到機房允許最高溫度25℃,3.5min后,就上升到IT設備允許最高進風溫度32℃;一個17個3kW機柜總發熱量51kW的機房,空調停運后,大約35～40s后,機柜進風口溫度達到32℃;一個17個6kW機柜總發熱量102kW的機房,空調停運后,大約15s后,機柜進風口溫度達到32℃。嚴峻的熱量管理要求,使數據中心連續運行的條件,由連續供電變成既要連續供電又要連續制冷。連續供電由備用能源(電池)通過UPS完成,而連續制冷則必須由可連續運行的備用交流能源(發電機)擔當,且發電機必須在機房最高功率密度機架允許的時間內啟動并完成轉換。也就是說,發電機已經成為數據中心必備的并可及時投入運行的核心設備。

②備用電池的功能變化

電池不能保證系統不停電供電功能。雖然規劃設計時,電池容量和后備時間可選擇得足夠大,但是系統運行后,電池容量是一個固定量,電池備用時間是固定不變的,而市電故障停電的時間是不確定的,當市電故障時間大于電池備用時間時,系統最終還是要中斷的。

于是,蓄電池的功能定義就發生了變化:

蓄電池由不停電供電的主要備用能源變為用于市電故障后備用發電機啟動和切換時間內維持向負載供電的過渡備用能源。

蓄電池的備用時間要求同樣也發生了變化:

•由越大越好變為可以量化:

•最短時間要大于發電機啟動和與市電完成轉換的時間;

•最大可用時間為制冷設備停機后,機房中最高功率密度機架中的IT設備能繼續運行的時間。

(2) 改革思路的切入點

既然發電機已經成為數據中心必備的并可及時投入運行的核心設備,過渡備用能源的儲能就可以很少,這就自然想到:如果不采用蓄電池作為不停電供電的過渡備用能源,或者,雖然還采用蓄電池作為不停電供電的過渡備用能源,但不把蓄電池放在交流系統中,這兩種情況都可去掉系統中最薄弱的環節,即AC/DC(充電)和DC/AC(電池輸出)環節,這相當于從根本上去掉了傳統的UPS雙轉換系統。

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