1 傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的技術現狀和存在的問題

圖1給出了傳統(tǒng)UPS的典型架構和工作狀態(tài)。從圖1可以看出傳統(tǒng)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(tǒng)UPS供電系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可靠性;

⑥系統(tǒng)復雜,維護難度大,存在多環(huán)節(jié)串聯形成單路徑故障點,可靠性差。

(2) 當前的技術發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)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(tǒng)設計,解決系統(tǒng)中各類設備阻抗和連接方式的匹配問題,提高系統(tǒng)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(tǒng)中諧波電流的產生及其治理問題

?加大零線規(guī)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(tǒng)方案配置兩個方面,如表1所示

(3 )當前UPS供電系統(tǒng)運行中存在的問題

傳統(tǒng)UPS存在的問題,可綜合歸類于以下六個方面:

①系統(tǒng)可靠性

系統(tǒng)復雜、單路徑故障點多、設備可靠性差、維護難度大等;

②系統(tǒng)電流諧波*

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

③系統(tǒng)成本和能源消耗

兩次轉換效率低、系統(tǒng)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(tǒng)設備容量利用率;

④系統(tǒng)標準化

系統(tǒng)復雜為標準化帶來困難,系統(tǒng)設計建造停留在手工業(yè)階段;

⑤系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的現狀和趨勢是,系統(tǒng)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(tǒng)構成五花八門,難以標準化。

②系統(tǒng)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(tǒng)中的諧波是負載和UPS設備自身產生的;

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

⑥維護難度增加,原因是系統(tǒng)復雜、可靠性差、沒有標準化。

　　2 傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的能源架構的形成

談到不停電供電系統(tǒng),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(fā)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(yōu)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(tǒng)UPS供電系統(tǒng)進行改革的思考

談到傳統(tǒng)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(tǒng)方案設計的進步、新設備的應用和系統(tǒng)方案的改革。

但是,以下四個問題是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中可靠性最薄弱的環(huán)節(jié);

②AC/DC和DC/AC雙轉換結構形式形成對提高系統(tǒng)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(tǒng),使供電系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)UPS系統(tǒng)的設想是,從根本上去掉傳統(tǒng)的AC/DC和DC/AC變換結構,這可能是對傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)能源配置要求

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

①可連續(xù)供電的主能源—市電;

②可連續(xù)供電的備用能源—柴油發(fā)電機;

③在主備交流能源轉換期間保證IT設備連續(xù)不間斷供電的過渡備用能源—蓄電池。

(3)計算機供電系統(tǒng)演變和傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)產生的過程

圖3給出了計算機供電系統(tǒng)演變和傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(yè)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(tǒng)雙轉換UPS結構形式的必然性

兩個基本條件決定了傳統(tǒng)UPS的結構形式:

①UPS作為獨立設備配置在交流供電系統(tǒng)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(tǒng)UPS結構形式的必然性。

(5)對UPS供電系統(tǒng)應具備功能的討論

傳統(tǒng)UPS產生50多年來，UPS作為一個獨立存在的設備，在產業(yè)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(wěn)定地運行過，沒有UPS保駕的高性能計算機、教育系統(tǒng)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(tǒng)UPS系統(tǒng)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(tǒng)UPS供電系統(tǒng)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(xù)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(tǒng)UPS對輸入交流電源三項主要性能指標要求的比較。

③大量的計算機設備是由電網直接供電的

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(tǒng);

?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(yè)大型計算機系統(tǒng);

3 UPS供電系統(tǒng)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(tǒng)的技術進步,以下兩點變化為我們提供了對傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)做進一步改革的必要條件:

①柴油發(fā)電機成為系統(tǒng)必備的可連續(xù)運行的主備用能源

隨著數據中心技術進步和規(guī)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(fā)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(fā)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(xù)運行的條件,由連續(xù)供電變成既要連續(xù)供電又要連續(xù)制冷。連續(xù)供電由備用能源(電池)通過UPS完成,而連續(xù)制冷則必須由可連續(xù)運行的備用交流能源(發(fā)電機)擔當,且發(fā)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(fā)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(tǒng)不停電供電功能。雖然規(guī)劃設計時,電池容量和后備時間可選擇得足夠大,但是系統(tǒng)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(tǒng)最終還是要中斷的。

于是,蓄電池的功能定義就發(fā)生了變化:

蓄電池由不停電供電的主要備用能源變?yōu)橛糜谑须姽收虾髠溆冒l(fā)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(fā)生了變化:

?由越大越好變?yōu)榭梢粤炕?

?最短時間要大于發(fā)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(xù)運行的時間。

(2) 改革思路的切入點

既然發(fā)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(tǒng)中,這兩種情況都可去掉系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié),即AC/DC(充電)和DC/AC(電池輸出)環(huán)節(jié),這相當于從根本上去掉了傳統(tǒng)的UPS雙轉換系統(tǒng)。

編輯：Harris

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