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绿色数据中心UPS不间断电源
文章作者:时时彩注册 发布时间:2019-08-12 10:45 点击:
概 述
UPS是不间断电源(Uninterruptible Power Supply)的英文缩写,它的功能主要有两个:一是在市电正常时改善对负载的供电质量,同时对后备电池进行充电;二是在市电异常时,通过后备电池保证向负载供电的不间断性。 UPS主要由整流器、逆变器、静态开关组成。有四种电路结构:后备式、在线式、在线互动式、在线补偿式。 
UPS的使用形式
选购UPS一定要选最适合自己实际使用情况的。
首先是容量的选择,UPS容量应该根据目前的负载量,再加上近期准备增加的负载量来计算。
其次要选择节能的UPS。目前UPS的发展趋势是高频化和模块化,因为高频化可以提高UPS的轻载效率和半载效率,模块化可以使用户边成长边投资,节约能源同时方便扩容。
UPS电源的技术性能
UPS电源的技术性能随使用要求的不同而不同,主要技术性能包括以下几个方面。 
·在线式 
·高效数字功率器件PIGBT技术
·DSP技术和SMD电气集成模块 
·电池保护功能
·灵活可靠的并联技术
·通信及监控功能
·高可靠性
·散热系统
·控制和诊断监控系统
UPS系统配置方案
很多设计工程师都试图设计出完美无暇的UPS解决方案为关键负载提供支持,不过他们的设计方案往往不一定涉及到设计方案的可用性范围。例如,并联冗余、串联冗余、分布式冗余、热连接、热同步、多路并联总线、双系统以及故障预警系统等,这些都是设计工程师或制造商赋予不同配置方案的名称。这些名称的问题对于不同的用户,它们可能具有不同的含义,可以存在很多种解释方式。虽然目前市场上的UPS配置名目繁多且差别甚大,但最常用的不外乎5种。这5种方案包括:①容量;②串联冗余;③并联冗余;④分布式冗余;⑤双系统。选择系统配置方案时,应当根据负载的关键程度而定。此外,还要考虑停机所带来的影响以及公司的风险承受能力,这样才能更好地找到合适的系统配置方案。
UPS供配电系统 (双总线冗余UPS供配电系统图)
UPS供配电系统的供电范围是计算机设备(主机和附属设备)、通信设备、网络设备、服务器、监控设备、保安监控系统小型机/服务器、网络主交换机等重要设备。UP是输出配电回路(每个配电控制开关为一个回路)需按机房内设备要求设置,小型机/服务器、网络核心交换机及重要路由器要由独立双回路供电,其他计算机设备可用一个回路带3-4个插座,固定于地板下。UPS供配电系统的可靠性,最主要体现在采用了双电源末端互投上,如下图所示:


UPS节能措施
目前UPS的节能必需从方案、UPS、电池、配电等方面全方位进行。 
1、按需扩容的柔性规划
一般数据中心的建设都不是一步到位,会考虑今后未来几年的扩容,在设计时UPS容量一般都考虑容量比较大些,一次就安装了几套大功率的UPS并机,初期负载量只有规划容量的10%~20%,使UPS的利用率很低,造成电能的浪费。如何避免这种情况的发生,从UPS供电系统角度考虑,应该包括:
(1)供电方案设计
目前UPS供电方案主要有分散供电、集中供电两种。分散供电是一台UPS为一台或多台设备供电。分散供电的好处是分散风险,不会因为一台UPS异常造成大部分设备停电;缺点是UPS分散布置,不便管理,而且布线不容易规划。另一种是采用集中供电,由一套大功率的UPS直接对数据中心的所有负载供电。集中供电的好处是便于规划、管理方便、维护方便;缺点是如果UPS系统异常,容易引起数据中心大面积停电事故,此缺点可以通过采用并联构架来避免。因此,以上两种方案各有优缺点,目前的数据中心一般都采用集中供电方案。由于UPS并机数量有限制,而且当UPS系统并机数量超过4台时,其可靠性并不比单机供电系统高多少。当机房UPS装机总容量超过一定限度时,建议将机房按几期规划分成几个区域进行供电。规划时可以参考:单机容量不宜超过400kVA,并机数量不宜超过3台。
(2)UPS在线并机扩容功能
数据中心的UPS容量的规划,可以根据不同时期的负载容量要求,采用逐步扩容的方案,使投资方案更经济,同时也能使UPS工作处于较佳的效率点。目前中、大功率段的UPS均已经具备冗余并机功能,不仅提高了系统的可靠性,同时也为机房扩容提供了条件。只要规划时在UPS前后配电箱预留足量的空气开关,并在机房规划相应空间,即可实现UPS并机扩容功能。关键是并机的过程处理,多种品牌UPS并机时需要对UPS的设置进行修正,此时要求UPS必须工作在维修旁路状态,UPS由市电直接带载,如果此时市电波动较大甚至停电,将造成系统的大面积瘫痪。所以并机扩容必须具备在线并机功能,即UPS并机扩容时,只需将新增UPS软件修改至与原UPS系统一致后,在不关闭原有UPS系统的情况下,直接将新增UPS并入原有系统即可,扩容前后,UPS均工作于在线模式下,避免切换至旁路供电的高风险操作。
(3)采用模块化UPS,实现逐步扩容
目前,模块化UPS已经开始在国内应用,模块化UPS特点主要包括:可扩容、平均故障修复时间(MTTR)短、可经济实现“N+X”冗余并机。 
  2、提高UPS自身能效,优化负载效率曲线
目前UPS均为在线式双变换构架,在其工作时整流器、逆变器均存在功率损耗。以一个容量为400kVA的UPS为例,每度电按0.95元计算,UPS效率每提高1%,一年节省的电费为400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元。可见提高UPS的工作效率,可以为数据中心节省一大笔电费,可见提高UPS效率是降低整个机房能耗的最直接方法。因此采购UPS,尽量采购效率更高的UPS。
当然UPS效率高不仅仅是满载时效率高,同时也必须具备一个较高的效率曲线,特别是在“1+1”并机系统时,根据系统规划,每台UPS容量不得大于50%,如果此次效率仅为90%以下,就算满载效率达到95%以上,也是没有意义的,所以要求UPS必须采取措施优化效率曲线,使UPS效率在较低负载时也能达到较高的效率。



UPS效率与输出功率关系曲线图
 

除了提高UPS自身的效率之外,UPS上面的一些功能也可加以利用。比如像ECO经济运行模式。其原理是在较好 的市电环境时,激活此功能,使UPS由静态旁路直接供电,此时逆变器处于待机状态,正常工作,但不输出能 ,一旦市电异常,UPS立即切换到逆变器供电状态,切换时间一般在1ms以内,具体见图2所示,蓝色为输入电 波形,黄色为输出电压波形。由于此时的逆变器处于待机状态,所以自身损耗很小,此时UPS的整机效率可以达 到97%以上,比正常模式节省3%以上的功率。


ECO模式转正常供电模式波形图

 
使用ECO模式必须具备以下条件:
(1)静态旁路必须采用两组高可靠晶闸管,不得采用接触器加晶闸管的组合,因为接触器吸合时,接触点会打火,一般工作数百次之后就不能正常工作了。而晶闸管则不存在此问题,同时可以缩短切换时间。
(2)建议使用在较好的电力环境下,比如一级供电单位等。
3、降低输入电流谐波,提高功率因数
谐波产生的根本原因是由于电力线路呈现一定阻抗,等效为电阻、电感和电容构成的无源网络,由于非线性负载产生的非正弦电流,造成电路中电流和电压畸变,称为谐波。谐波的危害包括:引起电气组件附加损耗和发热(如电容、变压器、电机等);电气组件温升高、效率低、加速绝缘老化、降低使用寿命;干扰设备正常工作;无功功率增加,电力设备有功容量降低(如变压器、电缆、配电设备);供电效率低;出现谐振,特别是柴油发电机发电时更严重;空开跳闸、熔丝熔断、设备无故损坏。UPS对于电网而言是一个非线性负载,在工作的时候会产生大量的谐波。以配置6脉冲整流器的UPS为例,其输入功率因数一般为0.75左右,谐波大于30%。降低UPS工作谐波的主要方法有:
(1)采用12脉冲整流器。其原理是在原有6脉冲整流器基础上,在输入侧增加一个移相变压器和6脉冲整流器。采用该技术方案后,可以将谐波降低至10%左右。优点是较为简单,谐波改善明显;缺点是对功率因数改善有限,价格略高。
(2)采用无源滤波器。依据LC滤波电路原理,对UPS产生的谐波进行滤除,并对功率因数进行补偿。优点是技术简单,成本较低;缺点是只能补偿特点阶次的谐波,同时受负载阻抗影响较大,无法适用于全功率段。
(3)采用有源滤波器。原理是利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。优点是可以补偿多个阶次的谐波,且不受负载阻抗大小的影响;缺点是购置成本较高。
(4)采用高频IGBT整流及PFC功率因数校正电路设计整流器。原理是采用高频率PWM控制IGBT导通,对输入电压波形进行分割,使输入电流波形尽量接近正弦波,并对输入电压和电流相位差进行补偿。优点是体积轻,价格便宜,效果好;缺点是技术结构复杂,不易维护,受功率器件影响,目前容量大小受到限制。
4、电池管理及配电管理技术
UPS都配备了电池组,用户在电池组上的投资往往占整个UPS供电系统投资的很大一部分,甚至超过UPS本身的投资,而电池的使用年限明显低于UPS设备。由于电池主要材料是重金属铅、硫酸和不易分解的塑料,都会对环境造成严重的污染。因此减少电池使用数量,延长电池循环使用寿命,不仅节省直接和间接的电池投资,而且还减少整个对环境的污染。所以UPS可以通过以下几个技术实现电池的节能。
(1)并机共用电池组功能。共用电池组原理是通过特殊的整流器控制及故障隔离技术,使并机系统中的两台或多台UPS的整流同步、母线均流,使系统中的各台UPS母线直接并联,然后将满足系统后备时间要求的电池并联后接入并联母线系统中,实现电池的共享,减少电池投资。以“1+1”为例,传统的UPS方案,系统后备一小时,考虑其中一台UPS故障时,UPS2的电池不能为UPS1使用,所以UPS1和UPS2必须各配置一套一小时的电池组,才能保障系统在断电后还能备用一小时。采用共用电池组方案后,因为UPS1故障后,系统中的电池仍能为UPS2提供能量,所以整个系统仅需配置1套1小时电池即可。不仅节省了电池直接投资,同时也节约机房在空间、承重及空调等方面的投资,也降低了对环境的污染。或配置少许电池,增配发电机组。
(2)智能电池管理技术。影响电池寿命的因素有很多,主要包括温度、充电、放电、循环次数等。如果能够对上述几个因素进行综合处理,可以大大延长电池的使用寿命,延长电池更换周期,节约电池投资。UPS的智能电池管理技术主要包括:电池均浮充管理(均浮充控制)、充电温度补偿、智能放电终止电压控制,除此之外还应具备电池定期自动检测和电池漏液检测功能。另外还可以选择输入电压范围较宽的UPS,减少电池放电次数。通过上述几种技术,可大幅度延长电池寿命2~3年。
(3)智能UPS配电管理技术。原理是通过侦测UPS电池电压或者管理设备供电时间,实现对机房中不同等级负载的多次下电保护功能,减少电池投资、提高电池使用率。智能UPS配电管理技术主要有两种方案:包括软件实现方式及硬件实现方式。
5、采用新型的节能的UPS电源:使用燃料电池的UPS。可参考《燃料电池在UPS供电系统中的应用》。

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