淺析UPS技術(shù)在數(shù)據(jù)中心運(yùn)用

UPS是英文Uninterruptible power system 的縮寫。中文名稱是不間斷電源系統(tǒng)。UPS 是一種電源變換裝置。它以市電/發(fā)電機(jī)為交流輸入能源，經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q和調(diào)節(jié)，為關(guān)鍵負(fù)載（或靈敏負(fù)載）提供穩(wěn)定可靠交流電源。UPS內(nèi)部有儲(chǔ)能裝置和轉(zhuǎn)換裝置，當(dāng)市電停電時(shí)，以內(nèi)部?jī)?chǔ)能裝置為輸入能源，仍可以繼續(xù)為關(guān)鍵負(fù)載供電，直到市電恢復(fù)或發(fā)電機(jī)啟動(dòng)供電或者儲(chǔ)能耗盡，而當(dāng)UPS設(shè)備故障時(shí)，由市電經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置不間斷地臨時(shí)直接為負(fù)載供電。所以UPS 能夠保證在任何情況下均不間斷地為負(fù)載供電。

IEC62040 和GB7620、YD1905-2008規(guī)定了三種UPS內(nèi)部技術(shù)（或拓?fù)洌?，包括后備UPS、在線互動(dòng)UPS、雙變換在線UPS。這些UPS可以獲得不同程度的電源保護(hù)。

后備UPS

后備式UPS是用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的最常見的類型。如下圖所示，正常方式下負(fù)載由市電經(jīng)UPS開關(guān)直接供電，同時(shí)市電通過充電器向蓄電池充電。一旦市電出現(xiàn)故障或市電指標(biāo)超出設(shè)定值時(shí)，就會(huì)切換到電池/逆變器作為備用電源。一旦發(fā)生這種情況，轉(zhuǎn)換開關(guān)必須進(jìn)行操作，將負(fù)載切換到電池/逆變器備用電源上。逆變器只在電源出現(xiàn)故障時(shí)才啟動(dòng)，因此稱作“后備式”。這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高、尺寸小和成本低。如果采用適宜的濾波電路和浪涌保護(hù)電路，這些系統(tǒng)還可以提供適當(dāng)?shù)脑肼曔^濾和浪涌抑制功能。

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在線互動(dòng) UPS

在線互動(dòng)式UPS適用于小企業(yè)、網(wǎng)站、部門服務(wù)器的最常見的設(shè)計(jì)。在此設(shè)計(jì)方案中，電池到交流電源的轉(zhuǎn)換器（逆變器）始終連接到UPS的輸出端。如果在輸入交流電源正常時(shí)，反向操作逆變器，就會(huì)給電池充電。一旦輸入電源出現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)換開關(guān)就會(huì)打開，并通過電池向UPS輸出端供電。與后備式UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，由于逆變器始終打開且與輸出端保持連接，這種設(shè)計(jì)進(jìn)一步增強(qiáng)了濾波效果，并降低了轉(zhuǎn)換瞬態(tài)過電壓。

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雙轉(zhuǎn)換在線式UPS

這是10kVA以上功率范圍的電源最常用的UPS類型。正常方式下，市電經(jīng)整流器變換為直流電，然后經(jīng)逆變器變換為交流電（故稱為雙轉(zhuǎn)換）供給負(fù)載，同時(shí)整流器給蓄電池充電。市電故障時(shí)，由蓄電池/逆變器組合不間斷地為負(fù)載供電。一直供電到市電恢復(fù)（或啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組）轉(zhuǎn)入正常方式，或供電到蓄電池放電終止。當(dāng)整流器/逆變器故障或逆變器過載時(shí)，負(fù)載由經(jīng)UPS靜態(tài)旁路開關(guān)臨時(shí)供電。為保證不間斷轉(zhuǎn)換，逆變器輸出必須與靜態(tài)旁路電源同步。這種UPS提供了非常理想的供電輸出性能。但功率部件的持續(xù)工作，與其它設(shè)計(jì)方案相比，其降低了可靠性。此外，大型電池充電器獲得的輸入電源通常是非線性的，可能對(duì)建筑供電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或?qū)е聜溆冒l(fā)電機(jī)發(fā)生故障。

部分的雙轉(zhuǎn)換在線式UPS還有經(jīng)濟(jì)模式（ESS）的工作模式，該工作模式通過判斷市電質(zhì)量是否超過ITIC曲線來決定UPS是否工作在經(jīng)濟(jì)模式。ITIC 曲線是美國信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)（information technology industry council）針對(duì)計(jì)算機(jī)對(duì)電能質(zhì)量的要求，提出的電壓容限曲線及相關(guān)的4種電壓擾動(dòng)（電壓下降、電壓上升、尖峰脈沖和斷電），以防止造成設(shè)備故障和損壞。ITIC曲線已被IEEE 采納，成為美國電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。也適用于世界各國。

在市電質(zhì)量很好即市電電源的指標(biāo)在ITIC 曲線規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，雙變換UPS便可工作在經(jīng)濟(jì)模式（ESS），UPS通過靜態(tài)開關(guān)直接為負(fù)載供電。當(dāng)市電故障或質(zhì)量下降，市電電源的指標(biāo)超出ITIC曲線規(guī)定的極限，但在UPS 整流器輸入電壓允許變動(dòng)范圍內(nèi)時(shí),在 2ms 內(nèi)轉(zhuǎn)換為雙變換方式。在ESS方式中，整流器和逆變器保持在特殊的“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，即它們的控制電路完全運(yùn)行，例如繼續(xù)保持逆變器與市電電源同步，但是整流器和逆變器的功率半導(dǎo)體被關(guān)斷，即沒有接入驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因此沒有進(jìn)行開關(guān)運(yùn)行。因?yàn)樗鼈儾惶幚砉β?，故不產(chǎn)生損耗。而當(dāng)市電出現(xiàn)干擾時(shí)，可以在2ms內(nèi)轉(zhuǎn)換到雙變換模式，對(duì)負(fù)載無影響。而旁路方式與ESS有很大的不同。在旁路方式下，整流器和逆變器停止運(yùn)行。從旁路轉(zhuǎn)換回雙變換模式，需逆變器啟動(dòng)、與市電同步后進(jìn)行，需要很長(zhǎng)時(shí)間。

在數(shù)據(jù)中心中一般采用由雙變換UPS單機(jī)組成的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)中心負(fù)載為雙電源供電時(shí)則使用并聯(lián)冗余的UPS組成雙母線UPS供電系統(tǒng)。

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并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)

并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)由兩個(gè)或多個(gè)單機(jī)UPS系統(tǒng)組成，各單機(jī)UPS輸出并聯(lián)連接到一個(gè)公共的母線。系統(tǒng)一般按N+1配置，其中N個(gè)單機(jī)UPS可供全部負(fù)載，再增加一個(gè)作為備用,稱為 N+1 并聯(lián)冗余系統(tǒng)。

當(dāng)只有一個(gè)單機(jī)故障時(shí)，N+1系統(tǒng)仍能正常工作。N+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)，可以擴(kuò)大輸出容量，可以增加冗余功能。多臺(tái)單機(jī)并聯(lián)也可以只擴(kuò)容而不增加冗余度，稱為N+0 并聯(lián)系統(tǒng)或“N并聯(lián)容量系統(tǒng)”。

在并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)中，所有單機(jī)UPS并聯(lián)運(yùn)行，均分負(fù)載。如果一個(gè)單機(jī)UPS 故障，或者需要脫離系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，其余單機(jī)UPS 有足夠的容量供給負(fù)載，能確保負(fù)載供電的不間斷，故不必將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路電源。

因?yàn)楦鲉螜C(jī)UPS的輸出均同步于其旁路電源，如果各單機(jī)UPS的旁路電源是同一個(gè)市電電源，各單機(jī)UPS就會(huì)自然同步運(yùn)行。但考慮市電停電時(shí)各單機(jī)UPS將同步于各自內(nèi)部的晶體振蕩器，在這種情況下就不會(huì)自然同步了。為了保證在任何情況下各單機(jī)UPS都能同步運(yùn)行和負(fù)載均分，需要采用必要的同步方法，例如主從同步，無主從同步等。

從并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的旁路種類來分并聯(lián)冗余UPS可分為集中旁路并聯(lián)冗余UPS和分散旁路并聯(lián)冗余UPS。

集中旁路并聯(lián)冗余UPS

集中旁路的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的每個(gè)單機(jī)UPS都沒有靜態(tài)旁路。整個(gè)并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)配置一個(gè)集中的靜態(tài)旁路和維修旁路，安裝在一個(gè)獨(dú)立的并機(jī)柜中。靜態(tài)旁路開關(guān)和維修旁路開關(guān)的容量應(yīng)按滿足系統(tǒng)輸出容量配置，即N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的旁路開關(guān)的容量應(yīng)大于或等于N臺(tái)單機(jī)UPS 的容量。如下圖所示，是集中旁路的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)，系統(tǒng)有三個(gè)單機(jī)UPS 和一個(gè)并機(jī)柜組成，并機(jī)柜配置有靜態(tài)旁路開關(guān)和維修旁路開關(guān)。

分散旁路并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)

分散旁路的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的每個(gè)單機(jī)UPS 內(nèi)部都配置靜態(tài)旁路開關(guān)。不需要并機(jī)柜，各單機(jī)UPS可以直接并聯(lián)。下圖是分散旁路并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

雙母線UPS供電系統(tǒng)

雙母線UPS 系統(tǒng)最適合于雙電源負(fù)載的供電，可從兩個(gè)母線上各引一路電到雙電源負(fù)載。對(duì)于單電源負(fù)載，需要增加靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS），單電源負(fù)載經(jīng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)供電，提高了供電的可靠性。

如下圖所示，UPS1，UPS2和UPS3，UPS4是兩個(gè)獨(dú)立的 UPS系統(tǒng)，其輸出構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的母線，每個(gè)母線都能承擔(dān)全部負(fù)載。一個(gè)母線故障時(shí)負(fù)載不受影響。UPS輸出經(jīng)配電單元（PDU）對(duì)服務(wù)器供電。雙電源輸入的負(fù)載，可以通過PDU直接從兩個(gè)母線上引兩路電源。單電源輸入的負(fù)載，通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）供電。當(dāng)正在供電的母線發(fā)生故障時(shí)，STS將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一母線。這種供電系統(tǒng)可用性可達(dá)到6個(gè)9（99.9999%）。

下圖是用于大型數(shù)據(jù)中心的典型的雙母線UPS電源系統(tǒng)。其中外市電采用兩路進(jìn)線，互為備用。配置兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組作為備用電源系統(tǒng)。市電電源之間，市電與發(fā)電機(jī)組之間的轉(zhuǎn)換采用自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）。在市電電源/備用發(fā)電機(jī)組與數(shù)據(jù)設(shè)備之間配置了由雙變換UPS組成的雙母線 2N 或2（N+1）UPS供電系統(tǒng)，以滿足數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等IT設(shè)備高可用性的用電要求。

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