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云计算和大数据时代的UPS供电系统

1 大数据时代对供电系统的要求及解决方法  

(1)容量更大、寿命更长、可靠性更高

现在已进入信息高度发展的时代,信息中心已成为人们日常生活中的重要部分。数据中心的规模已越来越大,而且对可靠性与寿命的要求也越来越高,只有这样才可以维持数据中心对网络的强大支撑。作为数据中心心脏的供电系统又是支撑数据中心和网络的第一要素,它的工作状态直接影响着数据中心和网络的可靠性。

节能是数据中心的首要指标,节能就是降低功耗,只有降低功耗才可以维持设备低温运行,才能提高可靠性和延长寿命,降低PUE也就是这个目的。根据阿雷纽斯定律,电子设备(包括电池)每升高10℃其寿命减半。换言之,温度按10℃的梯度增加就会使设备寿命按1/2n规律缩短。目前UPS系统中大量应用电解电容器和液流铅酸电池(如图1所示),它们是严重地影响设备和系统寿命的主要因素,因此在一些环境恶劣的条件下,比如通信中无人值守的野外基站和军事用途的地方,就急切需要改变这种现状。燃料电池的出现曾一度给人们带来了希望,但由于某些客观原因,时至今日在UPS中尚未应用。


锂离子电池的出现也为UPS供电系统的可靠性开辟了道路,而且这种电池也已在电动汽车中得到了成功地利用:电池的供电电压范围48~500V,覆盖了整个UPS的应用范围,放电电流比UPS要大,而且环境比UPS恶劣,因为汽车并不像UPS那样一直待在恒温无振动的的环境中。从原理上讲完全可替代液体铅酸蓄电池,但也由于某些原因,使用户望而却步。目前还仅仅在个别地方做试验。


①螺旋卷绕式铅酸蓄电池的问世使铅酸蓄电池焕发了青春

以前人们认为铅酸蓄电池只能是液流结构,再加之生产和使用中对环境的污染,不得不对这种设备的制造和使用有所限制。螺旋卷绕式结构铅酸蓄电池的出现开阔了人们的视野,也为提高UPS供电系统的可靠性打开了希望之门。因为根据有关资料统计,UPS供电系统70%以上的故障来源于电池。而五年设计寿命的铅酸蓄电池实际服务寿命平均为两年到两年半。螺旋卷绕式结构是完全固体的,如图2所示。其100%充放电达350次,为液流电池150次的2倍以上;30%充放电达4000次,为液流电池1200次的3倍以上,工作温度非常宽,为-55~+70℃;当然也可以任意位置放置,这在军事和野外无人值守情况下非常实用;它的漏电流非常小,放电电流却非常大,可达3~5C;充电40min就能到95%的容量。

目前这种电池的容量可做到75Ah。而且组装也很方便,其外形图如图3所示。


②薄膜电容器取代电解电容器

薄膜电容器技术的发展使它的容量可以做成和电解电容器一样大,但由于它是干式的,就具备了电解电容器没有的功能。薄膜电容器的电压范围要比电解电容器大得多,内阻也小得多,杂散电感要比电解电容器小一个数量级,寿命在同样价格下也比电解电容器长得多,这大大拓展了薄膜电容器的应用领域。其外形如图4所示,表1是电解电容器和薄膜电容器的性能比较。

螺旋卷绕式铅酸蓄电池和薄膜电容器提供了提高UPS供电系统的可靠性和延长寿命的手段。


(2)目前的供配电方式表现为大集中和大分散

UPS系统的供电方式是由数据中心的规模结构而决定的,在大的数据中心,由于数据大集中的要求,设备超量的多,如图5(a)所示的数据中心内至少有20万台服务器在工作,在这种情况下的供电系统也必须集中,如图5(b)所示。微模块数据中心和集装箱式数据中心的问世,使原来多为集中式供电的模式开始了分散配置,如图6所示。


(3)用分散构建集中

当代数据中心的规模越来越大,从几百平米到几万平米。但不论是多大,一个200平方米以上的数据中心机房设备大都是不能一步到位。一般以400~500kVA容量约150个机架为一个“模块”首先安装调试。运行中证明这个模块正确无误,以后机房其他剩余部分就可按照此模块复制安装,由此就启发了人们微模块的思想。实际上这只是一方面,数据中心基础物理设施一体化也是促成微模块结构的第二个原因。微模块和集装箱式数据中心的问世使机房建设速度大大提高,前者可以边投资边建设,后者省去了盖大楼和机房装修。图7(a)为微模块建设模式,图7(b)为集装箱建设模式。


微模块数据中心和集装箱数据中心的思想又促成了供电系统模块化的进展。如图7所示的微模块和集装箱群构成的数据中心,就是由分散构成集中的例子。


2 目前UPS供电系统的类型及配电系统的发展

(1)两种类型的UPS供电系统

交流输出型UPS的发展方向是高频化,目前正处在高频化UPS替代工频机UPS的时代。图8给出了目前UPS供电系统主要类型:旋转发电机飞轮储能式和静止变换式。飞轮储能式的飞轮转速和后备时间的提升使其在某些数据中心开始试用。但由于这类UPS的容量都比较偏大,大都在150kVA以上,体积也很大,而目前50多万数据中心机房的70%以上是200平方米以下,这也限制了它的普及。

图9给出了两种旋转发电机飞轮储能式UPS外形图。图9(a)的立式磁悬浮飞轮储能式UPS的容量为250kVA,图9(b)的卧式飞轮储能式UPS的容量为160kVA。

静止变换式UPS已广泛应用于数据中心。这一类UPS已从上世纪60年代的全可控硅化发展到现在的全IGBT化,效率也由以前的满载90%以下提高到现在的半载95%以上。以100kVA为例,高频机UPS每年要比工频机UPS节电50,000kWh以上。经济效益和社会效益相当显著,为实现数据中心低PUE提供了有利条件。图10给出了几种高频静止变换式UPS的外形图。静止变换式UPS的容量在小容量范围内不受限制,可以小到几十瓦,在大容量范围内,目前单机已可做到1600kVA。与工频机UPS比较节能节材,比如某进口300kVA工频机UPS重2200kg,而国内300kVA高频塔式机仅重约360kg,减轻了1.8吨!N+X模块化结构更为数据中心的建设和运行提供了方便条件。


(2)取消变压器和列头柜

在配电系统上,目前有的在原来的列头柜中加装了变压器,目的是为了“隔离干扰”。图11给出了两种列头柜的电路方框图。实际上这种变压器根本不隔离干扰,反而带来了很多不良后果:

①多了两个串联故障点。变压器的输入开关和变压器本身都是故障点。

②增加了功耗,降低了可靠性,劣化了PUE。变压器的加入至少使系统效率下降两个百分点以上。

③增加了重量,浪费了材料,加重了地板负担。本来地板承重可以满足要求,但因加了变压器使地板达不到要求了,就必须对地板加固。增加了工程量和投资,拖延了工期。

④增加了投资。无疑是花钱买故障。

目前的新技术是不但取消变压器,而且也取消了列头柜,采用轨道式母线槽配电方式,并且已在国内外多处有了成功的经验。图12给出了列头柜配电方式和轨道式母线槽配电方式的比较。这项变革的实现无疑给各种形式的数据中心带来了好处。现在有些楼宇数据中心和集装箱数据中心采用了这种方案,取得了良好的效果。今后将会逐渐普及开来。


3 解析数据中心对供配电系统设计的误区 

(1)认为一般电源变压器具有隔离干扰的能力,所以列头柜中增加了变压器像UPS这类设备中的电源变压器并没有隔离*的功能。原因是变压器在正常工作时呈线性状态,而线性状态是不会使波形发生畸变的。换言之,对变压器的基本要求是输入输出波形不失真,即输入波形什么样子输出也要一摸一样。这在有关文章中已有多次论述和实际例子,在此不累述。


(2)认为发电机和UPS在任何负载下都可以给出按功率因数算出的有功功率

这个认识误区比较普遍,以致于在多处出现纰漏,机器跳闸和损坏器件的屡屡出现。实际上道理很简单,只要电源的输出能力和负载不匹配就必须降额使用。至于降多少这要看不匹配的程度。比如负载功率因数为0.8的电源在带输入功率因数为1的负载时,只能供出53%的额定值(即有功功率),尽管在输出功率表上带载率才53%,但对于内部电动势产生源就已经满载了。比如某政府机关数据中心购置了负载功率因数为0.8的UPS,在70%带载率时屡屡烧毁逆变器功率管。发电机也不例外。比如某省农商行发电机在带线性负载验机时,70%负载电机跳闸。某省工业园也是发电机在带线性负载验机时,70%负载电机过载告警。因此这种后备发电机在带高频机UPS时,其功率比不是1:1,而是2:1,如果考虑过载能力和充电功率至少要2.5:1。


(3)给具有32节12V的电池组配备交直流断路器

UPS的后备电池组必须配备短路器或熔断器,但必须配备直流断路器。但直流断路器不论从制造材料和机械结构上都比交流断路器负载得多,因此价格也更昂贵。因此在很多地方都给电池组配备了所谓“交直流断路器”。因为直流断路器很少见,虽然在48V直流电压时灭弧容易一些,但在240V高电压时就非常困难了。因此直流断路器价格数倍于同容量的交流断路器,故在很多场合大都用交流断路器代替。应用交流断路器或直流断路器,其效果截然不同。

直流断路器可以用交流断路器代替吗?这要看电流等级,几个安培到十几个安培的情况下肯定可以通用。当电流达到几百安培的时,断口间的电弧只会在电流过零点时才熄灭,而直流电流不存在过零点,因此无法熄弧,此时必须用专门的直流断路器。如果电弧持续时间超过20ms,就可以称为爆炸。


直流断路器有何特点?

交流断路器分断直流短路电流相对困难。因为电弧分断的条件是,分断电弧电压大于电源电压。直流电与交流电一个重大区别是没有电压自然过零点,所以直流电弧分断就更为困难,为此直流断路器需要专门的吹弧线圈或者使用永磁体吹弧技术,强制直流电弧进入熄弧室,使电弧被切割、拉长,弧电压升高并迅速冷却,并且已经假设了直流线路接线时严格注意了极性,实际上交流断路器并没有完全在设计上采取类似的技术措施,在许多直流电路上使用时的可靠性、耐久性和分断能力远不如直流断路器。


交流断路器单极能分断的直流电压值有限,标称电压是交流230V的交流断路器并不一定就可直接用于直流220V的线路中,在GB10963-2标准中就规定额定电压为230V的单极微型交流断路器用于直流系统时,直流电源电压一般不能超过220V,大于220V应考虑2极串联使用,从安全角度出发,并考虑大量工程实践的经验,建议如图13所示的方案。


在上述建议方案中,当直流电压为250V时就需4个触点串联。有鉴于此,在有些情况下,继续使用交流断路器就不如直接选取直流断路器更经济。但目前采用的所谓交直流断路器实际上就是交流断路器。因为在交流用途时有谁多花钱去买交直流产品呢!更可怕的是在大功率UPS中一般都采用了32节电池,额定电压就近400V,仍用交流断路器的两个触点串联,就存在到时不能断开的危险,并从而导故障致事态扩大。