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数据中心机房UPS供电系统的全新安全及节能技术

来源:本站 日期:2013/3/19 15:50:06 作者:eastnet

摘要:随着互联网技术的普及,以开展数据托管业务为目标的Internet数据中心(简称IDC)、以数据联网集中为目标的企业自用数据中心及以数据安全为目标的数据备份中心得到了迅猛的发展

标签UPS 供电 机房 数据中心

  一 引言

  随着互联网技术的普及,以开展数据托管业务为目标的Internet数据中心(简称IDC)、以数据联网集中为目标 的企业自用数据中心及以数据安全为目标的数据备份中心得到了迅猛的发展,通信运营商、银行金融系统、政府及各大型企业等都在进行大型数据中心机房的建设。 如何确保如此数据高度集中机房的安全运行是供电系统设计的首要命题,其次是这些数据心的设备用电负荷通常都在数千KW以上,每年的电费动辄高达数千万元, 如何在安全供电的前提下降低机房的能耗,是机房供电系统设计需要解决的另一关键课题。

  众所周知,数据中心所有营运负载几乎都是通过 UPS电源来供电的,确保UPS以最安全的模式运行,提高UPS系统自身的工作效率,是数据中心机房供电系统安全与节能设计的核心。因此,积极引入先进的 设计理念和业界成熟的电源设计技术,对数据中心UPS供电系统进行系统化的安全与节能设计,在提高数据中心机房UPS供电系统可靠性的同时,大幅度降低机 房的运行成本和提高节能减排水平,是当前数据中心供电系统设计的当务之急。

  二 UPS供电系统的“系统级”休眠技术设计

  现代T4级数据中心机房UPS系统通常采用多套2(N+1)或2N双母线结构配置来来保证供电的可靠性,如图1所示。

  

  图1 UPS双总线供电系统

   就绝大多数的数据中心机房UPS而言,不管实际营运的负载有多大,这一系统中的全部UPS均投入运行。而通常数据中心的负载是分步增长的,尤其是IDC 机房,初期机房很空、负载很轻,这时所有的UPS都开动起来本身就是一个很大的能源浪费;另外就UPS的效率曲线而言,其效率与负载率成正比变化关系,负 载率越低效率也越低。假设每套并机初期的负载总量仅为一台的容量(实际往往会更低,某通信运营商的国际数据中心,运行一年多了,负载仅为一台的 1/4),那么四台并机工作时每台UPS的负载率为25%,以500KVA的12脉冲UPS为例,在这一负载率下的效率仅为85%以下,这意味着约有 215%500KVA0.9=135KW的电被白白浪费掉了。更为致命的是,对于多台并机系统而言,如此低的负载率很容易引起并机系统振荡,导致UPS故 障和系统宕机事故。

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  因此,为了提高可靠性和减少大量能源在低负载下的白白浪费,数据中心机房UPS系统采用 绿色休眠节能技术是非常必要的。这一技术能在负载较低的情况下,自动根据当前总负载的大小,决定投入运行UPS的台数,在保证应有的N+1冗余供电情况 下,退出多余的UPS并使其进入休眠状态,以达到安全运行与节能的目的。针对前述的负载,具有绿色休眠技术构成的每套UPS并机系统将仅有两台UPS投入 工作保证系统的1+1,其余UPS处于休眠状态基本不消耗电能,这样每台工作UPS的负载率将达到约50%,对于12脉冲UPS其相应的效率也提高到 90%左右(IGBT整流UPS此时的效率将高达95%),减少了能源的损耗;随着机房负载的增加或减少,机房管理者可以根据负载量变化的多级“容滞回 线”预先设定UPS的投入与退出点,自动地“唤醒或休眠”UPS,如图2所示。“容滞回线”的设定,可以有效防止在负载升级转换点,某台UPS频繁地投入 或退出,保证系统运行的稳定性;对于负载波动幅度较大的区域,△P值应取得稍大,通常这一值可取10~15%的单机额定容量。

  

  图2 休眠技术的容滞回线

   绿色休眠技术的采用,不仅实现了节能增效的目的,也提高了整个数据中心机房UPS供电系统的运行可靠性。从运行的可靠性来看,休眠技术通过使多余的 UPS休眠退出,减少了并机的实时并机台数,即从设计的3+1变为了实际运行的1+1或2+1,使并机系统的连续运行稳定性得以成倍提高;休眠技术提高了 带载率,减少了并机系统振荡的风险;此外,处于休眠状态的UPS与正常运行的UPS相比,其自身可靠性也得到明显的提高。

  三 UPS供电系统“UPS级”休眠技术设计

   从IT负载的输入电源看,当前IT负载的输入电源都采用开关电源模块将220V交流电转换成12V或其它电压直流电来供电,这一开关电源对输入电源的电 压、频率及其它市电问题的适应性非常强,通常它所允许的电压范围为单相180~260V(即20%的波动范围),频率范围为47~53HZ。有些 IT负载的输入电压甚至可以低至50%,频率可在50~60KHZ范围内自由工作;此外,当前IT负载的开关电源模块都配置了滤波电路及PFC校正电路, 使输入功率因数达到0.9以上。所有这一些都表明,IT负载要求UPS输出供电必须严格稳压稳频的时代早已过去,这为机房IT负载可通过市电直供技术设计 创造了前提条件。

  其次,从数据中心机房的输入供电系统看,通常都是10KV高压经大容量变压器降压到380V,然后经补偿电容柜、防雷 防浪涌抑制器等输入到 UPS,其输入市电的品质也得到了较好的保证。笔者曾对某企业数据中心的输入市电进行了长达三个月的电能质量检测,测量结果看出市电的电能质量是非常优质 的,其电压纯净度、稳定度,频率稳定度及其它谐波干扰、瞬时电压畸变等的数据甚至优于UPS供电输出。

  所以,在这样的市电及负载背景下,为了进一步提高节能水平及运行可靠性,完全有必要对数据中心机房UPS供电系统依据输入市电的品质设置自动分级运行模式:

   第一级――“UPS级”绿色休眠节能模式。在输入市电品质很好的情况下,将市电通过UPS旁路直接供电给数据中心的IT负载,从而使整个UPS 系统的供电效率高达惊人的99%,实现了“UPS基本不耗能”的节能降耗总目标。如图3所示,当UPS检测到市电的电压与频率落在最里边的圆内时(圆的大 小即第一级模式时的电压U1与频率F1可依据负载的性质 及输入市电的状况改变与设置),UPS自动进入高效节能模式运行。在这一模式下,UPS内部的整 流器、充电器处于深度休眠,逆变器处于浅度休眠状态(如图3所示),不仅基本不损耗电能,更使主功率器件处于电休眠状态,提高了这些UPS内部核心部件工 作的可靠性并延长其工作寿命。

  

  图3 随市电品质自动工作的UPS分级运行方式

   第二级――双变换工作模式。当市电的电压与频率跌出最内部的圆形界线,并落在图3中间的圆环型带区时,UPS立刻转换到整流、逆变的双变换模式,此时的 UPS满载工作效率通常在93%左右。为了保证负载工作的安全性,当前的“UPS级”绿色休眠节能技术实现了在这一转换时的UPS输出三相电压动态偏离远 小于UPS 标准CLASS 1及计算机安全标准ITIC曲线的输入电源安全要求,如下图所示;同时确保转换时间不超过2ms(如图5),这一时间不仅远小于机房IT负载所要求的转换 间隙,也大大小于双路转换开关STS 达到的4~5ms转换时间,从而确保了机房负载在转换过程中的供电安全性。

  第三级――电池放电工作模式。当市电的电压与频率越出中间的圆时,也就是超出了UPS整流输入所允许的电压与频率范围时,UPS将关断整流器,进入电池放电工作模式,此模式下UPS的满载工作效率约94%。

  

  图4 输出电压动态偏离曲线

   通过上述的三级运行模式,结合当前数据中心机房输入市电的品质,可使UPS在90%以上的运行时间都工作在安全、节能的第一模式,保证了90% 的时间内UPS的效率达到99%。有必要提到的是,这一“UPS级”绿色休眠节能模式在节能的效果与转换安全性上完全不同于一些厂商在90年代中期推出的 所谓“效率优化”或“旁路优先”等原始技术。长期以来,“效率优化”或“旁路优先”一直无法解决“效率不够优化”导致的UPS可靠性不高和转换时间太长导 致的机房负载供电中断风险之间的矛盾,如一些厂家采用“旁路优先”的在线互动工作模式,效率通常小于97%,而另一些厂家则采用“后备式”工作模式,转换 时间太长通常约需10ms。而现代“UPS级”绿色休眠节能模式,通过现代最先进的“云”计算技术理念的应用并结合当代电力电子控制技术的最新进展,实现 了系统效率、转换时间及转换安全性三者的有机统一,大幅度提高了UPS在休眠状态及“休眠”到“唤醒”工作转换过程中的节能效率与工作可靠性。

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  四、UPS主电路拓扑结构的安全节能选择

  1.UPS的能效分级

  传统的6脉冲相控整流UPS电源系统由于具有很高的输入谐波污染(THDI>33%)和很低的输入功率因数(COSΦi约为0.75~0.8),已经在数据中心机房UPS供电系统的选择中被淘汰,取而代之的是以下两种变异型UPS和一种升级换代型UPS:

  ? 12脉冲相控整流UPS(通常需再加11次谐波滤波器),以下简称12脉冲UPS;

  ? 输入端加有源滤波器的6脉冲相控整流UPS,以下简称有源滤波器UPS;

  ? 现代IGBT整流UPS。

  但是,依据信息产业部2010年将要颁布的中华人民共和国通信行业标准《通信电源和机房环境节能技术指南第3部分――电源设备能效分级》的要求,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级在线式交流不间断电源的输入功率因数、输入电流谐波成分及系统效率必须同时符合下表的能效分级要求。

  1 2 3

  输入功率因数 100%额定负载 ≥0.98 ≥0.95 ≥0.90

  50%额定负载 ≥0.97 ≥0.93 ≥0.88

  20%额定负载 ≥0.95 ≥0.90 ≥0.83

  输入电流谐波成份

  (3次~39次THDI) 100%额定负载 ≤5% ≤10% ≤15%

  50%额定负载 ≤8% ≤15% ≤20%

  20%额定负载 ≤12% ≤25% ≤35%

  输出容量

  kVA ≥10 <10

  1 2 3 1 2 3

  效率 100%额定负载 ≥92% ≥91% ≥90% ≥90% ≥86% ≥82%

  50%额定负载 ≥91% ≥89% ≥87% ≥88% ≥84% ≥80%

  20%额定负载 ≥89% ≥86% ≥83% ≥85% ≥80% ≥75%

   12脉冲UPS与有源滤波器UPS的整流部分电路拓扑如下图所示。从技术原理来看,12脉冲UPS和有源滤波器UPS,都是以增加大量的额外设备或部 件,即牺牲效率和增加故障点为代价,来达到输入功率因数和输入谐波改善的目的。即使这样,12脉冲UPS在效率(一般满载仅88%)与输入功率因数方面 (一般满载最大仅0.95)、有源滤波器UPS在效率方面(一般满载90%),仍无法满足Ⅰ级电源设备的分级指标要求。因此从当前数据中心机房迫切的供电 节能应用现状和UPS技术发展的趋势来看,这两种UPS必将与6脉冲整流UPS一样,在数据中心机房UPS供电系统的选择中被逐步淘汰。值得庆幸的是,目 前市场上停留在大容量200~500KVA 12脉冲UPS这一70年代技术产品水平上的UPS厂商已不多见,其他厂商在2009年前几乎都已经提升产品到下一代。

  

  图5 12脉冲UPS的整流电路 图6 配有有源滤波器的6脉冲UPS的整流电路

   基于6脉冲UPS升级换代产品的IGBT整流UPS,其整流器拓扑结构如右图,彻底改变了这一传统的“治污”思想,它通过将整流器的构成元件从晶闸管换 成IGBT,控制原理从相控触发发展成空间矢量控制,从根本上消除了谐波产生的内在原因,以至于无需增加任何外部设备就满足了绿色电源的三大要求, 即,THDI)<3~5%, COSΦi>0.99,系统效率大于95%以上。尤其值得一提的是,这一UPS即使在仅50%的负载率下,其效率仍然可以高达95%以上。这一Ⅰ级 电源的推出,首次为数据中心动力系统提供了可供选择的绿色节能电源。

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  2.IGBT整流UPS的可靠性

  与6脉冲整流UPS相比,这一UPS没有增加任何额外的故障点,其结构的可靠性与6脉冲整流UPS完全相当。

  从图5、6、7可以看出,与12脉冲及有源滤波器UPS相比,其电路结构的复杂度大为降低,显然其结构的可靠性得以大幅度提高。

  现在某些厂家由于自身还没有技术能力推出高于200KVA以上的这一产品及基于自身商业利益需要考虑,宣称“可控硅器件过载能力很强,10倍额定电流达20ms;而IGBT 器件过载能力弱,10倍额定电流仅20μs,所以IGBT整流器故障率高、可靠性偏低”。

   这种简单地把6脉冲整流器所用可控硅器件的过载能力与6脉冲UPS整流器的过载能力混为一谈,不能不让人啼笑皆非。殊不知,无论是6脉冲整流器还是 IGBT整流器,其器件都是开关工作的,整流器的故障损毁概率大小,尽管与器件本身的过载特性有一定的关系,但关键的决定因素却是能否在短路电流发生时予 以有效地切断。这就如同一个开关断路器,如果在短路电流发生时,不能快速有效地分断跳闸,这个断路器最终一定会被烧毁,更何况可控硅的过载能力通常还远不 及开关断路器。IGBT器件能够逐渐取代可控硅,成为电力电子技术平台性的器件,其主要的原因是它卓越的瞬时关断能力,在短路电流发生后,它可以随时予以 可控切断,因此它是一个“全控”器件;而可控硅器件则不同,它在开通后必须等到电流自然过零点才会关断,即不可控,如果导通后出现了大的短路电流冲击,其 结果是一定会被烧毁,因此它是廉价的“半控”器件。所以,UPS简单地通过不加控制的器件本身过载能力来主管臆断可控硅整流器和IGBT整流器的可靠性, 这既不科学也不符合实际。

  从原理及应用实际看,IGBT整流器的可靠性在当今国际电力电子界是普遍公认的,任何出于商业利益的曲意诋毁 或“忽悠”都只能是自打嘴巴或自毁声誉,因为尽管那些厂家自己暂时还没有能力生产200KVA以上的大容量IGBT整流UPS,但却一直在生产和销售 200KVA以下的中小功率IGBT整流UPS,如果IGBT整流UPS有“原理级”的固有可靠性缺陷,那这些厂商对他的客户也太不负责任了,因为很大一 部分中小功率的IGBT整流 UPS被用在重要性远高于IDC机房的核心机房,如通信的计费中心(BOSS系统)、银行的省级交易中心、航天指挥中心、军队指挥中心及人命关天的医院治 疗中心等。

  五 UPS供电系统的安全绿色验收技术

  最后,对于数据中心机房而言,在UPS系统竣工并投入正式的带载运行前,进行全载的拷机测试是必不可少的。这既可以检验UPS自身的带载能力,也可以发现工程施工和设备设置中的问题。

   通常的UPS验收测试如图8所示。要实现这一测试,通常需要预先购置大容量的负载箱(对于500KVA的UPS,则需要同样容量的负载箱),需要进行电 缆的连接工程,并为负载箱准备摆放的空间。在测试的过程中将产生大量的热量,必须有相应的冷却设备。如果拷机2小时,用户还必须支付相应的测试电费等。这 种测试方法既费钱费力,又存在安全问题。

  

   为了克服传统测试方法存在的上述问题,一种无需负载箱、无需电缆连接工程,在测试过程中基本不产生外部耗电的绿色测试技术被应用到数据中心机房的验收 中。这一测试方法的测试过程如图9所示,测试时UPS通过设置自动将逆变器输出的电能通过自身的旁路回路流回到市电网,测试电流可以在 50~100%之间予以设定。

  与传统测试方法相比,这一测试技术不仅节约了设备、工程及损耗电费,而且测试过程中,不会产生额外的发热,保正了测试过程的安全性。

  

  六.总结

   现代数据中心机房UPS供电系统通过引入先进的“系统级”、“UPS级”绿色安全休眠技术,同时选择能效分级达到I级的IGBT整流型UPS及绿色负载 验收技术,不仅可以大幅度提高整个机房供电系统的节能降耗水平,降低数据中心的运行成本,同时也在系统运行构架上大大改善整个机房电源的可靠性和安全性等 级。

  近300套伊顿9395 200~600KVA大功率IGBT整流UPS三年多来故障率为零的成功应用不仅充分验证了上述结论,而且无可辩驳地表明,大功率IGBT整流UPS的技 术成熟性毋庸置疑,其可靠性和安全性完全可以媲美或优于传统相控整流UPS。淘汰落后、耗能、存在额外故障点的12脉冲整流UPS及带有源滤波器的6脉冲 整流UPS已经成为数据中心机房电源设计的当务之急。

  Safety and Saving Energy Design for UPS system of Data Center

   摘要:本文通过对数据中心机房UPS供电系统的绿色安全休眠技术、绿色负载测试技术的介绍,并结合UPS的能效分级数据,倡导现代数据中心 UPS供电系统应在系统构架上大力采用系统级的可靠性及绿色节能设计技术,以确保数据中心供电系统具有绝对可靠的供电安全等级,同时提升机房供电系统的节 能水平。

                        
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