數據中心直流輸出型UPS供電系統探討

　　隨著(zhù)不間斷電源（UPS）及其供電系統在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應用，使用者正在逐步接受并理解專(zhuān)家們對UPS供電系統可靠性、可用性的研究理論。然而隨著(zhù)人們對可靠性研究的深入，專(zhuān)家們又在尋找供電系統不可靠因素之所在，同時(shí)，提出解決這些不可靠因素的新理念、新思路。傳統設計理念的局限性可歸結為備用電源配置方式問(wèn)題。必須改變備用電源的配置方式，將備用能源（電池）的直流電直接對負載供電，可使UPS系統的可靠性、制造成本、能源利用率、系統效率、系統標準化等方面發(fā)生革命性的變化。本刊對此表示關(guān)注和探尋，帶著(zhù)這種關(guān)注和探尋，本刊主編張乃國先生于2010年2月3日采訪(fǎng)了中科院計算所研究員張廣明先生，請他就直流輸出型UPS的主要研究思路和我們關(guān)注的話(huà)題進(jìn)行了解答。

　　問(wèn)：傳統UPS供電系統現在存在哪些問(wèn)題？

　　答：現在所說(shuō)的UPS供電系統由AC/DC整流器、DC/AC逆變器、各級配電柜、各級濾波器、STS轉換開(kāi)關(guān)（雙路供電系統用）、電池組、變壓器等設備和環(huán)節組成。

　　傳統UPS供電系統存在的問(wèn)題可歸納成下述幾個(gè)方面。

　?。?）系統可靠性問(wèn)題

　　系統復雜、單路徑故障點(diǎn)多、設備可靠性差、維護難度大等。

　?。?）系統電流諧波*問(wèn)題

　　系統中存在兩個(gè)諧波源負載開(kāi)關(guān)電源和UPS輸入側AC/DC整流器。對電網(wǎng)和系統本身形成*、增加濾波設備、降低輸入功率因數和能源利用率，以及對零地線(xiàn)系統等提出苛刻要求。

　?。?）系統成本和能源消耗問(wèn)題

　　能源兩次轉換降低了效率（雙總線(xiàn)系統的效率﹤80%），系統復雜性提高了購置成本和運行成本，電流諧波的存在需增加濾波設備，輸入功率因數的低下降低了系統設備容量的利用率。

　?。?）系統標準化問(wèn)題

　　系統復雜為標準化帶來(lái)困難，系統設計建造多采用定制式手段，基本方法還停留在手工業(yè)階段。

　?。?）系統的靈活性和可擴展、變更問(wèn)題

　　以計劃容量一次性投入、難以變更和擴展，縮短了系統生命周期。

　?。?驚統使用維護難度問(wèn)題

　　要求較高的維護水平，供應商家多且產(chǎn)品非標準化使故障修復困難。

　　問(wèn)：從技術(shù)角度講，當前傳統UPS系統要解決的重點(diǎn)問(wèn)題是什么呢？

　　答：從當前用戶(hù)關(guān)注的焦點(diǎn)和UPS廠(chǎng)家技術(shù)改造的重點(diǎn)來(lái)看，要解決的問(wèn)題和技術(shù)措施歸納起來(lái)有以下三點(diǎn)：

　?。?）提高系統可用性

　　設備降容使用，提高可靠性，延長(cháng)使用壽命；

　　增大成本，對設備采用冗余配置，使其有容錯功能；

　　對系統采用雙總線(xiàn)冗余配置，可以最大限度地減少整個(gè)系統的單路徑故障點(diǎn)；

　　配置模塊化UPS，有冗余功能，可以大幅度降低故障修復時(shí)間；

　　提高設備智能監測和管理功能，便于維護，并可把潛在的故障隱患消除在故障發(fā)生之前；

　　采用集成化系統設計，解決系統中各類(lèi)設備阻抗和連接方式的匹配問(wèn)題，提高系統運行的可靠性和集中管理問(wèn)題，并最大限度地減少安裝和維護過(guò)程中的人為錯誤?！　。?）抑制系統中諧波電流的產(chǎn)生和治理問(wèn)題

　　加大零線(xiàn)截面積規格和前端設備（變壓器、柴油發(fā)電機、配電開(kāi)關(guān)、轉換開(kāi)關(guān)等）容量，以便降低諧波電流的影響；

　　輸入三相整流改為12脈波整流＋11次無(wú)源濾波器，使功率因數PF=0.95，諧波THDI10%；

　　三相整流前加有源濾波器，使輸人電流成正弦波，PF=0.99，THDI5%；

　　輸入改為IGBT高頻整流，使PF＝0.99，THDI5%；

　　要求負載IT設備輸入開(kāi)關(guān)電源采用PFC高頻整流。

　?。?）提高系統的適應性

　　采用模塊化設計，使局部系統有擴容功能，減少系統運行初期的設備購置成本和運行成本；

　　采用標準化設計，簡(jiǎn)化系統設計和制造流程，為系統快速安裝和可能的變更、移動(dòng)、擴容提供方便。

　　問(wèn)：當前ups系統的可靠性還不夠高的根本原因是什么？

　　答：不間斷供電系統實(shí)現其功能的最基本條件是必須有兩路電源，一路是市電供電，另一路是備用電源供電。市電供電是有可能故障掉電的，這是建立UPS供電系統的初衷。

　　備用電源應該是實(shí)現不間斷供電的底線(xiàn)，是最后的保障。電池設備的故障是可預見(jiàn)的，并且故障發(fā)生是緩慢漸變的、非突發(fā)性的，只要維護得好，定期檢測，可以在不影響系統正常運行的情況下消除故障隱患，因此電池具備了底線(xiàn)、保險的后備能源的條件。

　　但是，遺憾的是，傳統UPS設計方案并沒(méi)有給電池發(fā)揮作用的充分條件，電池并沒(méi)有直接放在負載的前面為負載保駕護航，而是把它放到了UPS主機設備中，市電掉電時(shí)，電池要通過(guò)UPS主機設備中最不可靠的環(huán)節逆變器向負載供電。這樣，備用電源供電途徑的不可靠就成為傳統UPS供電系統的可靠性難以有效提高的根本原因。

　　問(wèn)題出在系統設計方案的指導思想上，選擇不間斷供電的主角是市電、備用電源，還是兩路都必須經(jīng)過(guò)ups的逆變器環(huán)節？

　　如果把備用電源放在負載前面，市電掉電時(shí)由高可靠的備用電源直接給負載供電，那么備用電源不僅可在市電掉電時(shí)向負載供電，當市電正常而主機供電系統發(fā)生故障時(shí)，也可保證負載的正常運行。

　　保證IT負載連續可靠工作的關(guān)鍵在于市電和備用電源的配置方法。傳統UPS供電系統中，兩路能源的供電方法是：一是市電輸入+雙變換系統；二是備用電池十逆變系統。所以，保證IDC不停電的關(guān)鍵是，當市電供電一路電源中斷時(shí)，備用電源能否可靠地不間斷地向負載供電。原則上講，備用電源配置方法有兩種：串聯(lián)型和直接型。

　?。?）串聯(lián)型

　　傳統UPS供電系統的備用電源配置方法是串聯(lián)型的，平時(shí)市電（電網(wǎng)十雙變換系統）對負載供電，而在電網(wǎng)掉電或系統故障時(shí)，備用電源（電池組）要經(jīng)過(guò)UPS設備中的DC/AC變換環(huán)節向負載供電。

　　根據當前設備可靠性水平，電池系統的可靠度R1在0.99左右，而UPSDC/AC逆變器的可靠度只有R2=0.9，根據串聯(lián)型可靠性模型可計算出這時(shí)備用電源供電的可靠度。