云计算和大数据时代的UPS供电系统

一、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,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。

二、 目前UPS供电系统的类型及配电系统的发展

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。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。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。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。

三、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。

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。