關(guān)于數(shù)據(jù)中心UPS不間斷電源系統(tǒng)架構(gòu)介紹!
來源:www.jnmldz.com 發(fā)布時間:2020年12月31日
一個典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng),由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及發(fā)電機(jī)等設(shè)備組成。其中,UPS的主要作用,是在市電電源中斷、發(fā)電機(jī)啟動之前,確保所帶的負(fù)載持續(xù)供電,因此,UPS系統(tǒng)包含了儲能設(shè)備,如蓄電池或飛輪;此外,傳統(tǒng)UPS還具有隔離市電側(cè)浪涌、電壓驟升驟降等作用。
UPS系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心供電連續(xù)性的重要保障,UPS系統(tǒng)的靠譜性直接影響數(shù)據(jù)中心的靠譜性,同時,在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心,UPS系統(tǒng)的損耗可占IT設(shè)備能耗的10%以上。因此,提高UPS系統(tǒng)的靠譜性,同時降低其損耗,就成為數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)架構(gòu)演變的主旋律。
1.傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)
目前,數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)用較廣的不間斷電源還是傳統(tǒng)UPS,它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態(tài)旁路3部分電路組成,DC母線上掛接蓄電池,輸入AC正常時,經(jīng)整流和逆變兩次轉(zhuǎn)換后為負(fù)載供電,同時為蓄電池浮充,輸入AC中斷時,蓄電池由浮充轉(zhuǎn)放電,經(jīng)逆變器為負(fù)載供電,對負(fù)載來說,感受不到輸入端電源的中斷。
UPS設(shè)備的分類
從結(jié)構(gòu)上看,UPS設(shè)備可以分為后備式、在線互動式、雙轉(zhuǎn)換在線式、Delta?轉(zhuǎn)換在線式等類型,其中前兩種主要用于小容量負(fù)載(≤5kVA),Delta轉(zhuǎn)換在線式技術(shù)受保護(hù),因此,大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設(shè)備。
傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設(shè)備采用可控硅整流,主要的問題是諧波電流畸變率(THDi)高(10-30%),轉(zhuǎn)換效率低(85-92%)。
隨著電力電子器件的發(fā)展,呈現(xiàn)出IGBT取代可控硅整流的趨勢,IGBT整流的優(yōu)勢是取消變壓器,因而降低了成本,同時有比較好的輸入特性,在較寬的負(fù)載范圍內(nèi),可以將THDi控制在5-10%之間,較大的好處是效率的提升,通常在87-95%之間。目前,IGBT整流型UPS的靠譜性比可控硅整流型略低。
UPS冗余設(shè)計
由于UPS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此自身容易發(fā)生故障,設(shè)備冗余可以提高可用性,UPS系統(tǒng)便有了N、N+X、2N、”市電+U電“等架構(gòu)。
N系統(tǒng)滿足基本需求,沒有冗余的UPS設(shè)備。它的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單,硬件配置成本低廉;由于UPS工作在設(shè)計滿負(fù)荷條件下,因此效率較高。其缺點是可用性低,當(dāng)UPS發(fā)生故障,負(fù)載將轉(zhuǎn)換到旁路供電,無保護(hù)電源;在UPS、電池等設(shè)備維護(hù)期間,負(fù)載處于無保護(hù)電源狀態(tài);存在多個單故障點。
N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺型號規(guī)格相同且具有并機(jī)功能的UPS設(shè)備并聯(lián)組成的系統(tǒng),配置N臺UPS設(shè)備,其總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量,再配置X臺(X=1~N)UPS冗余設(shè)備,允許X臺設(shè)備故障退出檢修。相對于“N”系統(tǒng),“N+X”系統(tǒng)在UPS配置上有了一定的冗余,系統(tǒng)靠譜性有所提高,同時帶來了系統(tǒng)配置成本的增加、系統(tǒng)負(fù)荷率的降低以及效率降低。N+X系統(tǒng)在成本增加不多的前提下提高了可用性,因此,在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛的應(yīng)用,但是該系統(tǒng)在UPS輸出端仍然存在單故障點,實際項目中由此造成的系統(tǒng)宕機(jī)屢見不鮮。
2N,為了消除單點故障,高等級數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指由兩套或多套UPS系統(tǒng)組成的冗余系統(tǒng),每套UPS系統(tǒng)N臺UPS設(shè)備的總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量。該系統(tǒng)從交流輸入經(jīng)UPS設(shè)備直到雙電源輸入負(fù)載,完全是彼此隔離的兩條供電線路,也就是說,在供電的整個路徑中的所有環(huán)節(jié)和設(shè)備都是冗余配置的,正常運行時,每套UPS系統(tǒng)僅承擔(dān)總負(fù)荷的一部分。這種多電源系統(tǒng)冗余的供電方式,克服單電源系統(tǒng)存在的單點故障瓶頸,對于少數(shù)單電源設(shè)備的情況,可通過安裝小型STS設(shè)備,保障其供電靠譜性。采用2N冗余系統(tǒng)可用性得到明顯提高。
2N冗余系統(tǒng)的缺點也非常明顯,設(shè)備配置多、成本高,通常情況下效率比N+X系統(tǒng)更低。
“市電+U電”供電架構(gòu)由百度提出并在其自建M1數(shù)據(jù)中心規(guī)模應(yīng)用,它在N+1系統(tǒng)基礎(chǔ)上做了改進(jìn),UPS設(shè)備配置不變,將服務(wù)器等雙電源設(shè)備的其中1路改由市電直接供電,消除了單點故障,靠譜性較N+1系統(tǒng)大大提高,同時,UPS系統(tǒng)的損耗降低為原先的50%。UPS系統(tǒng)整體效率提升至95%以上。UPS?ECO模式帶來了效率的提升,其代價是IT負(fù)載由市電供電,UPS必須不斷監(jiān)視市電狀態(tài),并在發(fā)現(xiàn)問題且當(dāng)該問題尚未影響負(fù)載時,迅速切換到逆變器供電。這個聽起來簡單,但實際操作起來非常復(fù)雜并且需要承擔(dān)很多風(fēng)險以及潛在的負(fù)面影響。
UPS系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心供電連續(xù)性的重要保障,UPS系統(tǒng)的靠譜性直接影響數(shù)據(jù)中心的靠譜性,同時,在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心,UPS系統(tǒng)的損耗可占IT設(shè)備能耗的10%以上。因此,提高UPS系統(tǒng)的靠譜性,同時降低其損耗,就成為數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)架構(gòu)演變的主旋律。
1.傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)
目前,數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)用較廣的不間斷電源還是傳統(tǒng)UPS,它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態(tài)旁路3部分電路組成,DC母線上掛接蓄電池,輸入AC正常時,經(jīng)整流和逆變兩次轉(zhuǎn)換后為負(fù)載供電,同時為蓄電池浮充,輸入AC中斷時,蓄電池由浮充轉(zhuǎn)放電,經(jīng)逆變器為負(fù)載供電,對負(fù)載來說,感受不到輸入端電源的中斷。
UPS設(shè)備的分類
從結(jié)構(gòu)上看,UPS設(shè)備可以分為后備式、在線互動式、雙轉(zhuǎn)換在線式、Delta?轉(zhuǎn)換在線式等類型,其中前兩種主要用于小容量負(fù)載(≤5kVA),Delta轉(zhuǎn)換在線式技術(shù)受保護(hù),因此,大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設(shè)備。
傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設(shè)備采用可控硅整流,主要的問題是諧波電流畸變率(THDi)高(10-30%),轉(zhuǎn)換效率低(85-92%)。
隨著電力電子器件的發(fā)展,呈現(xiàn)出IGBT取代可控硅整流的趨勢,IGBT整流的優(yōu)勢是取消變壓器,因而降低了成本,同時有比較好的輸入特性,在較寬的負(fù)載范圍內(nèi),可以將THDi控制在5-10%之間,較大的好處是效率的提升,通常在87-95%之間。目前,IGBT整流型UPS的靠譜性比可控硅整流型略低。
UPS冗余設(shè)計
由于UPS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此自身容易發(fā)生故障,設(shè)備冗余可以提高可用性,UPS系統(tǒng)便有了N、N+X、2N、”市電+U電“等架構(gòu)。
N系統(tǒng)滿足基本需求,沒有冗余的UPS設(shè)備。它的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單,硬件配置成本低廉;由于UPS工作在設(shè)計滿負(fù)荷條件下,因此效率較高。其缺點是可用性低,當(dāng)UPS發(fā)生故障,負(fù)載將轉(zhuǎn)換到旁路供電,無保護(hù)電源;在UPS、電池等設(shè)備維護(hù)期間,負(fù)載處于無保護(hù)電源狀態(tài);存在多個單故障點。
N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺型號規(guī)格相同且具有并機(jī)功能的UPS設(shè)備并聯(lián)組成的系統(tǒng),配置N臺UPS設(shè)備,其總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量,再配置X臺(X=1~N)UPS冗余設(shè)備,允許X臺設(shè)備故障退出檢修。相對于“N”系統(tǒng),“N+X”系統(tǒng)在UPS配置上有了一定的冗余,系統(tǒng)靠譜性有所提高,同時帶來了系統(tǒng)配置成本的增加、系統(tǒng)負(fù)荷率的降低以及效率降低。N+X系統(tǒng)在成本增加不多的前提下提高了可用性,因此,在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛的應(yīng)用,但是該系統(tǒng)在UPS輸出端仍然存在單故障點,實際項目中由此造成的系統(tǒng)宕機(jī)屢見不鮮。
2N,為了消除單點故障,高等級數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指由兩套或多套UPS系統(tǒng)組成的冗余系統(tǒng),每套UPS系統(tǒng)N臺UPS設(shè)備的總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量。該系統(tǒng)從交流輸入經(jīng)UPS設(shè)備直到雙電源輸入負(fù)載,完全是彼此隔離的兩條供電線路,也就是說,在供電的整個路徑中的所有環(huán)節(jié)和設(shè)備都是冗余配置的,正常運行時,每套UPS系統(tǒng)僅承擔(dān)總負(fù)荷的一部分。這種多電源系統(tǒng)冗余的供電方式,克服單電源系統(tǒng)存在的單點故障瓶頸,對于少數(shù)單電源設(shè)備的情況,可通過安裝小型STS設(shè)備,保障其供電靠譜性。采用2N冗余系統(tǒng)可用性得到明顯提高。
2N冗余系統(tǒng)的缺點也非常明顯,設(shè)備配置多、成本高,通常情況下效率比N+X系統(tǒng)更低。
“市電+U電”供電架構(gòu)由百度提出并在其自建M1數(shù)據(jù)中心規(guī)模應(yīng)用,它在N+1系統(tǒng)基礎(chǔ)上做了改進(jìn),UPS設(shè)備配置不變,將服務(wù)器等雙電源設(shè)備的其中1路改由市電直接供電,消除了單點故障,靠譜性較N+1系統(tǒng)大大提高,同時,UPS系統(tǒng)的損耗降低為原先的50%。UPS系統(tǒng)整體效率提升至95%以上。UPS?ECO模式帶來了效率的提升,其代價是IT負(fù)載由市電供電,UPS必須不斷監(jiān)視市電狀態(tài),并在發(fā)現(xiàn)問題且當(dāng)該問題尚未影響負(fù)載時,迅速切換到逆變器供電。這個聽起來簡單,但實際操作起來非常復(fù)雜并且需要承擔(dān)很多風(fēng)險以及潛在的負(fù)面影響。