數(shù)據(jù)中心UPS供配電理念的轉(zhuǎn)變

時(shí)間：2020-01-05作者：先拓科技（福建）有限公司瀏覽：276

摘要：隨著IT技術(shù)的發(fā)展，特別是云計(jì)算的興起，做為基礎(chǔ)物理設(shè)施的供電系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)理念和配置方法也在發(fā)生著明顯的變化。

數(shù)據(jù)中心UPS供配電理念的轉(zhuǎn)變

 

　　隨著IT技術(shù)的發(fā)展，特別是云計(jì)算的興起，做為基礎(chǔ)物理設(shè)施的供電系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)理念和配置方法也在發(fā)生著明顯的變化。國(guó)外一系列的數(shù)據(jù)中心建設(shè)案例呈現(xiàn)出這樣的特點(diǎn)，即提高系統(tǒng)的可靠性、較高的供電效率以及日益縮短的后備時(shí)間。可以說(shuō)UPS電源正在扮演一個(gè)較加純粹的“守護(hù)者”的角色用較少的消耗換取較高的可靠性，這首先是數(shù)據(jù)中心大型化集約化發(fā)展的需要，同時(shí)也是時(shí)代對(duì)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)綠色環(huán)保節(jié)能提出的新要求。

　　較高的供電效率

　　隨著云計(jì)算的蓬勃發(fā)展,數(shù)據(jù)中心能耗的不斷增加已越來(lái)越受到業(yè)界人士的關(guān)注。2006年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的總耗電量約為610億千瓦時(shí)，總電力成本約為45億美金;而2011年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的總耗電量已**過(guò)1000億千瓦時(shí)，總電力成本高達(dá)74億美金。數(shù)據(jù)中心的成本、效率和可持續(xù)性受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)中心耗電量急劇上升，“數(shù)據(jù)中心節(jié)能”成為未來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。UPS在數(shù)據(jù)中心中耗電量為18%，然而，由于UPS系統(tǒng)需要7x24小時(shí)在線運(yùn)行，所以提高UPS供電效率可以帶來(lái)直接的電力節(jié)省。哪怕是些許的效率提升，每年也會(huì)節(jié)省大量的電費(fèi)開支。影響UPS系統(tǒng)效率的兩個(gè)因素為：UPS系統(tǒng)自身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和決定UPS負(fù)載因數(shù)的數(shù)據(jù)中心電源及配電的設(shè)計(jì)。

　　UPS系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)很大程度上決定了效率。目前市面上UPS主要有兩種結(jié)構(gòu)—在線互動(dòng)式和在線雙轉(zhuǎn)換式。

　　在線互動(dòng)式UPS將整流器和逆變器與市電輸入并聯(lián)。這種設(shè)計(jì)使得在線互動(dòng)式UPS可以對(duì)市電(過(guò)壓或欠壓)進(jìn)行補(bǔ)償;同時(shí)通過(guò)相應(yīng)的電路，對(duì)諧波、瞬態(tài)波動(dòng)和其他電力質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)市電不可用或**出設(shè)定范圍，在線互動(dòng)式UPS通過(guò)靜態(tài)開關(guān)將負(fù)載與市電隔離，同時(shí)切換到電池或飛輪等儲(chǔ)能裝置給負(fù)載供電。

　　在線雙轉(zhuǎn)換式UPS系統(tǒng)雙變換式UPS系統(tǒng)將負(fù)載與市電完全隔離。在任何時(shí)刻都對(duì)負(fù)載提供** 調(diào)整過(guò)的交流電。由于雙變換式UPS工作時(shí)對(duì)市電能量進(jìn)行兩次變換 – **次是交流到直流，然后再是直流到交流，也因此得名“雙變換式UPS”。正常運(yùn)行狀態(tài)下，即使市電沒有電力干擾，雙轉(zhuǎn)換UPS系統(tǒng)也會(huì)一直給負(fù)載提供處理過(guò)的交流信號(hào)。

　　使用雙轉(zhuǎn)換UPS，電源要從交流整流到直流，再?gòu)闹绷髂孀兊浇涣?，才能確保輸出端完整的正弦波及頻率保護(hù)功能，以及保護(hù)負(fù)載免受七種電力干擾的影響。這個(gè)方法既**出了現(xiàn)代IT設(shè)備的電源需求，又消耗了大量的能源。

　　比較而言，在線互動(dòng)式UPS設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，在主電力通路上的器件較少，從而在保護(hù)負(fù)載的同時(shí)獲得較高的供電效率。由此可見，采用飛輪儲(chǔ)能UPS系統(tǒng)可以有效降低能耗已經(jīng)成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。

　　Active Power提供飛輪UPS即采用在線互動(dòng)式設(shè)計(jì)，可以達(dá)到與在線雙變換式UPS相同的電力輸出質(zhì)量，主要是采用了高速微處理器，可以在一個(gè)20ms周波內(nèi)對(duì)市電采樣400次，快速對(duì)電源的瞬態(tài)問(wèn)題作出響應(yīng)。而飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)負(fù)載的輸入電路設(shè)計(jì)幾乎和在線雙變換式UPS相同。除了通過(guò)UPS架構(gòu)對(duì)電能節(jié)省外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)相比蓄電池對(duì)環(huán)境條件(溫/濕度)要求較低，另外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)占地面積只有蓄電池1/4，大大降低了對(duì)制冷量和制冷空間的要求，從而進(jìn)一步節(jié)省電能。以一個(gè)15000平方英尺的數(shù)據(jù)中心為例，按每平方英尺的IT設(shè)備運(yùn)行功率為50W計(jì)算，每年需要消耗電能6.9 兆瓦時(shí)(MWh)。如果UPS電源系統(tǒng)在效率上提高5%，每年可降低384,000 千瓦時(shí)(kWh)的電能消耗，或大約節(jié)省3.8萬(wàn)美元的電費(fèi)開支(按0.10美元/千瓦時(shí)計(jì)算)，另外還可大量減少在冷卻負(fù)載方面的節(jié)省。

　　至于，對(duì)于在線互動(dòng)式UPS較主要的質(zhì)疑即針對(duì)市電頻率波動(dòng)的處理能力，因?yàn)檩敵鲱l率是與市電同步，Active Power利用了同樣的微處理器解決這個(gè)問(wèn)題，只允許+/- 0.2% 市電頻率的漂移，當(dāng)市電**出這個(gè)范圍，將由飛輪進(jìn)行供電，這樣做的結(jié)果是有效保證了供電質(zhì)量。

　　較高的可靠性

　　數(shù)據(jù)信息的重要性的提升，使得數(shù)據(jù)中心的可靠性在和企業(yè)中的日益凸顯;雖然能效對(duì)于數(shù)據(jù)中心越來(lái)越重要，但運(yùn)維人員仍然對(duì)于任何可能引起宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的改變都較其慎重;更多的關(guān)于數(shù)據(jù)中心供電可靠性的知識(shí)可以幫助運(yùn)維人員在提高數(shù)據(jù)中心供電效率的同時(shí)減少顧慮。

　　自從1996年，MTechnology 公司(MTech)一直采用風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估法(PRA)這種科學(xué)的方法，對(duì)高效電力設(shè)備進(jìn)行評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估法(PRA)是用于評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)可靠性和有效性的正式技術(shù)方法的集合。PRA技術(shù)通過(guò)綜合簡(jiǎn)單部件故障率的已知信息，利用正式的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)可靠性作出令人信服的評(píng)估。對(duì)于大部分電氣、電子和機(jī)械部件來(lái)說(shuō)，都有其可供參考的故障率數(shù)據(jù)。PRA的計(jì)算方法參考這些數(shù)據(jù)，并考慮到各部件在特定系統(tǒng)中相互作用的因素，利用專業(yè)知識(shí)將他們?nèi)诤弦黄稹Ｋ?，在系統(tǒng)組成以前，就能評(píng)估出復(fù)雜系統(tǒng)的故障率。

　　MTechnology 公司將停電分為兩類：

　　**過(guò)10秒鐘的長(zhǎng)時(shí)間市電中斷：在這種情況下，通過(guò)命令自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，交流電源轉(zhuǎn)移到發(fā)電機(jī)，然后發(fā)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。在發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)生十秒鐘以上電力中斷的情況并不多見。事實(shí)上，根據(jù)美國(guó)電力研究所(EPRI)的評(píng)估結(jié)果顯示，用戶遭受電壓下跌的幾率要高出電力完全中斷幾率的十倍之多。在電力完全中斷的案例中，**過(guò)10秒鐘的情況不**過(guò)4%。

　　故障樹分析顯示，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)故障是引起備用電源系統(tǒng)故障的較重要原因。使用中的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)生故障的次數(shù)大約占系統(tǒng)預(yù)期故障次數(shù)的95%。模型中使用了電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì)黃金書(IEEE Gold Book)的數(shù)據(jù)，其故障率大約為每小時(shí)10-5，或**過(guò)100,000小時(shí)(11年以上)的故障平均間隔時(shí)間，這說(shuō)明整套機(jī)電部件在持續(xù)使用中性能良好。因?yàn)樽詣?dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)只是單點(diǎn)故障，所以它的故障率占據(jù)了大部分的系統(tǒng)故障，且自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)故障幾乎總會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因?yàn)樽詣?dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)故障率、主開關(guān)柜故障率和發(fā)電機(jī)故障率是系統(tǒng)的主要故障率。下圖為故障樹模型的Active Power飛輪UPS簡(jiǎn)化單線流程圖。

 

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