UPS電源在數(shù)據(jù)中心機房的應用

文│ 北京協(xié)和醫(yī)院 張 碩

UPS電源在數(shù)據(jù)中心機房的應用

文│ 北京協(xié)和醫(yī)院 張 碩

數(shù)據(jù)中心是現(xiàn)代信息化建設的基礎工程，為各個行業(yè)提供穩(wěn)定、安全的工作環(huán)境。而數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)就是這項基礎工程的心臟和大動脈。供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，能夠保障其他系統(tǒng)作用的發(fā)揮和核心業(yè)務的正常運行。使用不間斷電源（UPS），確保關鍵用電設備的安全性是解決上述問題最重要的方法之一，這也使得全社會對不間斷電源的需求日益增加。

不間斷電源是一種含有儲能的裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。它主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)或其他電力電子設備提供不間斷的電力供應。就UPS應用技術(shù)而言，主要分為三類，即后備式、在線互動式及在線雙變換式。

1 UPS電源配置方式概述

UPS供配電系統(tǒng)既可以采用單機供電，也可以采用冗余方式進行供電。冗余方式供電在少數(shù)設備故障時，仍然能夠滿足數(shù)據(jù)中心內(nèi)的用電需求，這是單機供電所不能達到的。從冗余式配置方式來看，有以下幾種方式：

（1）雙機主從式熱備份配置方式（如圖1所示）

主機帶負載，備機空載，備機接入主機的Bypass（旁路）輸入端，兩套UPS串聯(lián)連接。

（2）功率均分并聯(lián)備份配置方式（如圖2所示）

由具有相同額定輸出功率的UPS可直接并聯(lián)形成冗余供電系統(tǒng)。為保證高質(zhì)量的并機系統(tǒng)，各電源間必須保持同頻同相，且各機均流。

（3）雙母線單機系統(tǒng)配置方式（如圖3所示）

雙母線供電方式是采用兩條總線對后端設備進行供電，每條總線上具有一套相同的UPS供電方式。

（4）雙母線雙機系統(tǒng)配置方式（如圖4所示）

系統(tǒng)1有UPS1-1和UPS1-2兩臺帶并機柜并機，兩臺UPS平時可各帶50%負載，當一臺UPS有故障時，另一臺可帶100%負載繼續(xù)供電。

系統(tǒng)2有UPS2-1和UPS2-2兩臺帶并機柜并機，結(jié)構(gòu)和工作原理同系統(tǒng)一樣。

平時，系統(tǒng)1與系統(tǒng)2分別帶自己的負載，當其中一個系統(tǒng)供電母線上的任何設備或電纜需要維護或解決故障時，其負載可經(jīng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關切換至另一個系統(tǒng)從而供電。

2 UPS電源配置方式分析

2.1 雙機主從式熱備份配置方式分析

（1）優(yōu)點

◆ 兩臺甚至多臺UPS基本處于相對獨立、互不干擾的運行狀態(tài)；

◆ 可采用不同型號、不同容量的UPS構(gòu)成串聯(lián)熱備份方式；

◆ 配置方式比較靈活，不需要兩臺UPS電源，不需要增加額外輔助電路，不增加購置成本。

（2）缺點

◆ 兩臺UPS老化程度不同，備機電池組長期處于浮充狀態(tài)，影響電池壽命；

◆ 這種結(jié)構(gòu)有許多單點故障，如果主UPS出了故障，那么另一臺必須接替全部負載，在約8ms內(nèi)，另一臺必須把供電從0增加到100%；

◆ 備用UPS需具有階躍性負載承載能力，無擴容能力，由于人們很難實時了解備用UPS的各部分有無故障或隱患，所以當要啟動備用機時，就可能無法正常工作。

2.2 功率均分并聯(lián)備份配置方式分析

（1）優(yōu)點

◆ 完善的鎖相同步技術(shù)保證多臺UPS直接并聯(lián)時可均分負載電流；

◆ 瞬間過載能力強，能夠自動均分功率；

◆ 良好的擴容性能（N＋1），避免了“串聯(lián)”熱備份方式的缺點。

（2）缺點

◆ 存在環(huán)流增加無功損耗，降低系統(tǒng)的可靠性；

◆ 需增加額外輔助電路，增加成本，增加故障點；

◆ 對設備本身同步鎖相技術(shù)的要求高，對設備制造技術(shù)要求輸出阻抗接近；

◆ 對逆變器輸出電壓分相調(diào)節(jié)性能要求高；

◆ UPS必須同型號、同容量，多臺并聯(lián)時，旁路也需增加“均流電感”。

2.3 雙母線單機系統(tǒng)配置方式分析

（1）優(yōu)點

◆ 消除可能出現(xiàn)在UPS輸出端與最終用戶負載端之間的“單點”故障隱患，提高輸出電源供電系統(tǒng)的“容錯”功能；

◆ 可在線維護、在線擴容與在線升級；

◆ 改善了總線的可用性，滿足雙電源用電設備的需求，真正實現(xiàn)了7×24×365運行的目標；

◆ UPS輸出針對每個機柜采用一個獨立回路，使用插座或者工業(yè)連接器對單獨機柜進行供電；

◆ 對于雙路供電設備，便于從兩個獨立的UPS進行輸出配電；

◆ UPS電源分別送到數(shù)據(jù)中心各個機柜，既安全可靠，又方便使用和維護。

（2）缺點

◆ 成本增大，需要增加2倍以上的成本。

2.4 雙母線雙機系統(tǒng)配置方式分析

（1）優(yōu)點

◆ 由于每個系統(tǒng)中有兩臺UPS帶并機柜并機，并在旁路柜前增加一臺隔離變壓器，所以當UPS轉(zhuǎn)旁路時，可消除市電對負載諧波干擾及降低零地電壓；

◆ 兩臺UPS平時可各帶50%負載，當一臺UPS有故障時，另一臺可帶100%負載繼續(xù)供電，當兩臺UPS同時有故障時，可經(jīng)UPS靜態(tài)旁路開關柜MSS轉(zhuǎn)到旁路供電；

◆ 當其中一個系統(tǒng)供電母線上的任何設備或電纜需要維護或解決故障時，其負載可經(jīng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關切換至另一個系統(tǒng)進行供電，做到了點對點的冗余，極大地增加了整個系統(tǒng)的安全性；

◆ 由于LBS負載總線同步跟蹤控制器的配置，若某個UPS供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可通過自動跟蹤控制功能的負載總線同步跟蹤控制器和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關，使正常工作系統(tǒng)的UPS承擔全部負載的供電任務，既保障了用電系統(tǒng)的安全，又保障系統(tǒng)UPS脫機檢修；

◆ 外置維修旁路的配置使系統(tǒng)可在線維護；

◆ 互鎖裝置的配置，保證了兩個系統(tǒng)（臺）之間的安全切換，逆變器輸出和維修旁路不會短路。

（2）缺點

◆ 成本較高。

3 結(jié)束語

本文通過對UPS電源系統(tǒng)的綜合分析，得出如下結(jié)論：對于大中型數(shù)據(jù)中心機房在雙電源負載居多且重要的情況下，UPS電源系統(tǒng)配置應當選擇雙母線單機（1＋1）系統(tǒng)配置方式或雙母線雙機系統(tǒng)配置方式。