數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

摘要：不間斷電源系統(tǒng)（UPS）是數(shù)據(jù)中心核心的電氣設(shè)備之一，對(duì)數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定可靠運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。鑒于此，分析了UPS主機(jī)設(shè)備、電池、UPS輸入輸出柜、電池開(kāi)關(guān)柜、電池架、電纜等的參數(shù)設(shè)計(jì)，并詳細(xì)列舉了各設(shè)備如何選型。

關(guān)鍵詞：UPS電源；輸入輸出柜；電池；電池開(kāi)關(guān)柜；電池架；參數(shù)設(shè)計(jì)；設(shè)備選型

中圖分類號(hào)：TN86? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）10-0062-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.017

0? ? 引言

UPS是一種利用電池化學(xué)能源作為后備能量，在市電斷電或發(fā)生異常等電網(wǎng)故障時(shí)，不間斷為負(fù)載提供交流電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，其正式名稱為不間斷供電系統(tǒng)（Uninterruptible Power System）。UPS的主要作用有兩個(gè)：一是在市電正常時(shí)穩(wěn)壓整流，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，為負(fù)載提供高質(zhì)量的電能；二是在市電故障時(shí)將電池的直流電逆變成為交流電，為負(fù)載持續(xù)可靠供電。

因此，UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型對(duì)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的建設(shè)具有核心意義。

1? ? UPS主機(jī)

1.1? ? 簡(jiǎn)介

UPS主機(jī)按照原理分為三類：雙變換式UPS、后備式UPS、在線式UPS。數(shù)據(jù)中心要求UPS主機(jī)可靠、穩(wěn)定，因此以雙變換式大容量UPS為主。雙變換式UPS按照工作頻率不同，分為工頻UPS和高頻UPS，按照功率模塊是否可熱插拔分為塔式機(jī)和模塊機(jī)。工頻與高頻UPS優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)比以及模塊機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析可參照《新基建：數(shù)據(jù)中心規(guī)劃與設(shè)計(jì)》[1]P236～261，此處不再贅述。雙變換式UPS設(shè)備的原理圖如圖1所示。

1.2? ? 容量計(jì)算

UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最主要的是合理確認(rèn)主機(jī)的容量，UPS主機(jī)負(fù)載率在合理范圍內(nèi)，既能保證UPS高效率、高質(zhì)量工作，又能保證初期投資的合理性。

查詢《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]P19序號(hào)8.1.7條文得知，一般UPS的負(fù)載率要求在83.3%左右，A級(jí)數(shù)據(jù)中心因?yàn)樾枰?N冗余，因此規(guī)范推薦負(fù)載率在41.7%左右。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到UPS的運(yùn)行工況以及建設(shè)成本等因素，A級(jí)數(shù)據(jù)中心的動(dòng)力用UPS一般負(fù)載率不超過(guò)80%，IT用UPS不超過(guò)45%。UPS容量計(jì)算參數(shù)示例如表1所示。

UPS設(shè)備的功率因數(shù)按照0.9考慮，IT設(shè)備的有功功率為2 240 kW，則UPS設(shè)備的視在功率=有功功率/功率因數(shù)，代入數(shù)據(jù)2 240/0.9≈2 489 kVA。每臺(tái)UPS的負(fù)載率低于45%，則A路UPS和B路UPS總?cè)萘孔畲笾?負(fù)載容量/負(fù)載率，代入數(shù)據(jù)2 489/0.45≈5 531 kVA。數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目常用的單體UPS的容量為400、500、600 kVA，因此可配置12臺(tái)500 kVA的UPS，A路和B路分別為6臺(tái)，每組3臺(tái)并機(jī)。以上是簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，具體還要結(jié)合項(xiàng)目海拔高度、是否降容、機(jī)柜布置、配電室布局等綜合考量。

1.3? ? 并機(jī)邏輯

UPS設(shè)備并機(jī)數(shù)量一般不大于4臺(tái)，A級(jí)數(shù)據(jù)中心要求是按照2N配置，兩路互為冗余。在同組并機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，UPS應(yīng)具備輪巡功能，例如3臺(tái)UPS并機(jī)，則要求2臺(tái)處于工作狀態(tài)，1臺(tái)處于備用狀態(tài)，定時(shí)進(jìn)行輪巡，確保所有設(shè)備合理的工作時(shí)間。

同組UPS并機(jī)還應(yīng)具備以下功能：?jiǎn)闻_(tái)設(shè)備故障時(shí)，剩余并機(jī)設(shè)備均攤所有負(fù)載，若均攤后負(fù)載率不大于105%，則剩余設(shè)備繼續(xù)主路運(yùn)行；若均攤后負(fù)載率大于105%時(shí)，則同時(shí)轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行（注：UPS在最高105%負(fù)載時(shí)可正常運(yùn)行）。

1.4? ? 選型

數(shù)據(jù)中心UPS設(shè)備的容量雖然確定，但具體的選型還需要考慮以下因素：

（1）設(shè)備類型及容量：應(yīng)為三相交流輸入、輸出雙變換式高頻機(jī)，容量參照設(shè)計(jì)容量。

（2）環(huán)境條件：設(shè)備應(yīng)匹配項(xiàng)目所在地的海拔高度、溫度濕度、大氣壓力等環(huán)境條件。

（3）電氣性能和電磁兼容性能要求為Ⅰ級(jí)，應(yīng)能滿足GB/T 14715—2017《信息技術(shù)設(shè)備用不間斷電源通用規(guī)范》P6～7以及P23要求。

（4）告警保護(hù)：應(yīng)能實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)，輸出過(guò)載保護(hù)，輸出欠壓、過(guò)壓保護(hù)，過(guò)溫度保護(hù)，電池電壓低保護(hù)，風(fēng)扇故障保護(hù)，電容器故障保護(hù)，防雷保護(hù)等功能。

（5）具備遙測(cè)遙信功能。

（6）具備電池組智能管理功能。

（7）滿足外殼保護(hù)、節(jié)能安保等要求。

目前，市場(chǎng)常用的品牌系列有：

（1）塔式機(jī)：伊頓9395系列、維諦EXL系列、施耐德Galaxy系列、科華KR33系列。

（2）模塊機(jī)：科華MR33系列、華為5000E系列。

2? ? UPS輸入輸出柜

2.1? ? 容量計(jì)算

UPS輸入輸出柜是一種低壓柜，主要由斷路器、一次供電回路、二次控制回路等組成，UPS輸入輸出柜配置的核心是確定斷路器的規(guī)格容量。

三相電流的計(jì)算公式為：

式中：I為計(jì)算電流；S為設(shè)備的視在容量；cos φ為功率因數(shù)，UPS設(shè)備的功率因數(shù)一般取0.9，IT設(shè)備的功率因數(shù)一般取0.95；U為電源星接時(shí)的線電壓，三相電為380 V，單相電為220 V。

以500 kVA的UPS為例，則其計(jì)算電流為（500×0.9/1.732）/380≈0.684 kA=684 A。參照低壓設(shè)計(jì)規(guī)范，選用800 A的斷路器滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)選用的斷路器容量進(jìn)行復(fù)核，UPS在125%負(fù)載的情況下，運(yùn)行時(shí)間為600 s，考慮到800 A的斷路器脫扣曲線中，1.125倍的Ir脫扣時(shí)間大于600 s，斷路器不會(huì)在UPS脫機(jī)前脫扣，因此選用800 A斷路器滿足要求。

此處需特別注意：高頻UPS的主路電源和旁路電源必須同源，輸入柜的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是上部為主路輸入斷路器，下部為旁路輸入斷路器。另外，考慮到UPS具有雙變換模式和ECO模式兩種運(yùn)行模式，因此主路電源和旁路電源的斷路器規(guī)格保持一致。部分金融數(shù)據(jù)中心出于安全考慮，也會(huì)選擇1 000 A的斷路器。

2.2? ? 選型

數(shù)據(jù)中心UPS輸入輸出柜和斷路器，基本以施耐德、ABB、西門子等三大家的產(chǎn)品為主。斷路器型號(hào)主要有施耐德MT、NSX系列，ABB的Emax2、Tmax2系列，西門子的3WL、3VA系列；柜型主要有施耐德BLOKSET、OKKEN柜，西門子8PT、S8柜，ABBMSN2.0、3.0等。

3? ? UPS蓄電池

3.1? ? 簡(jiǎn)介

蓄電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，負(fù)責(zé)為UPS主機(jī)提供直流電源。蓄電池按照負(fù)極材質(zhì)的不同分為鉛酸電池和鋰電池，鉛酸電池按照電解液的固定方式不同分為AGM（玻璃纖維）電池和膠體電池。目前數(shù)據(jù)中心常用的蓄電池為鉛酸蓄電池。

3.2? ? 容量計(jì)算

已知A級(jí)數(shù)據(jù)中心對(duì)電池容量要求如下：

（1）電池后備時(shí)間為15 min；

（2）采用恒功率法計(jì)算；

（3）UPS參數(shù)：直流電壓按照456～530 V范圍計(jì)算（注：不同品牌的UPS直流電壓不同，且同品牌的UPS電池配置不合理時(shí)會(huì)降容或者無(wú)法正常使用），功率因數(shù)按照0.9計(jì)算，逆變效率按照0.95計(jì)算；

（4）并聯(lián)組數(shù)要求：300 kVA兩組電池，400 kVA三組電池，500 kVA四組電池；

（5）每格電池的終止電壓按照1.75 V計(jì)算；

（6）可靠系數(shù)按照1%～5%考慮；

（7）每節(jié)電池由6格單格電池組成，單格電池電壓為2 V，單節(jié)電池電壓為12 V。

根據(jù)UPS選型，確定每組電池的數(shù)量：

單格電池功率計(jì)算公式為：

以500 kVA容量的UPS為例，每組電池?cái)?shù)量按照40塊計(jì)算，并聯(lián)組數(shù)為3組，將數(shù)據(jù)代入公式，經(jīng)計(jì)算得知單格電池功率為657.9 W，電池的可靠系數(shù)按照5%計(jì)算，則657.9×1.05=690.795 W，則單格電池放電15 min后的功率最少應(yīng)為690.795 W。以雙登品牌電池6-GFMHR型號(hào)電池為例，查詢其恒功率放電數(shù)據(jù)表（表2和表3），查詢的前置條件為：放電截止電壓1.75 V，放電時(shí)間15 min。

（1）6-GFMHR-700的功率為665 W，低于計(jì)算值690.795 W，不滿足要求；

（2）6-GFMHR-750的功率為715 W，高于計(jì)算值690.795 W，滿足要求。

故可以按照每臺(tái)UPS設(shè)備3組電池并聯(lián)，每組40塊6-GFMHR-750電池配置。

另外，部分互聯(lián)網(wǎng)客戶的要求較高，電池的可靠系數(shù)也可按照15%考慮或滿足其需求。為防止電池漏液造成危害，一般單體電池會(huì)配備漏液盤，并且所有電池正負(fù)極必須配備保護(hù)帽，在其他因素相同的情況下，優(yōu)先考慮前置端子電池。

3.3? ? 選型

常用的蓄電池品牌有西恩迪DNT系列，雙登6-GFMHR系列，圣陽(yáng)SPG12、FTA系列，南都12HRL系列等。

4? ? UPS電池開(kāi)關(guān)柜

UPS開(kāi)關(guān)柜的核心元器件是直流斷路器，其額定電流的計(jì)算公式為：

式中：Pe為負(fù)載的有功功率；U為單節(jié)電池的截止電壓（一般取10.5 V[3]）×單組電池的數(shù)量；Sjs為視在容量；cos φ為功率因數(shù)，一般取0.9；UPS逆變效率一般取0.95。

以500 kVA的UPS為例，單節(jié)電池的截止電壓取10.5 V，每組電池?cái)?shù)量為40塊，功率因數(shù)取0.9，逆變效率取0.95，代入以上數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可知，其總斷路器電流計(jì)算最大值應(yīng)該為（500×1 000×0.9/0.95）/（10.5×40）≈1 128 A；共計(jì)3個(gè)分支回路，分支回路的斷路器電流計(jì)算最大值為1 128/3=376 A。所以，總斷路器可選直流塑殼斷路器1 250 A，分支回路可選直流塑殼斷路器630 A。注意直流斷路器的額定耐壓等級(jí)應(yīng)為750 V，總斷路器應(yīng)配備分勵(lì)脫扣器，與UPS主機(jī)聯(lián)鎖（在UPS關(guān)機(jī)時(shí)電池總開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖關(guān)閉）。

5? ? UPS電池架

UPS電池架用來(lái)放置蓄電池組，其尺寸主要根據(jù)單體蓄電池的尺寸和數(shù)量確定，一般要求電池架層數(shù)不超過(guò)4層，支架底部配備散力支撐。電池架圖紙應(yīng)明確各電池的接線順序，實(shí)例如圖2所示。

6? ? UPS銅排及線纜

電流計(jì)算值的計(jì)算方法與斷路器相同，銅排及電纜的額定電流確認(rèn)原則為：

式中：Ij為回路計(jì)算電流；In為斷路器額定電流；Iz為銅排及電纜持續(xù)載流量。

以500 kVA的UPS為例，銅排及電纜明敷，環(huán)境溫度為30 ℃，分支回路斷路器為630 A，查詢建筑電氣常用數(shù)據(jù)圖集[5]，單片銅母排40×5的持續(xù)直流載流量為664 A，單芯電纜150 mm2的直流載流量為406 A，采用兩根電纜雙拼并聯(lián)形式，并聯(lián)可靠系數(shù)取0.9，則其載流量為406×2×0.9=730.8 A，滿足要求。

此處需要注意：部分品牌的UPS設(shè)備是需要電池中性線的，中性線截面積可以是正負(fù)極電纜的一半，在招投標(biāo)時(shí)需計(jì)算在內(nèi)。

7? ? 結(jié)語(yǔ)

UPS是數(shù)據(jù)中心的核心電氣設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)中心的供電可靠性、穩(wěn)定性有著巨大的影響。本文詳細(xì)說(shuō)明了數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)以及設(shè)備選型依據(jù)，可為類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)和選型提供參考。

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[5] 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.建筑電氣常用數(shù)據(jù)：19DX101-1[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2019.

收稿日期：2023-04-27

作者簡(jiǎn)介：張樂(lè)（1989—），男，河北保定人，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)中心機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。