大型數(shù)據(jù)中心不間斷電源技術(shù)路線

[摘 要]為選擇一套低耗、安全的不間斷電源（UPS）技術(shù)方案，文章基于大型數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)，從可用性、經(jīng)濟(jì)性、擴(kuò)展性、運(yùn)行效率、安裝難度等多方面對高頻UPS和模塊化UPS進(jìn)行對比，確定UPS技術(shù)路線，并從備用和儲能視角探索對大型數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)參與供電的定量化描述路徑。研究發(fā)現(xiàn)，大型數(shù)據(jù)中心開發(fā)不間斷供電系統(tǒng)，可在光伏發(fā)電功能不足的條件下及時(shí)放電，避免可再生能源發(fā)電供電能力不足可能造成的停電事故，避免停電對大型數(shù)據(jù)中心造成的損失，而選擇模塊化UPS除具有較強(qiáng)節(jié)能效果外，其還擁有較強(qiáng)的可靠性、可擴(kuò)展性及更長的使用壽命，能更好地支持大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)營。

[關(guān)鍵詞]數(shù)據(jù)中心；不間斷電源；能耗

[中圖分類號]TP308 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0106–03

Technical Roadmap for Uninterruptible Power Supply in Large Data Centers

ZHANG Likai

[Abstract]In order to select a low consumption and safe uninterruptible power supply technology solution， this article compares high-frequency UPS and modular UPS based on the UPS power supply system of large data centers from multiple aspects such as availability， economy， scalability， operational efficiency， and installation difficulty， determines the UPS technology route， and explores the quantitative description path of the participation of large data center UPS systems in power supply from the perspectives of backup and energy storage. Research has found that the development of uninterruptible power supply systems in large data centers can discharge electricity in a timely manner under conditions of insufficient photovoltaic power generation， avoiding power outages that may occur due to insufficient renewable energy power generation capacity， and avoiding losses caused by power outages to large data centers. Choosing modular UPS not only has strong energy-saving effects， but also has strong reliability， scalability， and other characteristics， with a longer service life， which can better support the operation of large data centers.

[Keywords]data center； uninterruptible power supply； energy consumption

1 大型數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

為設(shè)計(jì)一套低耗、穩(wěn)定運(yùn)行的UPS系統(tǒng)，擬選擇行業(yè)常用的高頻UPS和模塊化UPS，通過對兩種UPS進(jìn)行比較，確定最終的UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1.2 高頻UPS

高頻UPS與傳統(tǒng)工頻UPS相比，輸入整流電路利用IGBT替代了可控硅，其輸入與輸出電路都工作在超幾kHz的高頻上，所以被稱為高頻UPS。整流側(cè)母線電壓在高頻升壓電路的作用下能增長至700 V左右，逆變器為半橋結(jié)構(gòu)，可替代傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)中的輸出變壓器。高頻UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)公式（1），設(shè)Ui為380 V，只需通過調(diào)節(jié)M，就能將Ud控制在620 V以上，確保逆變器輸出電壓達(dá)到額定電壓380 V，所以不需要再設(shè)置輸出變壓器。

1.3 模塊化UPS

（1）分布式并行結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由機(jī)架與單體模塊組成，不同模塊內(nèi)均包括了CPU控制單元、功率單元、顯示單元、靜態(tài)旁路單元，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

采用分布式并行結(jié)構(gòu)的UPS系統(tǒng)中，所有模塊都具備獨(dú)立控制自身參與的功能，不同模塊均可獨(dú)立運(yùn)行。該結(jié)構(gòu)中，每個(gè)模塊都使用不同的電池組，有利于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。分布式并行結(jié)構(gòu)可向UPS系統(tǒng)中的全部組件提供冗余，具有較高冗余性。

（2）功率化模塊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的UPS系統(tǒng)主要由監(jiān)控、顯示、功率、靜態(tài)開關(guān)等模塊組成，其中功率模塊由逆變器、充電、濾波、整流等電路組成，所有功率模塊均采用1個(gè)顯示模塊和1個(gè)靜態(tài)旁路模塊，不同功率模塊采用獨(dú)立控制并聯(lián)運(yùn)行，顯示控制模塊屬于系統(tǒng)的監(jiān)控平臺，支持用戶通過顯示屏對UPS系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)操作，功率模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)圖3所示，功率模塊化的UPS結(jié)構(gòu)中，有N個(gè)主用功率模塊，X個(gè)備用功率模塊。在UPS系統(tǒng)中，該類功率模塊均不具備自主運(yùn)行的能力，需要通過CPU來控制各模塊的運(yùn)行參數(shù)，并采用CPU來消除控制模塊存在的單點(diǎn)故障。在UPS系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，任一CPU故障，都可由另一CPU來接管功率控制模塊的控制，且所有功率模塊均采用一個(gè)靜態(tài)旁路。從功率模塊來看，電池總線、靜態(tài)旁路、操作面板等都未采用冗余，所以這些組件中任意一個(gè)發(fā)生故障，都可能給UPS的正常工作造成影響，在復(fù)雜條件下如靜態(tài)開關(guān)發(fā)生故障后，可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)陷入癱瘓，對大型數(shù)據(jù)中心難以發(fā)揮供電方面的保障作用。

1.4 UPS比選

（1）穩(wěn)定性。UPS電源最基本的功能是持續(xù)穩(wěn)定供電，即UPS系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)要具備較高穩(wěn)定性，在發(fā)生故障后不會導(dǎo)致供電中斷，且故障能在較短時(shí)間內(nèi)修復(fù)。兩種UPS中，模塊化UPS采用“N+X”運(yùn)行模式，各主用模塊相互獨(dú)立，任何一個(gè)主用模塊發(fā)生故障，其他模塊不會受到影響。因此，模塊化UPS運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)于高頻UPS。

（2）經(jīng)濟(jì)性。模塊化UPS具有可擴(kuò)展性，可通過增加X個(gè)備用模塊提升系統(tǒng)冗余度，而高頻UPS的擴(kuò)展需要增加主機(jī)、配電柜、蓄電池等。因此，模塊化UPS比高頻UPS的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢更突出。此外，模塊化UPS具備模塊休眠功能，部分休眠模塊的老化速度較運(yùn)行模塊更慢，所以模塊更換頻率較低，可節(jié)省UPS運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)成本。

（3）擴(kuò)展性。在數(shù)據(jù)規(guī)模不斷擴(kuò)大的過程中，大型數(shù)據(jù)中心對UPS系統(tǒng)的供電能力提出了更高要求，必須對UPS系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容才能滿足不間斷供電的要求。高頻UPS系統(tǒng)擴(kuò)容除了需要增設(shè)蓄電池、配電柜外，還需要將調(diào)試后的負(fù)載接入新的系統(tǒng)，除投資高以外，還要消耗大量施工作業(yè)時(shí)間，且割接作業(yè)中存在較高的安全隱患。模塊化UPS在擴(kuò)容時(shí)，只用在系統(tǒng)建設(shè)初期設(shè)置好配電系統(tǒng)，后期就能根據(jù)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營需要靈活增加備用模塊，始終保證供電與負(fù)載匹配，更簡便地實(shí)現(xiàn)不間斷供電的目標(biāo)。

（4）運(yùn)行效率。當(dāng)負(fù)載率超過50%時(shí)，兩種UPS的運(yùn)行效率均能超過95%。但UPS系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需考慮冗余備份，所以單機(jī)負(fù)載率一般不會超過40%。在負(fù)載率低于40%的情況下，高頻UPS的運(yùn)行效率無法達(dá)到95%，而模塊化UPS具有模塊休眠的能力，在系統(tǒng)負(fù)載較低時(shí)可自動或手動將部分主用模塊調(diào)整為休眠狀態(tài)，始終將UPS系統(tǒng)的運(yùn)行效率控制在95%以上。

2 大型數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的運(yùn)行策略

2.1 UPS運(yùn)行思路

目前，大型數(shù)據(jù)中心正在向綠色、低碳、環(huán)保等方向發(fā)展，在應(yīng)用UPS技術(shù)時(shí)必須建立完善的功能體系，提升大型數(shù)據(jù)中心利用可再生能源的效率。光伏發(fā)電是大型數(shù)據(jù)中心主要采用的供電模式，但光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)受氣候干擾較重。為實(shí)現(xiàn)大型數(shù)據(jù)中心不間斷供電，文章選擇將UPS系統(tǒng)作為大型數(shù)據(jù)中心供電的備用和儲能系統(tǒng)，在光伏發(fā)電出力不確定時(shí)由UPS系統(tǒng)進(jìn)行放電。在UPS備用及儲能設(shè)計(jì)中，需要考慮大型數(shù)據(jù)中心的能耗需求，確定好UPS系統(tǒng)的輸出功率，通過控制中心下達(dá)功率輸出指令，經(jīng)DC/DC變換器、儲能管控系統(tǒng)、儲能并網(wǎng)雙向變流器等控制各模塊進(jìn)行放電操作。

根據(jù)大型數(shù)據(jù)中心服務(wù)器負(fù)荷、光伏發(fā)電出力、UPS備用及處理充放電等特點(diǎn)，夜間下半夜電價(jià)處于低谷時(shí)段，由UPS系統(tǒng)通過電網(wǎng)購電補(bǔ)充功率缺口，白天電價(jià)處于高峰時(shí)，由UPS系統(tǒng)向大型數(shù)據(jù)共享供電，在光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電能力較強(qiáng)的時(shí)段，除了向大型數(shù)據(jù)中心供電外，還將額外電能儲存于UPS系統(tǒng)進(jìn)行充電。當(dāng)UPS系統(tǒng)儲能達(dá)到最高閾值時(shí)，剩余電量可向電網(wǎng)出售。

根據(jù)峰谷分時(shí)電價(jià)，以一個(gè)夏季典型日為例，UPS系統(tǒng)每天進(jìn)行兩次充放電，隨后每天重復(fù)循環(huán)，其可用容量會隨著蓄電池使用壽命縮短而下降。UPS系統(tǒng)可用充放電容量保持率作為實(shí)際容量和蓄電池額定容量的比值?；诨ヂ?lián)網(wǎng)化對UPS系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同與管控，恢復(fù)大型數(shù)據(jù)中心閑置蓄電池組成的UPS系統(tǒng)，結(jié)合峰谷電價(jià)波動及用電負(fù)載變化，在峰電價(jià)時(shí)放電，在谷電價(jià)時(shí)儲電，并在利用UPS系統(tǒng)支持大型數(shù)據(jù)中心不間斷供電的同時(shí)，合理控制用電成本。

2.2 UPS充放電模型

在設(shè)定模塊化UPS系統(tǒng)的儲能相關(guān)參數(shù)時(shí)，要將UPS模型中的充放電功率作為設(shè)置要點(diǎn)，通過合理計(jì)算模塊化UPS的充放電功率，按照主用和備用模塊的運(yùn)行數(shù)量，計(jì)算各模塊的充放電功率，通過開發(fā)UPS模型對大型數(shù)據(jù)中心模塊化UPS系統(tǒng)儲電和參與供電進(jìn)行定量化描述。模塊化UPS可替代傳統(tǒng) UPS，減少交直流轉(zhuǎn)換的次數(shù)，提升能源利用率和運(yùn)行可靠性，將UPS拓?fù)浣Y(jié)果與大型數(shù)據(jù)中心的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，可在大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)營時(shí)優(yōu)化分配供電電源，這不僅能最大化利用光伏等可再生能源，還能解決大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)營產(chǎn)生的能耗和消耗的成本，并在滿足大型數(shù)據(jù)中心不間斷供電需求的同時(shí)，提升模塊化UPS運(yùn)行的安全性。

3 大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用模塊化UPS的效果

以國內(nèi)某大型數(shù)據(jù)中心為例，該中心在建立UPS系統(tǒng)時(shí)按照文章研究的方案進(jìn)行UPS規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、試運(yùn)行。分別統(tǒng)計(jì)和計(jì)算大型數(shù)據(jù)中心在夏季和非夏季的典型日購電費(fèi)用。計(jì)算結(jié)果顯示出，大型數(shù)據(jù)中心在建成UPS系統(tǒng)后，基于“光伏+UPS”的分布式電源供電，能顯著降低大型數(shù)據(jù)中心的購電費(fèi)用，說明UPS并網(wǎng)除了能支持大型數(shù)據(jù)中心不間斷供電外，還能發(fā)揮出顯著經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

大型數(shù)據(jù)中心是企業(yè)單位保存重要數(shù)據(jù)的場所，但其運(yùn)行負(fù)荷較高，單一的供電方式難以實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電的目標(biāo)，一旦發(fā)生故障可能因停電事故造成大量數(shù)據(jù)流失，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)绊懹脩舻男畔踩?。文章提出在大型?shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中嵌入U(xiǎn)PS系統(tǒng)的觀點(diǎn)，通過對比分析確定了建立模塊化UPS系統(tǒng)的方案，并對模塊化UPS系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化。將UPS系統(tǒng)的運(yùn)行重點(diǎn)放在充放電上，可持續(xù)不間斷供電，能降低大型數(shù)據(jù)中心電能供應(yīng)的總體成本，提升可再生資源的利用率。

參考文獻(xiàn)

[1] 范鑫.某數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)比選分析[J].現(xiàn)代建筑電氣，2024，15（2）：52-55.