论传统UPS供电系统的改革(上)

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1 传统UPS供电系统的技术现状和存在的问题

图1给出了传统UPS的典型架构和工作状态。从图1可以看出传统UPS是如何工作的,必然存在的固有问题,已经做过的和正在做的技术改进或补救措施。

(1) 传统UPS供电系统结构的特点

①具有不停电供电功能的UPS设备配置在交流供电系统中;

②选用直流电池做备用能源,电池需要AC/DC变换充电和DC/AC变换供电;

③能源多次变换:UPS设备AC/DC和DC/AC两次变换,还包括IT设备内部开关电源的AC/DC和DC/DC两次变换;

④两个谐波电流源:UPS设备AC/DC变换和IT设备开关电源AC/DC变换;

⑤交流输入能源和备用能源(电池)都要经过UPS向负载供电,其供电可靠性取决于UPS系统可靠性;

⑥系统复杂,维护难度大,存在多环节串联形成单路径故障点,可靠性差。

(2) 当前的技术发展状况

从当前用户关注的焦点和UPS厂家技术改进的重点来看,要解决的问题和技术措施归纳起来有以下三点:

① 提高系统可用性

提高设备可靠性;

增大成本,对设备采用冗余配置,使其有容错功能;

对系统采用双总线冗余配置,不但UPS有容错功能,还可最大限度地减少整个系统的单路径故障点;

配置模块化UPS,有冗余功能,并大幅度降低故障修复时间;

提高设备智能监测和管理功能,便于维护,提前消除潜在的故障隐患;

采用集成化系统设计,解决系统中各类设备阻抗和连接方式的匹配问题,提高系统集中管理功能,并最大限度地减少安装和维护中的人为错误。

②抑制系统中谐波电流的产生及其治理问题

加大零线规格和前端设备(变压器、油机、配电开关、转换开关等)容量,以便降低谐波电流的影响;

6脉冲整流前加5次无源滤波器,PF=0.9,THD

输入改为12脉冲整流+11次无源滤波器,PF=0.95,THD

6脉冲整流前加有源滤波器,输入电流成正弦波,PF=0.99,THD

输入改为PFC高频整流,PF=0.99,THD

要求负载(IT设备)输入开关电源采用PFC整流。

以上这些技术改进措施,还可以分为UPS设备和系统方案配置两个方面,如表1所示

(3 )当前UPS供电系统运行中存在的问题

传统UPS存在的问题,可综合归类于以下六个方面:

①系统可靠性

系统复杂、单路径故障点多、设备可靠性差、维护难度大等;

②系统电流谐波*

系统中存在两个谐波源,对电网和系统本身形成*、降低输入功率因数和能源利用率、对地线系统提出苛刻要求等;

③系统成本和能源消耗

两次转换效率低、系统复杂提高购置和运行成本、电流谐波大增加滤波设备、输入功率因数的低而降低了系统设备容量利用率;

④系统标准化

系统复杂为标准化带来困难,系统设计建造停留在手工业阶段;

⑤系统的灵活性和可扩展性

计划容量一次性投入、难以变更和扩展,缩短了生命周期;

⑥系统使用维护难度

要求较高的维护水平,多供应商和非标准化使故障修复困难;

(4)值得思考的问题

①供电系统的现状和趋势是,系统不断复杂化;设备堆积、结构臃肿;成本不断攀升;效率难以再有效提高;系统构成五花八门,难以标准化。

②系统可靠性问题的存在,是因为UPS设备本身的可靠性不高;

③通过方案设计和智能管理提高可用性还有多大潜力?

④系统中的谐波是负载和UPS设备自身产生的;

⑤系统复杂性和设备容量利用率低下,造成了系统能源效率难以有效提高。传统UPS设备在满载时可达92%以上,在系统中实际的工作效率在85%～90%,而整个供电系统效率为75%～80%;

⑥维护难度增加,原因是系统复杂、可靠性差、没有标准化。

2 传统UPS供电系统的能源架构的形成

谈到不停电供电系统,最重要的条件是必须具备两种能源:

①主供电能源:通常是市电电网;

②备用能源:通常包括交流备用能源 发电机和直流过渡备用能源 蓄电池。

任何供电方案的形成,从根本上讲是由两种能源的特性和配置方法决定的。因此,在我们讨论一个方案的优劣和探讨可能的变革时,也必须从能源类型的选择和配置方法入手。

(1)对传统UPS供电系统进行改革的思考

谈到传统UPS的技术进步和变革,通常是指设备功能和电路技术的进步、系统方案设计的进步、新设备的应用和系统方案的改革。

但是,以下四个问题是传统UPS系统难以解决的固有问题,使任何技术进步和改革都会遇到不可逾越的障碍:

①UPS供电系统可靠性差的主要原因是UPS设备可靠性差,前面讲的所有提高系统可靠性措施主要是针对UPS设备的,UPS的AC/DC和DC/AC变换是整个供电系统中可靠性最薄弱的环节;

②AC/DC和DC/AC双转换结构形式形成对提高系统效率改革的制约,AC/DC和DC/AC变换运行效率难以再提高。提高可用性需要冗余并机系统,使供电系统设备容量利用率低于40%。设备容量利用率在20%～30%情况下,整个系统运行效率会降到80%以下;

③AC/DC和DC/AC双转换结构形式形成对提高可靠性改革的制约,AC/DC和DC/AC变换决定了UPS设备和系统的复杂性,已经采用过的各种技术措施在降低复杂性方面都没有明显的成效,甚至技术越进步,系统越复杂,进而可靠性越差;

④提高功率半导体器件性能的局限性对提高UPS设备的容量形成制约。提高单台设备容量可降低系统的复杂性,但是当前的IGBT功率器件的输出能力和电气性能决定了单台UPS输出能力在400kVA左右,模块化UPS可拔插的最大功率模块限制在40kVA。

鉴于以上原因,我们对改革传统UPS系统的设想是,从根本上去掉传统的AC/DC和DC/AC变换结构,这可能是对传统UPS供电系统进行彻底改革的唯一出路。

为此要做到两点:

①去掉或转移UPS对供电质量进行补偿调控的功能;

②改变过渡储能器件(蓄电池)在系统中的位置,或者采用新的储能器件代替蓄电池。

(2)不停电供电系统能源配置要求

图2给出了传统供电系统的能源配置在图2中,整个系统是靠三种能源实现不停电供电的:

①可连续供电的主能源 市电;

②可连续供电的备用能源 柴油发电机;

③在主备交流能源转换期间保证IT设备连续不间断供电的过渡备用能源 蓄电池。

(3)计算机供电系统演变和传统UPS供电系统产生的过程

图3给出了计算机供电系统演变和传统UPS供电系统产生的过程。

从计算机问世至20世纪60、70年代,计算机由电网市电直接供电,机内电源担负着高压交流电到低压直流电的转换,并且保证了对IT设备的供电质量,当时的开关电源(或其他电路结构的AC/DC电源)由于功率器件性能的限制,其输入端必须配置50Hz降压变压器;

20世纪70、80年代,计算机提出不停电供电要求,而实现这一功能是从研发和配置一个独立的设备开始的,这就是最初的UPS设备。鉴于它是一个独立的设备,就把它配置在IT设备前面的交流供电系统中,而IT设备内部保留了原来的开关电源。因为开关电源输入端配置了降压变压器,所以要求独立的UPS设备是交流输入/交流输出;

同样是在20世纪70、80年代,电源业内开始了20kHz的革命,80年代末90年代初,无输入变压器的开关电源开始成熟并逐渐产品化,高性能的开关电源在IT设备中得到了普遍的应用。虽然开关电源输入已经去掉了降压变压器,但是UPS作为独立的设备仍保留了交流输出,以至于开关电源也必须保留AC/DC和DC/DC两级变换。

(4)过渡备用能源配置和传统双转换UPS结构形式的必然性

两个基本条件决定了传统UPS的结构形式:

①UPS作为独立设备配置在交流供电系统中;

②采用直流蓄电池作为备用能源。

如图4所示,电网市电正常时,电池需要AC/DC充电。市电掉电时,需要DC/AC为负载供电,这就是当前传统UPS结构形式的必然性。

(5)对UPS供电系统应具备功能的讨论

传统UPS产生50多年来，UPS作为一个独立存在的设备，在产业化和市场应用推广过程中，

人们赋予了它太多的功能，除了不停电供电外，还可以全面改善和保证计算机的供电质量。特别是后者,好像在UPS出现之前，计算机都没有稳定地运行过，没有UPS保驾的高性能计算机、教育系统计算机以及更广泛的办公用计算机肯定不能可靠运行似的。因此，讨论并明确一下UPS应具备的功能，对进一步改革传统UPS系统的是非常必要的。

①不停电供电是UPS唯一必须具备的功能

传统UPS供电系统是在计算机需要不停电供电的需求下产生的,这同时也就决定了它应具备的基本功能:当主供电电网中断时,启动备用能源电池供电,保证计算机连续运行。

也可以说,没有计算机不停电供电要求,就不会产生UPS设备。

②改善供电质量不是UPS的任务

首先,IT设备是由开关电源直接供电的,开关电源输出低压直流,它的输出电压性能指标可以完全满足IT设备要求,这是无容置疑的。

再者,开关电源对输入交流电源的适应能力比UPS强许多。表2是开关电源与传统UPS对输入交流电源三项主要性能指标要求的比较。

③大量的计算机设备是由电网直接供电的

以下场合计算机设备都是由市电直接供电的:

在UPS普遍应用前的计算机供电系统;

当前的笔记本和台式机;

UPS应用初期,大量后备式UPS(相当于市电直供)为计算机供电;

UPS转旁路(相当于市电直供)是UPS一种正常运行模式;

科研和教育行业大型计算机系统;

3 UPS供电系统的改革

(1) 已具备的改革条件

随着数据中心不停电供电系统的技术进步,以下两点变化为我们提供了对传统UPS系统做进一步改革的必要条件:

①柴油发电机成为系统必备的可连续运行的主备用能源

随着数据中心技术进步和规模的扩大,一个显着的特点是单机架功率密度的提高,在一个平均机架功率密度为3kW的数据中心中,最高机架功率密度可能达到6～8kW。实际测试表明,一个普通平均机架功率密度小于2kW的机房,市电掉电制冷设备停止运行后,经60s,机房温度就上升到机房允许最高温度25℃,3.5min后,就上升到IT设备允许最高进风温度32℃;一个17个3kW机柜总发热量51kW的机房,空调停运后,大约35～40s后,机柜进风口温度达到32℃;一个17个6kW机柜总发热量102kW的机房,空调停运后,大约15s后,机柜进风口温度达到32℃。严峻的热量管理要求,使数据中心连续运行的条件,由连续供电变成既要连续供电又要连续制冷。连续供电由备用能源(电池)通过UPS完成,而连续制冷则必须由可连续运行的备用交流能源(发电机)担当,且发电机必须在机房最高功率密度机架允许的时间内启动并完成转换。也就是说,发电机已经成为数据中心必备的并可及时投入运行的核心设备。

②备用电池的功能变化

电池不能保证系统不停电供电功能。虽然规划设计时,电池容量和后备时间可选择得足够大,但是系统运行后,电池容量是一个固定量,电池备用时间是固定不变的,而市电故障停电的时间是不确定的,当市电故障时间大于电池备用时间时,系统最终还是要中断的。

于是,蓄电池的功能定义就发生了变化:

蓄电池由不停电供电的主要备用能源变为用于市电故障后备用发电机启动和切换时间内维持向负载供电的过渡备用能源。

蓄电池的备用时间要求同样也发生了变化:

由越大越好变为可以量化:

最短时间要大于发电机启动和与市电完成转换的时间;

最大可用时间为制冷设备停机后,机房中最高功率密度机架中的IT设备能继续运行的时间。

(2) 改革思路的切入点

既然发电机已经成为数据中心必备的并可及时投入运行的核心设备,过渡备用能源的储能就可以很少,这就自然想到:如果不采用蓄电池作为不停电供电的过渡备用能源,或者,虽然还采用蓄电池作为不停电供电的过渡备用能源,但不把蓄电池放在交流系统中,这两种情况都可去掉系统中最薄弱的环节,即AC/DC(充电)和DC/AC(电池输出)环节,这相当于从根本上去掉了传统的UPS双转换系统。

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