數(shù)據(jù)中心直流輸出型UPS供電系統(tǒng)探討

　　隨著不間斷電源（UPS）及其供電系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使用者正在逐步接受并理解專家們對(duì)UPS供電系統(tǒng)可靠性、可用性的研究理論。然而隨著人們對(duì)可靠性研究的深入，專家們又在尋找供電系統(tǒng)不可靠因素之所在，同時(shí)，提出解決這些不可靠因素的新理念、新思路。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的局限性可歸結(jié)為備用電源配置方式問(wèn)題。必須改變備用電源的配置方式，將備用能源（電池）的直流電直接對(duì)負(fù)載供電，可使UPS系統(tǒng)的可靠性、制造成本、能源利用率、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化等方面發(fā)生革命性的變化。本刊對(duì)此表示關(guān)注和探尋，帶著這種關(guān)注和探尋，本刊主編張乃國(guó)先生于2010年2月3日采訪了中科院計(jì)算所研究員張廣明先生，請(qǐng)他就直流輸出型UPS的主要研究思路和我們關(guān)注的話題進(jìn)行了解答。

　　問(wèn)：傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)現(xiàn)在存在哪些問(wèn)題？

　　答：現(xiàn)在所說(shuō)的UPS供電系統(tǒng)由AC/DC整流器、DC/AC逆變器、各級(jí)配電柜、各級(jí)濾波器、STS轉(zhuǎn)換開關(guān)（雙路供電系統(tǒng)用）、電池組、變壓器等設(shè)備和環(huán)節(jié)組成。

　　傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)存在的問(wèn)題可歸納成下述幾個(gè)方面。

　?。?）系統(tǒng)可靠性問(wèn)題

　　系統(tǒng)復(fù)雜、單路徑故障點(diǎn)多、設(shè)備可靠性差、維護(hù)難度大等。

　?。?）系統(tǒng)電流諧波*問(wèn)題

　　系統(tǒng)中存在兩個(gè)諧波源負(fù)載開關(guān)電源和UPS輸入側(cè)AC/DC整流器。對(duì)電網(wǎng)和系統(tǒng)本身形成*、增加濾波設(shè)備、降低輸入功率因數(shù)和能源利用率，以及對(duì)零地線系統(tǒng)等提出苛刻要求。

　　（3）系統(tǒng)成本和能源消耗問(wèn)題

　　能源兩次轉(zhuǎn)換降低了效率（雙總線系統(tǒng)的效率﹤80%），系統(tǒng)復(fù)雜性提高了購(gòu)置成本和運(yùn)行成本，電流諧波的存在需增加濾波設(shè)備，輸入功率因數(shù)的低下降低了系統(tǒng)設(shè)備容量的利用率。

　?。?）系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題

　　系統(tǒng)復(fù)雜為標(biāo)準(zhǔn)化帶來(lái)困難，系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造多采用定制式手段，基本方法還停留在手工業(yè)階段。

　?。?）系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展、變更問(wèn)題

　　以計(jì)劃容量一次性投入、難以變更和擴(kuò)展，縮短了系統(tǒng)生命周期。

　　（6驚統(tǒng)使用維護(hù)難度問(wèn)題

　　要求較高的維護(hù)水平，供應(yīng)商家多且產(chǎn)品非標(biāo)準(zhǔn)化使故障修復(fù)困難。

　　問(wèn)：從技術(shù)角度講，當(dāng)前傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)要解決的重點(diǎn)問(wèn)題是什么呢？

　　答：從當(dāng)前用戶關(guān)注的焦點(diǎn)和UPS廠家技術(shù)改造的重點(diǎn)來(lái)看，要解決的問(wèn)題和技術(shù)措施歸納起來(lái)有以下三點(diǎn)：

　　（1）提高系統(tǒng)可用性

　　設(shè)備降容使用，提高可靠性，延長(zhǎng)使用壽命；

　　增大成本，對(duì)設(shè)備采用冗余配置，使其有容錯(cuò)功能；

　　對(duì)系統(tǒng)采用雙總線冗余配置，可以最大限度地減少整個(gè)系統(tǒng)的單路徑故障點(diǎn)；

　　配置模塊化UPS，有冗余功能，可以大幅度降低故障修復(fù)時(shí)間；

　　提高設(shè)備智能監(jiān)測(cè)和管理功能，便于維護(hù)，并可把潛在的故障隱患消除在故障發(fā)生之前；

　　采用集成化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決系統(tǒng)中各類設(shè)備阻抗和連接方式的匹配問(wèn)題，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和集中管理問(wèn)題，并最大限度地減少安裝和維護(hù)過(guò)程中的人為錯(cuò)誤?！　。?）抑制系統(tǒng)中諧波電流的產(chǎn)生和治理問(wèn)題

　　加大零線截面積規(guī)格和前端設(shè)備（變壓器、柴油發(fā)電機(jī)、配電開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)等）容量，以便降低諧波電流的影響；

　　輸入三相整流改為12脈波整流＋11次無(wú)源濾波器，使功率因數(shù)PF=0.95，諧波THDI10%；

　　三相整流前加有源濾波器，使輸人電流成正弦波，PF=0.99，THDI5%；

　　輸入改為IGBT高頻整流，使PF＝0.99，THDI5%；

　　要求負(fù)載IT設(shè)備輸入開關(guān)電源采用PFC高頻整流。

　?。?）提高系統(tǒng)的適應(yīng)性

　　采用模塊化設(shè)計(jì)，使局部系統(tǒng)有擴(kuò)容功能，減少系統(tǒng)運(yùn)行初期的設(shè)備購(gòu)置成本和運(yùn)行成本；

　　采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造流程，為系統(tǒng)快速安裝和可能的變更、移動(dòng)、擴(kuò)容提供方便。

　　問(wèn)：當(dāng)前ups系統(tǒng)的可靠性還不夠高的根本原因是什么？

　　答：不間斷供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的最基本條件是必須有兩路電源，一路是市電供電，另一路是備用電源供電。市電供電是有可能故障掉電的，這是建立UPS供電系統(tǒng)的初衷。

　　備用電源應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)不間斷供電的底線，是最后的保障。電池設(shè)備的故障是可預(yù)見的，并且故障發(fā)生是緩慢漸變的、非突發(fā)性的，只要維護(hù)得好，定期檢測(cè)，可以在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下消除故障隱患，因此電池具備了底線、保險(xiǎn)的后備能源的條件。

　　但是，遺憾的是，傳統(tǒng)UPS設(shè)計(jì)方案并沒(méi)有給電池發(fā)揮作用的充分條件，電池并沒(méi)有直接放在負(fù)載的前面為負(fù)載保駕護(hù)航，而是把它放到了UPS主機(jī)設(shè)備中，市電掉電時(shí)，電池要通過(guò)UPS主機(jī)設(shè)備中最不可靠的環(huán)節(jié)逆變器向負(fù)載供電。這樣，備用電源供電途徑的不可靠就成為傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的可靠性難以有效提高的根本原因。

　　問(wèn)題出在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)思想上，選擇不間斷供電的主角是市電、備用電源，還是兩路都必須經(jīng)過(guò)ups的逆變器環(huán)節(jié)？

　　如果把備用電源放在負(fù)載前面，市電掉電時(shí)由高可靠的備用電源直接給負(fù)載供電，那么備用電源不僅可在市電掉電時(shí)向負(fù)載供電，當(dāng)市電正常而主機(jī)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，也可保證負(fù)載的正常運(yùn)行。

　　保證IT負(fù)載連續(xù)可靠工作的關(guān)鍵在于市電和備用電源的配置方法。傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)中，兩路能源的供電方法是：一是市電輸入+雙變換系統(tǒng)；二是備用電池十逆變系統(tǒng)。所以，保證IDC不停電的關(guān)鍵是，當(dāng)市電供電一路電源中斷時(shí)，備用電源能否可靠地不間斷地向負(fù)載供電。原則上講，備用電源配置方法有兩種：串聯(lián)型和直接型。

　?。?）串聯(lián)型

　　傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的備用電源配置方法是串聯(lián)型的，平時(shí)市電（電網(wǎng)十雙變換系統(tǒng)）對(duì)負(fù)載供電，而在電網(wǎng)掉電或系統(tǒng)故障時(shí)，備用電源（電池組）要經(jīng)過(guò)UPS設(shè)備中的DC/AC變換環(huán)節(jié)向負(fù)載供電。

　　根據(jù)當(dāng)前設(shè)備可靠性水平，電池系統(tǒng)的可靠度R1在0.99左右，而UPSDC/AC逆變器的可靠度只有R2=0.9，根據(jù)串聯(lián)型可靠性模型可計(jì)算出這時(shí)備用電源供電的可靠度。