双变换式UPS-数据中心运维基础教程

UPS是为了解决市电质量不可靠而产生的一种电源系统,可靠性和稳定性是其最为重要的特质,2.5.1节所介绍的三种类型UPS,只有双变换式UPS最能满足数据中心客户的核心需求。事实上,目前在数据中心应用最为广泛的UPS类型就是双变换式大容量UPS,所以此小节主要围绕双变换式UPS展开讨论。

1.双变换式UPS原理图(图2-12)

图2-12　双变换式UPS原理图

市电正常供电时,交流输入经AC/DC变换100%转成直流,一方面给蓄电池充电,另一方面给逆变器供电;逆变器自始至终都处于工作状态,将直流电压经DC/AC逆变成交流电压给用电设备供电。

2.UPS系统组成

UPS系统主要由整流器(REC)、逆变器(INV)、旁路/逆变静态开关、输入输出开关组成。其中空气断路器Q1控制主路交流电源输入,整流模块将交流电源变成直流电源,逆变模块进行DC/AC变换,将整流模块和蓄电池提供的直流电源变成交流电源,经过隔离变压器输出。蓄电池组在交流停电时通过逆变向负载供电。输入电源也可以通过旁路静态开关从旁路回路向负载供电。另外,要求对负载不间断而对UPS 内部进行维修时,可使用维修旁路开关Q3BP。

3.UPS组成部件功能

整流器:交流市电输入经过整流器转换为直流电,给电池充电,并通过逆变器向负载供电。

逆变器:该逆变器为DC-AC单向逆变。当市电存在时,它由整流器取得功率后再送到输出端,并保证向负载提供高质量的电源;当市电断电时,由电池通过该逆变器向负载供电。

静态开关:正常时处在旁路侧断开、逆变侧导通状态;当逆变电路发生故障或者当负载受到冲击或故障过载时,逆变器停止输出,静态开关逆变侧关闭,旁通侧接通,由电网直接向负载供电。

4.双变换式UPS性能特点

(1)双变换式UPS具有优越的电气特性:由于采用了AC/DC、DC/AC 双变换设计可完全消除来自市电电网的任何电压波动、波形畸变、频率波动及干扰产生的任何影响。

(2)与其他类型UPS相比,由于该类型的UPS可以实现对负载的稳频、稳压供电,供电质量有明显优势。

(3)市电断电时输出电压不受任何影响,没有转换时间。

(4)器件、电气设计成熟,应用广泛。

(5)效率与其他类型UPS相比不占优势。

(6)整流器在工作时会引起输入电源质量变差,因此需要采取谐波治理方案。

(7)价格相对较高。

5.数据中心UPS供电方案

在UPS应用中,通常有五种供电方式,包括单机工作供电方案、热备份串联供电方案、直接并机供电方案、模块并联供电方案和双母线(2N)供电方案。在数据中心使用中,最为普遍的供电方案为直接并机和双母线(2N)供电方案,分别介绍如下。

(1)直接并机供电方案

直接并机供电方案是将多台同型号、同功率的UPS,通过并机柜、并机模块或者并机板,把输出端并接而成。目的是共同分担负载功率。基本原理:在正常情况下,多台UPS均由逆变器输出,平分负载和电流,当一台UPS故障时,由剩下的UPS承担全部负载。并机冗余的本质,是UPS均分负载,实现组网的方式有N+1或者M+N。如图2-13所示为直接并机供电方案。

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图2-13　直接并机供电方案

要实现并机冗余,必须解决以下技术问题:

①各UPS逆变器输出波形保持同相位、同频率;

②各UPS逆变器输出电压一致;

③各UPS均分负载;

④UPS故障时能快速脱机。

方案优点:多台UPS均分负载,可靠性大大提高;扩容相对以前方案方便很多;正常运行均分负载,系统寿命和可维护性大大提高。

方案缺点:控制负载,成本增加,在并机输出侧依然具有单点故障。

(2)双母线(2N)供电方案

早期应用于数据中心的UPS供电方案多为单机方案或者UPS串/并联方案,均存在输出单点故障瓶颈问题。输出的配电系统,包括开关跳闸、保险烧毁、电路短路等供电回路故障往往在很大程度上影响UPS系统供配电的可靠性。为了保证机房UPS供电系统的可靠性,2N或2(N+1)的系统开始在中、大型数据中心得到了规模的应用,在业界经常被称为双总线或者双母线供电系统。

2N 供电方案由两套独立工作的UPS、负载母线同步跟踪控制器(LBS)、一个多台静态切换开关系统(STS)、输入、输出配电屏组成。2N 供电方案如图2-14所示。

图2-14　2N 供电方案

该方案的特点如下。

(1)考虑到系统实现的成本,数据中心的负载被分为两类:单电源/三电源负载、双电源负载。正常工作时,两套母线系统共同负荷所有的双电源负载;通过STS的设置,各自负荷一半的关键的单电源负荷。因此,在正常工作时,两套母线系统会各自带有50%的负载。

(2)将其中的一套单机系统作为双总线系统的一根输出母线,另外一套单机系统作为双总线的另一根输出母线,将两套母线系统通过同步跟踪控制器同步起来。

负载母线同步跟踪控制器(LBS)用于双总线UPS系统中,用来保证两套UPS输出系统的同步。如图2-15所示,先设定任意一套UPS并机系统为主机,LBS同时监测两条母线上的UPS的输出频率及相位。一旦发现它们超出同步跟踪范围时,LBS激活,内部控制对预先定义为主机的UPS继续跟踪市电,而另一条母线上的UPS将通过LBS的控制,对主机进行跟踪,从而实现两套系统同步。

(3)即使是一套系统完全失效或者需要检修,双电源负载因为有一根输出母线仍然有电,所以会继续正常工作;而关键的单电源负载会通过STS零切换到另外一根输出母线,也会正常工作。

静态切换开关系统(STS)在为单路电源负载切换时使用,单电源负载接在STS输出端上,STS两个输入端分别接在输入电源1和输入电源2,当其中一个系统供电母线上的任何设备或电缆发生故障或需要维护时,其负载可经转换时间1/4周波的静态转换开关切换到另一个系统供电。

(4)区别于以前的供电方案,系统的备份首先带来的是负荷用电的可靠性的显著提升。除此之外,该方案具有优秀的开放性和良好的前瞻性,系统以后的扩容升级和维护也会显得十分方便。因为在任何时候均可将其中的一套系统完全下电进行处理以解决维护或者扩容的问题。

双总线系统真正实现了系统的在线维护、在线扩容、在线升级;提供了更大的配电灵活性,满足了服务器的双电源输入要求;解决了供电回路中的“单点故障”问题;做到了点对点冗余;极大地增加了整个系统的可靠安全性;提高了输出电源供电系统的“容错”能力。

(5)该方案的建设成本相对较高,在实际建设过程中,需要注意可靠性和经济性的适当权衡。