HPC集群机房UPS的热点问题解决

在HPC集群机房具体的建设实践中，热点问题层出不穷，UPS系统本身也随着客户需要和技术进步飞速发展

4.7.2.1　HPC集群机房大容量UPS的关键技术

（1）大功率变换器技术。

当今的大容量UPS已普遍采IGBT作为主要的功率变换器件。目前，由实用化IGBT构成的变换器的容量与传统器件的UPS相比，还有差距。因此，器件容量相对较小与大容量的UPS的矛盾是首先要解决的问题。解决此问题的方法主要有以下几种。

①采用器件并联：但器件直接并联会造成器件之间的电流分配不均，采取有均流措施的器件并联又会使电路复杂、

②单元电路的并联：即将相同的逆变单元电路并联起来获得所需的大容量。一般并联后，单元电路之间将有环流存在。可采用电抗器来限制环流（对静态环流无能为力），或采用检测的手段加以控制消除（技术难点较高）。

③利用多重绕组变压器进行功率综合：各并联的功率变换器分别占用变压器多重绕组的一重。绕组之间的漏抗可以限制并联模块的瞬态环流；独立绕组本身隔离了单元间的静态环流。此方法将并联电流叠加的压力转移到变压器上，即将并联电流的叠加变成变压器的磁势叠加。另外，独立的相绕组配合独立的相功率变换电路，容易实现三相独立控制。缺点是增加了变压器的引入成本，降低了系统的效率。

④多重化的功率变换电路：多重化逆变器是将多个相差一定相角的三相逆变桥的输出通过变压器副边的电压矢量叠加形成相输出电压。该系统的可靠性高，但电路结构复杂。

（2）绿色电源技术。

对大功率UPS而言，减少对大电网的污染和对负载的干扰比中、小容量UPS重要得多。问题的关键在于如何实现单位输入功率因数和输入电流的正弦化。大功率UPS解决对电网的污染问题主要是从电路的结构形式和工作形式两方而着手。

①传统方法是三相SCR全控整流器外加输入侧的滤波器。一般可使输入功率因数提高到0.9，电流谐波THD＜5%。

②多相整流器的使用，尤其是12脉波整流器最为普遍。这主要是因为晶闸管的功率容量足够大及多相整流技术已相当成熟。此种方案的主要缺点是必须增加输入整流变压器，降低了系统的效率，增加了系统成本和体积等；而且网侧同样必须有滤波器/功因校正器，最多也只能将输入功率因数提高到0.92左右，输入电流的正弦度也不是很好。

③高频整流。可使网侧的功率因数为1，又由于高频化，网侧只需要很小的载波滤波器。只要载波频率足够高，完全可以实现输入电流正弦化。缺点是器件的电流、电压应力大，母线电压太高，需要串联电容器或正负母线工作或输入配置降压变压器。

（3）UPS的控制技术。

采用以数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）为核心的控制手段是UPS控制技术发展的趋势之一。一般来说，在整流器、逆变器和UPS系统管理上采用DSP的直接数字控制可以提高控制的快速性和精度，便于系统升级。在控制策略上有以下几个方案。

①电压单环比例积分（PI）控制：PI控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪。对于三相变换器，可通过坐标变换进行PI控制，以实现正弦指令的无静差。PI控制的动态性能稍差，对非线性负载扰动的抑制效果不佳。

②电压电流双闭环控制：可以仿效直流电机的双环控制，在电压单环的基础上增设电流内环，利用电流内环快速、及时的抗扰性能来有效地抑制负载扰动的影响。双闭环控制同时具备优异的动静态性能，但要求电流内环必须具备足够的带宽，对数字控制器的速度提出很高的要求。在实际系统中DSP的处理速度往往采用极限。

③多变量反馈控制：状态反馈控制系统也需要两个反馈变量，但并不构成内、外两个分立的闭环控制系统，而是在状态空间概念上通过合理选择反馈矩阵来改变对象的动力学特性，以实观不同的控制效果。优点是可以大大改善系统的动态品质，因为它可以任意配置系统的极点。但是，由于建立逆变器模型时很难将负载的动态特性考虑在内，所以状态反馈控制只能针对空载或假定阻性负载进行，则负载的变化将导致稳态偏差的出现和动态特性的改变。

④无差拍控制：无差拍是数字控制特有的一种控制效果，在被控对象离散模型的基础上，经过施加精确计算的控制量来使被调量的偏差在一个采样周期内得到纠正。无差拍的优点是非同寻常的快速性，但最大的缺点是对精确数学模型的依赖，当理想模型和实际对象有差异时，有时会引起输出电压的振荡，不利于逆变器的安全稳定运行。

⑤滑模变结构控制：滑模变结构控制是一种非线性控制方法。它是利用某种不连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模态” 轨迹运动。从原理上讲，滑模变结构控制的稳定性以及系统性能对参数变化和外部扰动不敏感，具有较强的鲁棒性，这是它的主要优点，但对于实际的逆变电源系统确定一个理想的滑模切面是很困难的。另外，滑模变结构控制必须以数字形式实现才能有更大的实用价值，而数字式滑模变结构控制只有当采样频率足够高时才能实现较好的性能。这些缺点限制了它的应用。

⑥重复控制：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）逆变器波形控制是一个伺服系统设计问题。该系统需跟踪的指令信号为基波正弦，需抗御的扰动既有基波又有谐波，后者主要来自非线性负载、死区效应等。由内模原理可知，除非针对每一种指令或扰动信号均设置一个正弦函数内模，否则无法实现无静差。重复控制利用重复信号发生器内模，巧妙地解决了这一问题。在重复信号发生器作用下，控制器实际上进行着一种逐周期的积分控制，通过对波形误差的逐周期补偿，稳态时可以实现无静差控制效果。

（4）并机技术。

大容量UPS并联系统经历了从早期集中式并联、主从并联到分散式并联的发展过程。并机系统主要处理两大基本问题：一是并机结构，二是并机控制。这两个问题又是相互关联的。

首先在并机结构上，各大厂家都有多种结构方式以满足用户不同的并机目的。对于扩容并机系统，主要有分布式并联和集中式并联。分布式并联系统的各单机自带旁路通道，只要将它们的输出母线通过为方便日后维护的空气开关后连接起来就可以工作。但当并机台数较多发生过载切换时，各静态切换开关的动作的一致性就成了系统能否顺利切换的关键，所以一般这种结构的并机台数不超过4台。多于4台单机的并联系统一般采用集中旁路式结构，旁路柜中的公共旁路通道成了系统的故障单点。对于冗余并机系统，有热备份并联、热待机并联、冗余并联运行等几种结构方式。热待机冗余要解决待命单机如何快速转入负载运行的问题和各单机的同等老化等。

并机控制主要解决的问题是并机间的环流抑制和负载均分问题。目前主要有以下控制方法：

①主从模块控制：设置一个UPS为电压源输出的主模块，将其他UPS设置成电流源输出。通过负载母线的电流检测，由中心控制板向各从模块发出电流控制指令。此控制方法的关键是要解决当主机失效时，如何无间断地将某一从机设置为主机。

②负载母线同步法：在并机系统中不断地检测各单机的输出电压、电流、相位等参数，通过负载母线同步器来判断两个UPS的电压幅值和相位是否一致。若一致，负载母线同步器则不进行调节进入休眠状态。若不一致到一定的程度，则发出控制指令使某一单机向事先指定的单机同步。这种方法在稳频稳压输出的UPS中应用可使单机之间的信息通信量较小，但又不同于主从式并机控制，并联的单机都是以电压源身份参加并联的。缺点是一般只适合于两台并机系统，如要更多的单机并联则以中心轴对称向两侧展开。

③有功/无功控制：由于并机之间的电压幅值、相角的偏差分别产生无功、有功环流，所以可以检测并利用这两个功率偏差量去调整各单机输出的幅值和相位，来达到无环流的目的。

④热同步技术：各单机不断地检测自己的输出电压、电流，每次的取样值与上一次的采样值进行比较，若输出功率增加，则说明本机输出电压的相位应向后调整；反之，应向前调整。此方法的特点是单机之间不需要任何控制连接线，但对控制精度要求高。

大功率变换器技术的不断进步使高频UPS大容量化的进程发展得越来越快；绿色电源技术使UPS对电网的污染越来越小，电能利用率越来越高，并且与负载的匹配越来越合适；UPS控制技术的不断演进使得当前数据中心主流UPS系统已经完成了数字化的过程；并机技术的不断发展使UPS的并机变得越来越可靠，并能方便地衍生出更可靠的供电系统。

4.7.2.2　HPC集群机房UPS的关注热点——绿色电源技术

UPS绿色电源技术在电气指标上首先体现为UPS的输入指标“输入电流谐波成分”和“输入功率因数”，上述指标主要体现了UPS和电网之间的相互影响，业界的措施主要是围绕着如何改善UPS整流器的输入特性而展开的；其次体现为UPS的输出指标“输出有功功率”，它表征了UPS和负载之间的相互匹配，业界的主要措施是围绕着如何改善UPS逆变器的输出特性而展开的。

（1）UPS谐波分析与治理。

HPC集群机房UPS系统在从低压电网获取能量的同时，也会对低压电网造成不同程度的污染。污染的严重程度取决于UPS整流器的实现和治理方式。

传统的6脉冲整流器会引起很严重的谐波污染。所谓6脉冲整流器是指由6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以称为6脉冲整流。

由UPS整流装置产生的超过30%的谐波对电力系统的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：

①对发电设备的危害：谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，产生振动和发出异常的噪声。

②对输电设备的危害：损耗增加（趋肤效应）、引发谐振（线路电感、对地电容）、中线电流增大、影响线路的稳定运行（继电保护的误动或拒动）。

③对供电设备的危害：损害电容、变压器降容（铜损、涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗）、降低可靠性、影响电力测量的准确性。

④对用电设备的危害：视在功率增大、干扰敏感性电子设备。

⑤对人体的危害：人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康。

对HPC集群机房UPS谐波的治理主要有以下两种手段：

①无源滤波器：

原理：电感和电容形成谐振电路，主要针对5次谐波形成低阻通道。

优点：技术简单，价格便宜。

缺点：(www.xing528.com)

·只能滤除特定频率的谐波。

·滤波效果受负载率及频率变化影响大。

·有系统谐振风险。

·UPS轻载输入呈容性，与柴油发电机匹配困难。

·设计参数单一，针对特定频谱。

②有源滤波器：

原理：有源滤波器实质上是电流发生器。系统侦测负载电流，由DSP分析谐波形状，再提供给电流发生器，在下一个周波精确补偿。

优势：

·不会因制造误差、设备老化、电网频率变化造成滤波效果下降。

·不容易与电网产生谐振，而且具有谐振抑制作用，不会造成谐波放大。

·可以仅仅对谐波进行抑制而不引入大的无功功率，或兼有谐波补偿和无功补偿功能。

·适应于多种性质（阻、感、容性）的负载，并可利用现有无功补偿设备容量。

·具有处理复杂频谱谐波的能力。

劣势：

·存在“误补偿”问题。由于它的补偿响应时间长达40ms以上，存在“误补偿” 隐患。当在输入电源上执行切除/投入操作或在UPS的输入上游侧做大负载的切除/投入操作时，易产生“误补偿”。轻者，造成UPS的输入谐波电流“突变”。严重时，会导致UPS的输入开关“误跳闸”。

·可靠性偏低。对于6脉冲+有源滤波器的UPS来说，由于在它的有源滤波器中使用IGBT管作为它的整流器和变换器的功率驱动管，其故障率偏高。

·降低系统效率，增加运行成本。

·有源滤波器价格昂贵。

上述办法都是默认UPS整流先产生谐波而后治理的思路，更好的处理谐波的思路是通过改善UPS的整流器架构使严重的谐波无从产生，也就是控制源头的思路。因此，12脉冲整流器结构、IGBT高频整流器结构都具有小于5%的输入电流谐波成分。相比而言，高频整流器由于采用有源功率因素校正技术，能够提供更好的指标（输入电流谐波小于3%，输入功率因素满载时大于0.99）。

至于“UPS输入功率因数”，该参数越高就意味着UPS输入特性越接近阻性负载，UPS整流器输入功率因素不单取决于相移功率因数，也和输入谐波电流反向相关，只要降低了输入谐波电流，则输入功率因素自然会提高。

（2）UPS输出有功功率（输出功率因素）。

在“通信行业标准YD/T 1095-2000通信用不间断电源-UPS”标准中，表15第17项提出“输出功率因数”项目，技术要求≤0.8，在第5部分试验方法中的第5.16项中提出了输出功率因数的试验方法及测试电路。但是，YD/T 1095-2008对该部分的要求重新做出了修订，改成了“输出有功功率≥额定容量×0.7kW/kV·A”。实际上，业界是想用合适的指标表征UPS输出带有功功率的能力。YD/T 1095-2008的界定明显更为合理。

根据IEC 62040-3的UPS性能标准（UPS Performance）和IEC60146-4的UPS设计标准，其输出的功率因数为：PF：kW/kV·A。在UPS设计时，是以线性负载cos=0.8作为设计标准的，所以一般会看到机房主流UPS厂商以输出功率因素0.8界定视在功率和有功功率的关系（例如200kV·A/160kW）。此外，UPS允许使用负载功率因数为0.6　超前到0.6滞后，在但其他功率因素下，UPS不得不降额使用。

问题在于HPC集群机房（数据中心）UPS后挂的用电负载（服务器、交换机等IT设备）大都是开关电源型非线性负载设备，在IEC 62040-3标准中称之为“RCD型负载”，表现为低额定电流、高峰值因数、低输入功率因数、2～4In的启动电流。负载功率因数大多数为0.6～0.7。2001年以后，随着技术的发展，对于1997年制定的IEC 61000-3-2标准进行了修订，即IEC61000-3-2 AMDl-2001标准出台，该标准对单相输入电流不大于16A的专业设备规定了谐波电流发射的限值，从此对IT设备的输入特性有了明确的规定。大量的IT设备制造商开始着手修正自己产品的输入特性，他们为这些专业设备增加了升压（Boost）线路，功率因数由0.7提高至0.9以上，并改善了其THDi（＜20%）。

传统IT设备电源框架如图4-34。

图4-34　传统IT设备电源框架

（3）模块化UPS。

UPS的模块化就是将整个UPS按主要功能部件分成功率变换、电池系统、智能管理和通信等几部分，把每部分又按基本功能和功率容量在结构上做成独立的可热插拔的模块。在同功能的模块可并联运行的情况下，可很容易地实现冗余配置，并为在线热插拔维修和在线扩容提供了可能性。这时要提高UPS的可靠性和可用性主要考虑的就是功率变换模块，它是UPS执行功率转换的核心部件，也是UPS整机可靠性的薄弱环节，把这部分组合成独立的模块，并在结构上可以插拔变化，包括在冗余情况下可以热插拔，是降低整个UPS维修时间的关键。这部分的功能包括AC/DC和DC/AC两个变化的所有环节，即所有功率半导体器件、电感、电容、控制电路、充电电路、驱动电路以及基本的状态操作功能等，在外面提供交流输入、电池直流输入和相应的逻辑通信控制信号的情况下，它本身就可以组成一台功能齐全的UPS电源。

模块化UPS的优点：

①模块化热插拔设计，边成长边投资，装配维修速度快，可有效降低设备投资。

②采用模块化热插拔结构，可以降低UPS的维修时间，提高系统的可用性。

③高效率、高输入/输出功率因素可节省运行成本。

④机架式安装方式、可与IT设备摆放在一起，不需独立电源室，节省占地宅间。

⑤模块化UPS便于厂家采购材料、生产备货和组织生产，能更有效地降低成本。

模块化UPS的缺点：

①没有输出隔离变压器，从而影响系统性能。

②大功率模块热拔插影响UPS系统安全。

③设备集中影响承重。

④设备昂贵，特别是电池模块，模块更换大大增加维护成本。

⑤维护成本过高，更换整个模块带来过高的维护成本，而器件级维护更为经济。

在中小型HPC集群机房的应用中，单个UPS模块容量从1～30kV·A不等。模块化UPS在大型数据中心（HPC集群机房）的应用相对较少，主要是因为模块化UPS在大型场地所体现出的性能价格比相对于传统大型UPS不占优势。但这一状况也正在发生改变，HPC集群机房大容量UPS单个模块的容量正在迅速增加，目前最大的单个模块已经可达275kV·A，并可4模块并联。

（4）UPS系统化。

HPC集群机房UPS系统化是以UPS供电方案的演进为主要载体。TIA-942将数据中心（HPC集群机房）以UPS为核心的供配电系统从低到高分为4个可用性等级：等级1（Tir1）、等级2（Tir2）、等级3（Tir3）和等级4（Tir4）。

从Tir1到Tir2，从Tir3到当前流行于数据中心的Tir4，实质上就是UPS供电系统不断发展和不断完善的过程。从单机备电到UPS设备冗余再到UPS供电系统冗余的演进充分地展示了数据中心UPS系统化过程。这种演进最为主要的推动力就是不断追求更高的供电可用性，追求更高的可用性永远是UPS系统发展的第一助力。