目前,綠色節能的供電方案悄然興起,文中簡述了“冷熱電三聯供”在數據中心中的應用。在數據中心中,UPS供電系統的一個主要功能是為負載提供不間斷供電(由于電網已具有很高的供電質量,UPS改善電能質量的功能已顯得不那么重要了)。經過多年的實踐,業界相繼推出了多種供電方案。

　　1 單機供電方案

單機供電方案是UPS供電方案中結構最為簡單的一種,其原理圖如圖1所示。系統由UPS主機、電池組、油機、輸入/輸出屏等組成。該方案不需要專門的配電設計和工程施工,安裝快捷。缺點是可靠性較低。一般用于小型網絡、單獨服務器、辦公區等場合。

2 串聯熱備份冗余供電方案

串聯熱備份冗余供電方案是一種應用較早、簡單而成熟的供電方案,它被廣泛地應用于各個領域。UPS串聯的特點是,主機UPS和備份機UPS均為完整的、具有獨立旁路的在線式UPS單機。在市電正常情況下,主機UPS給負載提供100%的電能,備份機UPS不為負載提供電能;在主機UPS發生故障時,切換到備份機UPS為負載提供100%的電能,也可切換到維修旁路1,由市電直接為負載供電;當市電發生故障時,由電池組提供備用時間,轉由油機供電。由兩臺UPS構成的串聯熱備份冗余供電方案的原理圖如圖2所示。圖3是由三臺UPS構成的串聯熱備份冗余供電方案的原理圖,其工作原理與圖2相同。

以由兩臺UPS構成的串聯熱備份冗余供電方案為例,一般是選用兩臺具有相同容量的UPS(也可采用不同容量的UPS),將UPS2的逆變器輸出端連接到UPS1的交流旁路靜態開關的輸入端上,從UPS1的輸出給負載供電。當市電正常時,由UPS1的逆變器輸送電能給負載,UPS2處于空載運行狀態;當UPS1中的逆變器出現故障時,負載才由UPS2的逆變器輸送電能。此種冗余供電方式的優點是,對UPS單機的鎖相同步跟蹤控制技術要求不高(僅在兩臺UPS進行切換瞬間有所要求),熱備份冗余供電系統構成容易、簡單,主機和備份機可以采用不同生產廠家和不同容量的UPS產品。缺點為長期空載運行的其中一臺UPS的配套蓄電池壽命縮短;由于一臺UPS帶全載,另一臺空載,造成平均無故障時間下降;要求單機具有帶“階躍性負載”的能力,以保障主機出故障后,能將全部負載立即加到空載運行的備份機上。由于備份機長期處于空載運行狀態,一旦出現切換過程,負載量將由0突變至100%負載,內部電路及元器件由于大電流的沖擊,易造成損壞,使UPS的安全運行穩定性降低。

　　3 并聯熱備份冗余供電方案

并聯熱備份冗余供電方案是將多臺同型號、同容量的UPS通過并機柜、并機模塊或并機板把輸出端并接而成。目的是共同分擔負載功率。基本原理是:在正常情況下,多臺UPS均有逆變器輸出,平分負載和電流。當一臺UPS故障時,由剩下的UPS承擔全部負荷。并聯冗余的本質是UPS均分負荷。實現組網形式多,有N+1或者N+X.實現并聯冗余的前提是必須要解決以下技術問題:

①各并聯的UPS的輸出波形保持同幅值、同相位和同頻率,并機時的環流應盡可能小,如:小于2%;

②各并聯的UPS應均分負載;

③USP故障時能快速脫機。

并聯熱備份冗余供電方案的優點:多臺UPS均分負荷,可靠性大大提高;擴容方便;系統壽命和可維護性大大提高。

并聯熱備份冗余供電方案缺點:成本增加;在并機輸出側依然存在單點故障。

圖4所示的并聯熱備份冗余供電方案的原理圖是一個N+1型冗余并機系統。要求N臺UPS的輸出必須具有同相位、同頻率、同輸出電壓幅值,技術要求高。但多臺UPS共同均衡的給負載供電,若一臺UPS發生故障,會自動將有故障的UPS自動脫機,負載由其它的UPS共同均衡供電,提高了此種并機方式的性能,使平均無故障時間得到了提高,設備的運行更加穩定。圖4實際上是通過并機板并聯的1+1型并聯熱備份冗余供電系統。

4 雙總線冗余(2N)供電方案

雙總線冗余(2N)供電方案的原理圖如圖5所示,它實際上是與并聯熱備份(1+1)冗余供電方案類似的、更加安全供電的方式,它是由兩套UPS供電系統組成,在一套供電系統出現故障時,負載由另一套供電系統來保障,大大加強了供電的安全性。但成本較高。

早期應用于數據中心的UPS供電方案輸出的配電系統往往出現開關跳閘、保險燒毀、電路短路等供配電回路故障,這在很大程度上影響UPS系統的供配電的可靠性。為提高機房UPS供電系統的可靠性,2N或2(N+1)的系統在中、大型數據中心中得到了規模應用,在業界也將此稱為雙總線或者雙母線供電系統。

該方案的特點是:

①考慮到系統實現的成本,數據中心的負載被分為兩類:單電源/三電源負載、雙電源負載。正常工作時,兩套母線系統共同供電給所有的雙電源負載;通過STS的設置,各自供電給一半的關鍵的單電源負載。因此,正常工作時,兩套母線系統會各自帶有50%的負載。

②將其中的一套單機系統能夠作為雙總線系統的一根輸出母線,另外一套單機系統作為雙總線的另一根輸出母線,將兩套母線系統輸出通過同步控制器同步起來。

 負載母線同步跟蹤控制器(LBS)用于雙總線UPS系統中,用來保證兩套UPS輸出系統的同步。例如,先設定任意一套UPS并機系統為主機,LBS同時監控兩條母線上的UPS輸出頻率及相位。一旦發現他們超出同步跟蹤范圍時,LBS激活,內部控制對預先定義為Master的UPS繼續跟蹤市電,另一條母線上的UPS將通過LBS的控制,對Master進行跟蹤,從而實現兩套系統同步。

③即使是一套系統完全失效或者需要檢修,雙電源負載因為有一根輸出母線仍然有電,所以會繼續正常工作。而關鍵的單電源負載會通過STS零切換到另外一根輸出母線,也會正常工作。

④區別于以前的供電方案,系統的備份首先帶來的是負載用電的可靠性的顯著提升。除此之外,該方案具有優秀的開放性和良好的前瞻性,系統以后的擴容升級和維護也十分方便。因為在任何時候均可將其中的一套系統完全下電進行處理以解決維護或者擴容問題。

雙總線系統真正實現了系統的在線維護、在線擴容、在線升級;提供了更大的配電靈活性,滿足了服務器的雙電源輸入要求;解決了供電回路中的“單點故障”問題;做到了點對點的冗余;極大地增加了整個系統的可靠性和安全性;提高了輸出電源供電系統的“容錯”能力。但是,該方案的建設成本相對較高,在實際建設的過程中,需要在提高可靠性和降低成本兩者之間適當權衡。

5 模塊化UPS冗余供電方案

(1)模塊化UPS特性分析

模塊化是UPS的發展趨勢之一。雖然單機模塊化UPS的可靠性與單機高頻機UPS的可靠性相差無幾。但是作為系統而言,模塊化UPS供電系統不僅在性能上有很大的改善,而且在可靠性、可維護性以及智能化方面的指標更有顯著的提高。與傳統UPS供電系統相比,模塊化UPS供電系統主要特性如下。

①并聯冗余的運行穩定、可靠性高

在模塊化UPS供電系統中,功率模塊部分是并聯冗余的,即功率部分是由許多模塊并聯在一起,它們不分主從,互不依賴,并且均分負載。由獨立的監測、報警、通信模塊和系統保護用的靜態開關模塊等幾部分組成,不存在集中控制單元,系統沒有故障瓶頸。在模塊化UPS供電系統中,只需要購買相應的功率模塊,即可實現(N+X)并聯冗余供電系統。

②維修方便、在線處理、可用性高

在線熱插拔是模塊化UPS供電系統的又一顯著特點。因為模塊的規格統一,具體實施很簡單,更換時間極短,幾分鐘內便可完成。相比之下,傳統UPS發生故障時,從判斷故障現象到更換完成、排除故障、設備正常運行,根據技術人員水平的高低,需要幾小時甚至幾天不等。絕大部分情況下,需要生產廠家派出技術人員進行檢修。模塊化UPS供電系統提高了系統可用性,使維護更為便捷,同時提升了使用人員對系統的維護能力,降低了設備的故障隱患,確保負載得到最佳的保護。

③安裝簡單、擴容方便、節約投資

模塊化UPS供電系統在物理尺寸和重量上,比傳統機型有大幅度改進,為用戶節省大量的機房面積和承重加固等方面的投資。當需要擴容時,傳統UPS供電系統就必須更換一臺更大容量的UPS來滿足使用需求。但模塊化UPS供電系統,則不需要更換整機,只需增加模塊數量即可輕松擴容,有效地降低了初期購置和日后的擴容成本,并且可以動態地滿足業務發展的需求。

④節能、環保的綠色電源

模塊化產品由于自身系統架構的優勢,整機效率比傳統機型有了突破性的進展。模塊化UPS的輸入電流總諧波失真(THDI)一般小于5%;輸入功率因數PF≥0.99;沒有無功功率電流輸入,極大地降低了對電網的污染,有效地減少電網負荷和電源損耗,逆變效率一般為95%。

模塊并聯方案實質上就是上述的并聯熱備份冗余供電方案的一種,只不過其具體的實現方式和傳統的并聯熱備份冗余供電方案有所不同:模塊化UPS供電系統可并聯功率模塊、電池模塊、充電模塊等,也可數個整機架并聯。

(2)模塊化UPS冗余供電方案

模塊化UPS供電系統本身具有并聯冗余、在線擴容的特性(見圖6),所以通過模塊化UPS的組合應用可以實現高保障等級的不間斷供電系統,對核心、關鍵性的信息網絡機房可構成模塊化UPS雙總線供電方案。每路各由一臺模塊化UPS系統供電,既能確保重要設備切換裝置電源的無擾動切換,又能確保對不具備兩路供電的設備,在一路UPS系統故障時,另一路實現緊急恢復供電功能,確保重要設備的正常運行。模塊化UPS供電系統可實現對UPS系統持續地并聯擴容或冗余備份,滿足了后期設備的隨需擴展,并且實現了UPS輸入的高效節能,其整機效率高、發熱量小、運行損耗小,能大大提高電能利用率,實現節約用電。

模塊的N次冗余量也是系統配置需要考慮的重要方面。如果系統模塊的冗余量過大,顯然對資源是一種浪費,而冗余量過小,就要求系統穩定性、可靠性相對要很高,模塊的超載以及均衡帶載性能必須非常出色。所以在模塊視在功率設置上,需要結合實際需求,進一步發展和完善。模塊化UPS技術將傳統系統級冗余改變為模塊級冗余。

在確保供電安全且系統容量較小情況下,應用模塊化UPS供電系統可有效降低整個不間斷供電系統的造價和運行成本,同時系統也能通過新增模塊在線擴容。其模塊利用率較高,也可以使能效提高,系統的可操作性、可維護性也得到相應提高。

6 冷熱電三聯供系統

冷熱電三聯供(CCHP)系統是一種建立在能量梯級利用概念基礎上,將供熱(采暖和供熱水),制冷及發電過程有機結合在一起的總能系統。三聯供屬于分布式能源的主要形式之一。由于分布式能源可將能源效率提高80%以上,對環境負面影響小,有利于局部電網安全,對燃氣和電網有削峰填谷的作用,因此很多發達國家將其作為國家能源體系的重要組成部分。從經濟性考慮,數據中心用電和用冷負荷波動小,且常年需要供冷,符合三聯供系統的功能特點。

CCHP的基本原理是溫度對口、梯級利用,如圖7所示。首先潔凈的天然氣在燃氣發電設備內燃燒產生高溫高壓的氣體用于發電做功,產出高品位的電能,發電做功后的中溫段氣體通過余熱回收裝置回收利用,用來制冷、供暖,其后低溫段的煙氣可以通過再次換熱供生活熱水后排放。通過對能源的梯級利用使能源利用效率從常規發電系統的40%左右提高到80%左右,大量節省了一次能源。

(1)CCHP系統的特點

CCHP系統具有節能、減排、經濟、安全、削峰填谷、促進循環經濟發展等多種不可替代的優勢。CCHP的特點如下:

①提高能源綜合利用效率

CCHP系統建在用戶現場或鄰近,減少了能源輸運過程的損失。應用了能量梯級利用原理,先發電,再利用余熱,體現了由能量的高品位到低品位的科學用能,使一次能源綜合利用效率和效益大幅度提高。

②降低排放,保護環境

據測算,在滿足同樣電熱負荷條件下,CCHP系統供能方式與傳統燃煤發電分供方式比較,CO2排放可降低約50%。近年來,脫氮及溫室氣體捕獲利用技術的發展可以使CCHP系統供能系統滿足各種嚴格的環保標準。

③良好的經濟性

與大型天然氣集中發電,特別是與燃煤電廠相比,CCHP系統首先用天然氣生產了高價值的電力,又將余熱用于供冷、供熱或工業蒸汽負荷,創造了比前者更加顯著的經濟效益。

   ④提高能源供應的安全性CCHP類型的分布式能源在大電網出現突發事件時,可以維持當地繼續供電,減緩了地方對集中供電系統的過分依賴,還可以根據用戶負荷的特殊需求采用調節手段提高供電質量。

⑤改善能源使用結構

CCHP系統對電力與燃氣供應的削峰填谷是其重要的功能。如北京等大城市夏季多采用電制冷,冬季用燃氣鍋爐供熱,電力及燃氣供應存在很大的季節性峰谷差。采用CCHP系統后,發電余熱可用于供熱和制冷,既能減小電空調造成的供電高峰,又填補了燃氣供應在夏季的低谷,緩解了各自的峰谷差,是供能需求側管理的有效手段,有利于能源供應的可持續發展。

(2)CCHP系統在數據中心的應用

CCHP系統是冷、熱、電三聯供系統,是建立在能量的梯級利用概念基礎上的,以天然氣為一次能源,產生冷、熱、電的聯產聯供系統。CCHP系統提高了天然氣能源利用率,大量節省了一次能源。數據中心負荷波動較小,用電和用冷量大,常年需要供冷,符合CCHP系統的運行特點,能夠提高CCHP的經濟性。

數據中心使用CCHP系統,應以用電負荷的容量作為設計的依據。通過合理的設計,CCHP系統可滿足數據中心機房的供電和供冷需要,保證數據中心用電和用冷的可靠性。從CCHP系統單一環節來看,其可靠性不如市電。所以,至少目前UPS在數據中心中是不可或缺的,UPS不僅保障了不間斷供電,還可在一定程度上改善供電質量。冷熱電三聯供在數據中心應用的原理框圖如圖8所示。

　　6 結束語

隨著信息化的高速發展,數據中心的數量和規模急劇增加,供電系統的設計與規劃越來越受到業界的重視。為了順應數據中心的發展,UPS供電系統趨于智能化、數字化、高頻化、冗余并機、綠色化和集成化是一條必然的發展之路。文中介紹的幾種UPS供電系統方案只是發展之路的驛站,新的供電系統方案必將應運而生。

編輯：Harris

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