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您现在的位置 首页 -- 概述数据中心UPS供电系统的发展
发布时间:2013-12-11
来自: 中国电源工业协会王其英

概述数据中心UPS供电系统的发展

    随着通信技术的迅猛发展,行业之间的竞争越来越激烈,数据中心的大量建设、更新改造,随之而来的是要求供电的质量越来越高,给电源维护人员提出了更高的要求,保证电源供电“零”中断。要达到“零”中断就必须使用UPS供电系统,所以UPS供电系统在很多行业的供电系统中有着不可缺省的应用,也带动了UPS供电系统设计和应用的更高挑战。

  1. UPS是计算机的孪生兄弟

  1)早期的计算机供电系统

  计算机诞生于上世纪50年代,在手邀计算机后首先是全电子管结构。60年代初期我国首先制成了世界上第一台半导体计算机。那时的机器都是分立元件,一个计算机系统的各个部分都是独立的机柜,供电电源也是像个部分独立供电。如图1所示,就是国际上第一台运算速度10万次的半导体计算机的系统略图。那时的供电以市电为核心,通过线性稳压器向计算机送去直流电能,以后各国的供电模式也大致相同。

  图1 早期的计算机供电系统

  由于早期的计算机输入设备还没有现在的水平,任何题目的输入必须首先将题目化解成0、1布尔代数的基本形式,将这些数码用穿孔机穿在8位纸带上,而后再通过光电机输入进计算机。由于当时的计算速度很慢,一个题目运算几天甚至时间更长。一旦市电因故障断电就会使计算机内一切信息清零,只好重新用光电级再次输入!为此计算机向电源提出了最低要求:电源在断电瞬间向计算机送去一个信号,此后接着继续供电5s,是计算现场存入存储器,以便于试点恢复后机器接着上次的结果继续运算。这在当时也是一个相当先进的举措。

 2)第一代和第二代UPS的问世

  根据上述的要求就推出了第一代UPS—飞轮储能式电动发电机。由于当时发电机已达到相当水平,而用电子管还没有这样来的快。比如1967年我国为光机所进口的1900系列计算机就带来了一台20kVA的UPS,如图2所示。

  图2 20kVA飞轮储能式发电机UPS结构示意图

  然而为这5s花的代价太大了,于是人们就采取了将市电整流后给电池充电来驱动电动机从而带动同轴上发电机的方法时后备时间得以延长,后来由于可控硅器件的成熟,又将电动发电机用可控硅逆变器代替,就出现了全静止变换式结构的UPS,如图2所示,这就是

  输出变压器

  图2静止变换式UPS的形成过程示意图

  第二代,但这种产品的逆变器由于采用了全桥逆变技术,输出是三条火线,无法应用,还必须加‘D-Y’输出隔离变压器。到此UPS就分成了旋转发电机式和静止变换式两个分支。这两支都同时在发展着,旋转发电机式UPS单机已经做到了3000kVA以上,静止变换式UPS单机有的公司也已经做到了1200kVA。不过全可控硅结构UPS噪声大、体积大和能耗大。但由于当时的器件和技术所限也只能一直用下去。

  2. 脉宽调制(PWM)逆变器和高频技术使UPS前进了一大步

  随着半导体技术的发展,1980年美国国际动力公司(IPM)用双极三极管代替可控硅做出了脉宽调制(PWM)逆变器,使UPS体积、重量和功耗大幅度降低。尽管以后在逆变器功率管的使用上几番更替,一直到今天的IGBT,这种结构形式和技术一直沿用下来。典型的结构就是可控硅输入整流器,脉宽调制逆变器和输出变压器,这就是今天所说的工频机结构UPS。但无论怎么说这个产品为IT技术的发展立下了汗马功劳。

  几十年过去了,相比之下这种结构慢慢地跟不上时代的步伐了,再加之可控硅输入整流器对输入电压正弦波的破坏和效率低下,已不符合当前国际上节能减排的要求。更由于技术的进一步发展,已有了解决上述困难的办法。1995年以后出现了全IGBT化的UPS,也就是今天所说的高频机UPS。由于逆变器采用了半桥技术,使庞大的输出变压器可以取消,输入整流器采用IGBT是输入功率因数极大地提高到接近于1。整纪效率比工频机提高了5个百分点。并且单机功率有的公司也已做到了1100kVA。为大型数据中心的供电打下了坚实的基础。

    3. n+x冗余模块化并联UPS是单机UPS的升华

  随着数据中心机房重要性的日益增加,单机UPS供电的可靠性已无法胜任,供电设备冗余化已提到日程上来,为此就出现了串联热备份和冗余并联等技术。如图3(a)所示为串联热备份结构,其优点是不同品牌的产品都可作此连接,缺点是必须是同容量,否则容量就按容量小的那一台算,并且不好多台并联,一台过载转到另一台也过载。图3(b)所示为冗

  (a)串联热备份结构(b)冗余并联结构

  图3冗余供电结构原理方框图

  余并联结构,其优点是可多台并联,过载能力和并联台数成正比,不足之点是必须同厂家、同系列和同规格的产品并联。

  以上两种结构的共同缺点是,都不能在不停电的情况下维修、增容和换机。于是模块化的热插拔结构特点得到了重视。现在模块化结构在一些数据中心机房得到了成功的应用。现在模块化UPS模块单机已经做到了275kVA,这对于中大兴机房供电系统提供了很大方便。现在模块化结构有两种,一种是一个模块就是一台UPS,这种结构的优点在于任何一个模块都可作为电源使用:只要输入加上合乎要求的交流电压,即可输出合乎要求的交流电压。其缺点是如果模块的功率不大,比如40kVA,而机房要求1200kVA,就需要10个模块的机柜3台,即30个模块并联,而目前UPS的并联个数最多8-9台,所以电流均分的精度受到了限制。当然应用还是可以应用,就怕模块间负载差异太大而导致一些寿命缩短。

  另一种模块化结构称为功率模块化,顾名思义,但个模块不是一台完整的UPS,而只功率部分,其控制部分则是单独的模块,如图4所示。实际上功率模块化结构就是一台塔式UPS,不过将原来的并联功率器件分装在模块内。所以这种结构的缺点是每个模块不能单独

  控制电路

  图4 功率模块原理方框图

  供电。其优点是适合于大功率并联场合。如上面的1200kVA的例子,看起来也是10个模块的机柜3台,但却不是30个模块并联的概念,而是3台400kVA并联。

  近来又有一些宣传上推荐飞轮储能式UPS,这种UPS省去了电池组,利用飞轮的储能来填补市电停电后启动发动机的这段空白时间。

  图5所示就是其中两种典型的结构,图5所示(a)是立式飞轮储能式UPS,这种UPS的最小功率是250kva;图5所示(b)是卧式结构飞轮储能式UPS,这种UPS的最小功率是170kva。因此在容量的使用上受到了限制,目前也有的数据中心再用。

  (a) 立式结构飞轮储能式UPS

  (a) 卧式结构飞轮储能式UPS

  图5 飞轮储能式UPS

  所谓直流“高压”UPS也开始有一些中心在试用,不过若大规模推开恐怕还需要一些时日,因为这要牵涉到国际IT制造商。

  总之,UPS供电系统和IT技术一样也发展,不过高频机和模块化技术是今后直接为机房设备供电的主流是没有疑义的。在节能减排面前工频机UPS的出局也指日可待。

 
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