浅议数据中心供电系统解决方案_【智能化弱电系统设计与施工】

前言　　目前,绿色节能的供电方案悄然兴起,文中简述了“冷热电三联供”在数据中心中的应用。在数据中心中,UPS...

前言

目前,绿色节能的供电方案悄然兴起,文中简述了“冷热电三联供”在数据中心中的应用。在数据中心中,UPS供电系统的一个主要功能是为负载提供不间断供电(由于电网已具有很高的供电质量,UPS改善电能质量的功能已显得不那么重要了)。经过多年的实践,业界相继推出了多种供电方案。

单机供电方案

单机供电方案是UPS供电方案中结构最为简单的一种,其原理图如图1所示。系统由UPS主机、电池组、油机、输入/输出屏等组成。该方案不需要专门的配电设计和工程施工,安装快捷。缺点是可靠性较低。一般用于小型网络、单独服务器、办公区等场合。

串联热备份冗余供电方案

串联热备份冗余供电方案是一种应用较早、简单而成熟的供电方案,它被广泛地应用于各个领域。UPS串联的特点是,主机UPS和备份机UPS均为完整的、具有独立旁路的在线式UPS单机。在市电正常情况下,主机UPS给负载提供100%的电能,备份机UPS不为负载提供电能;在主机UPS发生故障时,切换到备份机UPS为负载提供100%的电能,也可切换到维修旁路1,由市电直接为负载供电;当市电发生故障时,由电池组提供备用时间,转由油机供电。由两台UPS构成的串联热备份冗余供电方案的原理图如图2所示。图3是由三台UPS构成的串联热备份冗余供电方案的原理图,其工作原理与图2相同。

以由两台UPS构成的串联热备份冗余供电方案为例,一般是选用两台具有相同容量的UPS(也可采用不同容量的UPS),将UPS2的逆变器输出端连接到UPS1的交流旁路静态开关的输入端上,从UPS1的输出给负载供电。当市电正常时,由UPS1的逆变器输送电能给负载,UPS2处于空载运行状态;当UPS1中的逆变器出现故障时,负载才由UPS2的逆变器输送电能。此种冗余供电方式的优点是,对UPS单机的锁相同步跟踪控制技术要求不高(仅在两台UPS进行切换瞬间有所要求),热备份冗余供电系统构成容易、简单,主机和备份机可以采用不同生产厂家和不同容量的UPS产品。缺点为长期空载运行的其中一台UPS的配套蓄电池寿命缩短;由于一台UPS带全载,另一台空载,造成平均无故障时间下降;要求单机具有带“阶跃性负载”的能力,以保障主机出故障后,能将全部负载立即加到空载运行的备份机上。由于备份机长期处于空载运行状态,一旦出现切换过程,负载量将由0突变至100%负载,内部电路及元器件由于大电流的冲击,易造成损坏,使UPS的安全运行稳定性降低。

并联热备份冗余供电方案

并联热备份冗余供电方案是将多台同型号、同容量的UPS通过并机柜、并机模块或并机板把输出端并接而成。目的是共同分担负载功率。基本原理是:在正常情况下,多台UPS均有逆变器输出,平分负载和电流。当一台UPS故障时,由剩下的UPS承担全部负荷。并联冗余的本质是UPS均分负荷。实现组网形式多,有N+1或者N+X.实现并联冗余的前提是必须要解决以下技术问题:

各并联的UPS的输出波形保持同幅值、同相位和同频率,并机时的环流应尽可能小,如:小于2%;

各并联的UPS应均分负载;

USP故障时能快速脱机。

并联热备份冗余供电方案的优点:多台UPS均分负荷,可靠性大大提高;扩容方便;系统寿命和可维护性大大提高。

并联热备份冗余供电方案缺点:成本增加;在并机输出侧依然存在单点故障。

图4所示的并联热备份冗余供电方案的原理图是一个N+1型冗余并机系统。要求N台UPS的输出必须具有同相位、同频率、同输出电压幅值,技术要求高。但多台UPS共同均衡的给负载供电,若一台UPS发生故障,会自动将有故障的UPS自动脱机,负载由其它的UPS共同均衡供电,提高了此种并机方式的性能,使平均无故障时间得到了提高,设备的运行更加稳定。图4实际上是通过并机板并联的1+1型并联热备份冗余供电系统。

双总线冗余(2N)供电方案

双总线冗余(2N)供电方案的原理图如图5所示,它实际上是与并联热备份(1+1)冗余供电方案类似的、更加安全供电的方式,它是由两套UPS供电系统组成,在一套供电系统出现故障时,负载由另一套供电系统来保障,大大加强了供电的安全性。但成本较高。
早期应用于数据中心的UPS供电方案输出的配电系统往往出现开关跳闸、保险烧毁、电路短路等供配电回路故障,这在很大程度上影响UPS系统的供配电的可靠性。为提高机房UPS供电系统的可靠性,2N或2(N+1)的系统在中、大型数据中心中得到了规模应用,在业界也将此称为双总线或者双母线供电系统。

该方案的特点是:

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,两套母线系统共同供电给所有的双电源负载;通过STS的设置,各自供电给一半的关键的单电源负载。因此,正常工作时,两套母线系统会各自带有50%的负载。

将其中的一套单机系统能够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,将两套母线系统输出通过同步控制器同步起来。

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。例如,先设定任意一套UPS并机系统为主机,LBS同时监控两条母线上的UPS输出频率及相位。一旦发现他们超出同步跟踪范围时,LBS激活,内部控制对预先定义为Master的UPS继续跟踪市电,另一条母线上的UPS将通过LBS的控制,对Master进行跟踪,从而实现两套系统同步。

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。

　　区别于以前的供电方案,系统的备份首先带来的是负载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;做到了点对点的冗余;极大地增加了整个系统的可靠性和安全性;提高了输出电源供电系统的“容错”能力。但是,该方案的建设成本相对较高,在实际建设的过程中,需要在提高可靠性和降低成本两者之间适当权衡。

模块化UPS冗余供电方案

01

模块化UPS特性分析

模块化是UPS的发展趋势之一。虽然单机模块化UPS的可靠性与单机高频机UPS的可靠性相差无几。但是作为系统而言,模块化UPS供电系统不仅在性能上有很大的改善,而且在可靠性、可维护性以及智能化方面的指标更有显著的提高。与传统UPS供电系统相比,模块化UPS供电系统主要特性如下。

①并联冗余的运行稳定、可靠性高

在模块化UPS供电系统中,功率模块部分是并联冗余的,即功率部分是由许多模块并联在一起,它们不分主从,互不依赖,并且均分负载。由独立的监测、报警、通信模块和系统保护用的静态开关模块等几部分组成,不存在集中控制单元,系统没有故障瓶颈。在模块化UPS供电系统中,只需要购买相应的功率模块,即可实现(N+X)并联冗余供电系统。

②维修方便、在线处理、可用性高

在线热插拔是模块化UPS供电系统的又一显著特点。因为模块的规格统一,具体实施很简单,更换时间极短,几分钟内便可完成。相比之下,传统UPS发生故障时,从判断故障现象到更换完成、排除故障、设备正常运行,根据技术人员水平的高低,需要几小时甚至几天不等。绝大部分情况下,需要生产厂家派出技术人员进行检修。模块化UPS供电系统提高了系统可用性,使维护更为便捷,同时提升了使用人员对系统的维护能力,降低了设备的故障隐患,确保负载得到最佳的保护。

③安装简单、扩容方便、节约投资

模块化UPS供电系统在物理尺寸和重量上,比传统机型有大幅度改进,为用户节省大量的机房面积和承重加固等方面的投资。当需要扩容时,传统UPS供电系统就必须更换一台更大容量的UPS来满足使用需求。但模块化UPS供电系统,则不需要更换整机,只需增加模块数量即可轻松扩容,有效地降低了初期购置和日后的扩容成本,并且可以动态地满足业务发展的需求。

④节能、环保的绿色电源

模块化产品由于自身系统架构的优势,整机效率比传统机型有了突破性的进展。模块化UPS的输入电流总谐波失真(THDI)一般小于5%;输入功率因数PF≥0.99;没有无功功率电流输入,极大地降低了对电网的污染,有效地减少电网负荷和电源损耗,逆变效率一般为95%。

模块并联方案实质上就是上述的并联热备份冗余供电方案的一种,只不过其具体的实现方式和传统的并联热备份冗余供电方案有所不同:模块化UPS供电系统可并联功率模块、电池模块、充电模块等,也可数个整机架并联。

02

模块化UPS冗余供电方案

模块化UPS供电系统本身具有并联冗余、在线扩容的特性(见图6),所以通过模块化UPS的组合应用可以实现高保障等级的不间断供电系统,对核心、关键性的信息网络机房可构成模块化UPS双总线供电方案。每路各由一台模块化UPS系统供电,既能确保重要设备切换装置电源的无扰动切换,又能确保对不具备两路供电的设备,在一路UPS系统故障时,另一路实现紧急恢复供电功能,确保重要设备的正常运行。模块化UPS供电系统可实现对UPS系统持续地并联扩容或冗余备份,满足了后期设备的随需扩展,并且实现了UPS输入的高效节能,其整机效率高、发热量小、运行损耗小,能大大提高电能利用率,实现节约用电。
模块的N次冗余量也是系统配置需要考虑的重要方面。如果系统模块的冗余量过大,显然对资源是一种浪费,而冗余量过小,就要求系统稳定性、可靠性相对要很高,模块的超载以及均衡带载性能必须非常出色。所以在模块视在功率设置上,需要结合实际需求,进一步发展和完善。模块化UPS技术将传统系统级冗余改变为模块级冗余。

在确保供电安全且系统容量较小情况下,应用模块化UPS供电系统可有效降低整个不间断供电系统的造价和运行成本,同时系统也能通过新增模块在线扩容。其模块利用率较高,也可以使能效提高,系统的可操作性、可维护性也得到相应提高。

冷热电三联供系统

冷热电三联供(CCHP)系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上,将供热(采暖和供热水),制冷及发电过程有机结合在一起的总能系统。三联供属于分布式能源的主要形式之一。由于分布式能源可将能源效率提高80%以上,对环境负面影响小,有利于局部电网安全,对燃气和电网有削峰填谷的作用,因此很多发达国家将其作为国家能源体系的重要组成部分。从经济性考虑,数据中心用电和用冷负荷波动小,且常年需要供冷,符合三联供系统的功能特点。

CCHP的基本原理是温度对口、梯级利用,如图7所示。首先洁净的天然气在燃气发电设备内燃烧产生高温高压的气体用于发电做功,产出高品位的电能,发电做功后的中温段气体通过余热回收装置回收利用,用来制冷、供暖,其后低温段的烟气可以通过再次换热供生活热水后排放。通过对能源的梯级利用使能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右,大量节省了一次能源。(1)CCHP系统的特点

CCHP系统具有节能、减排、经济、安全、削峰填谷、促进循环经济发展等多种不可替代的优势。CCHP的特点如下:

①提高能源综合利用效率

CCHP系统建在用户现场或邻近,减少了能源输运过程的损失。应用了能量梯级利用原理,先发电,再利用余热,体现了由能量的高品位到低品位的科学用能,使一次能源综合利用效率和效益大幅度提高。

②降低排放,保护环境

据测算,在满足同样电热负荷条件下,CCHP系统供能方式与传统燃煤发电分供方式比较,CO2排放可降低约50%。近年来,脱氮及温室气体捕获利用技术的发展可以使CCHP系统供能系统满足各种严格的环保标准。

③良好的经济性

与大型天然气集中发电,特别是与燃煤电厂相比,CCHP系统首先用天然气生产了高价值的电力,又将余热用于供冷、供热或工业蒸汽负荷,创造了比前者更加显著的经济效益。

④提高能源供应的安全性CCHP类型的分布式能源在大电网出现突发事件时,可以维持当地继续供电,减缓了地方对集中供电系统的过分依赖,还可以根据用户负荷的特殊需求采用调节手段提高供电质量。

⑤改善能源使用结构

CCHP系统对电力与燃气供应的削峰填谷是其重要的功能。如北京等大城市夏季多采用电制冷,冬季用燃气锅炉供热,电力及燃气供应存在很大的季节性峰谷差。采用CCHP系统后,发电余热可用于供热和制冷,既能减小电空调造成的供电高峰,又填补了燃气供应在夏季的低谷,缓解了各自的峰谷差,是供能需求侧管理的有效手段,有利于能源供应的可持续发展。

(2)CCHP系统在数据中心的应用

CCHP系统是冷、热、电三联供系统,是建立在能量的梯级利用概念基础上的,以天然气为一次能源,产生冷、热、电的联产联供系统。CCHP系统提高了天然气能源利用率,大量节省了一次能源。数据中心负荷波动较小,用电和用冷量大,常年需要供冷,符合CCHP系统的运行特点,能够提高CCHP的经济性。

数据中心使用CCHP系统,应以用电负荷的容量作为设计的依据。通过合理的设计,CCHP系统可满足数据中心机房的供电和供冷需要,保证数据中心用电和用冷的可靠性。从CCHP系统单一环节来看,其可靠性不如市电。所以,至少目前UPS在数据中心中是不可或缺的,UPS不仅保障了不间断供电,还可在一定程度上改善供电质量。冷热电三联供在数据中心应用的原理框图如图8所示。