陈冀生1张广明2
　　
　　(1.先控捷联电源设备有限公司,石家庄050035)
　　
　　(2.中国电源学会专家委员会,天津300111)
　　
　　摘要:在数据中心中,供电系统是基础设施最重要的子系统之一,文中将针对现代数据中心供电系统规划设计要求、数据中心供电系统存在的问题和设计理念的变化、数据中心供电系统方案的选择、对UPS设备性能指标的重新认识、系统模块化与模块化UPS、高频机型UPS将成为现代数据中心UPS设备的首选机型、直流输出DC-UPS系统的研究和应用前景、数据中心备用能源的配置、数据中心供电系统的节能设计、供配电系统设备的布局设计与安装等问题,分专题进行系统的介绍和讨论。
　　　　
　　4 系统模块化与模块化UPS
　　
　　“系统模块化”是数据中心基础设施设计的重要理念和基本策略,数据中心供电系统建造中的很多问题都与系统模块化程度有关。供电设备厂商首先把模块化设计理念用在UPS供电系统的设计中,把冗余容错和快速插拔修复技术同时应用到一台UPS中,这就是当前已在市场上广泛推广应用的“模块化UPS”。模块化UPS是可用性级别最高的模块化系统,引领着数据中心基础设施设计建造的理念和方向。这里将全面介绍有关模块化UPS的设计思想、系统结构、性能特点和应用前景等问题。
　　
　　4.1模块化UPS系统的体系结构及运行模式
　　
　　模块化UPS可以认为是一个具有多重冗余结构的可扩充、可快速修复的模块化系统,图4.1是其典型的结构示意图。

　　
　　从模块化UPS的结构模型和工作模式可以看出,它本质上是一个模块化集成化的“N+1”冗余并机系统,结构模型如图4.2所示。

　　
　　4.1.1模块化UPS体系结构及基本配置
　　
　　(1)系统主要包含以下组成部分：输入配电、输出配电、“N+1”功率转换模块、“N+1”电池模块、监控管理模块、静态旁路模块、维护旁路;
　　
　　(2)功率模块是一个模块化单元,具备完整的AC/DC和DC/AC转换以及不停电供电控制功能,在配置输入输出配电和相应电压的电池后,就是一台完整的UPS;
　　
　　(3)电池总容量由整机设计容量确定,在物理结构上每组电池构成一个独立单元;
　　
　　(4)集中静态旁路也是一个可整体安装更换的单元,其容量等于整台模块化UPS设计输出容量;
　　
　　(5)监控管理模块也是可插拔安装更换的,其功能主要有三个:第一个是整个系统工作状态信息的收集及处理,如输入、输出电压等参数的显示和告警;第二是整个系统各功能的控制,如对电池管理、切入、切出旁路等;第三是作为系统与外界远程通信的接口。
　　
　　4.1.2模块化UPS的运行模式
　　
　　运行模式和控制过程与单机组成的“N+1”系统是一样的。
　　
　　(1)市电正常时,所有功率模块冗余并联运行;
　　
　　(2)市电正常时,如果一个功率模块故障,在模块关机的同时,断开输入输出主电路的继电开关,系统继续正常运行。此时系统降低冗余度,或不再具备冗余功能(指“N+1”)。已从系统脱开的功率模块可用插拔方式在数分钟之内更换;
　　
　　(3)市电正常时,因功率模块故障使系统已不具备冗余功能的情况下,如果此时又有一个功率模块发生故障或者负载出现过载情况,控制系统会使所有功率模块输入输出主电路继电开关断开,系统自动转集中静态旁路,由市电直接向负载供电;
　　
　　(4)在市电和UPS系统都正常情况下,如果负载发生过载或者短路,当负载超过系统额定输出容量,而小于全部功率模块输出功率的总和时,系统可继续正常运行,同时发出报警信号,说明此时系统已不再具备冗余功能;如果负载过流量超过所有功率模块输出额定功率的总和时,则并机逻辑命令会使所有功率模块输入输出主电路继电开关断开并自动转系统集中静态旁路,由市电直接应付过流的负载;
　　
　　(5)市电故障:在检测到市电故障的情况下,整流器能够自动的将直流母线与交流输入隔离,同时,电池组进入放电状态,由逆变器保证负载的连续运行;一旦市电恢复,UPS能够在不需要人为干预的情况下,自动恢复到正常运行模式;
　　
　　(6)手动维修旁路:在整个系统故障或者需要进行紧急维修时,将系统转维修旁路供电;
　　
　　(7)故障修复:可快速修复是模块化UPS最重要的特征之一,通常系统中的重要环节和可靠性相对薄弱的环节在物理结构上都组成独立的模块,并且可用拔插的方式进行安装和更换修复。
　　
　　4.2 UPS冗余并机系统的集成化􀉺模块化过程
　　
　　具有“冗余容错功能”和“热插拔修复技术”是模块化UPS的两个最根本的特征。因此模块化UPS就是UPS冗余并机系统体系结构的集成化和模块化过程,模块化程度的高低直接反映了模块化UPS的性能和先进性。所谓“模块化过程”,就是把UPS冗余并机系统的各个组成部分按照前述“2.5系统模块化设计成为供电系统设计的基本原则”一节中讲到的“模块化特征”要求进行重新组合、集成，并在物理结构上做到可拔插安装修复。
　　
　　UPS冗余并机系统向模块化转变经历了一个由简单到复杂的演变过程,这个过程实际上是模块化程度不断提高的过程。随着模块化技术的逐渐成熟和模块化程度的不断提高,模块化UPS的功率容量和性能也不断提高和完善。
　　
　　纵观当前各个厂家和型号的模块化UPS产品的实际情况,从模块化程度和体系结构的差别分类大致有六种类型,模块功能和模块化UPS组合类型表示在表4.1中。

　　
　　数据中心用户可根据模块化程度和系统配置需要选用适合的模块化UPS产品,但以下两点是要注意的:
　　
　　(1)并不是模块化程度越高越好。模块化UPS最大的优势在于可快速修复,而修复时间包括故障诊断时间,如果模块的集成度很高,例如表4.1中第①种类型,一台UPS整机就是一个模块,整机故障时几乎无须诊断时间,用户可立即自行拔插更换,修复时间可缩到最小;反之,如果是表4.1中第⑤、⑥两种类型,整机故障时首先需要根据故障现象诊断出是哪个功率模块故障,既需要有一定知识水平和经验的维护人员,否则会延长修复时间,其结果是降低了模块化UPS的可快速修复的优势;
　　
　　(2)可快速修复的优势是通过拔插故障模块来实现的,而可拔插更换的前提是其重量的可操作性。特别是在模块容量不断增大和系统变得较复杂的情况下,设计者不得不把比较重的模块(例如电池)、系统公共部分的模块(集中静态旁路、系统监控管理等)剥离出来。当然,在整机容量增大和模块细化的情况下,就需要增强系统管理功能,使系统能自行诊断故障模块,以弥补对维护人员知识和经验的过高要求,尽可能实现模块化UPS的可快速修复功能。

（未完待续）

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