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。

　　4.5模块化UPS技术发展和应用中存在的问题
　　
　　在数据中心供电系统中,模块化UPS的应用经历了一个由疑虑到认可再到广泛应用的认识过程,影响这一过程的问题主要有三个,一是功率模块的容量限制和并机台数问题,二是设备故障隔离和系统可靠性的问题,三是环流的负面影响必须从根本上克服,包括元器件漂移的影响。
　　
　　4.5.1功率模块的容量决定着模块化UPS的应用
　　
　　模块化UPS问世初期功率模块容量只有3～10kVA左右,这就极大地限制了它在功率容量较大的系统中的应用。在较大容量的系统中,需要较多的功率模块冗余并机运行,在冗余容错系统中,虽然设备故障不等于系统故障,设备故障率也不再等于系统可靠性,但较高的模块故障率还是给用户的维护工作带来麻烦和困难,这就是为什么在大功率容量数据中心中难以广泛推广和使用的原因。随着功能模块的细化和电路技术的进步,当前的功率模块已经做到40kVA(见表4.2),在单机由15个功率模块组成的情况下,最大输出功率可达600kVA,考虑到多机并机系统可靠性的降低,设计时应适当增加冗余度,例如可按“4+1”、“8+2”、“12+3”的方式配置,如选择600kV的系统,配置40kVA的模块,系统有效负载的最大输出容量应不超过480kVA。总之,功率模块容量的不断增大,为模块化UPS在大功率容量数据中心中的广泛应用创造了条件,使模块化UPS可在更大的范围内替代单机UPS。
　　
　　4.5.2必须提高“n+1”冗余并机系统的故障隔离功能
　　
　　在配置了单机“1+1”、单机“n+1”和“n+1”模块化UPS系统中,当一台单机UPS(或模块)故障时,可能诱发并机系统中其它单机(或模块)乃至整个系统(或模块化整机)同时故障,而对整个系统检查时又发现,只有一台(或模块)有问题,其它单机(或模块)却全是好的。造成这一现象的根本原因是并机系统中各台UPS(或模块)的相依性关系。　因为在单机(或模块)“n+1”冗余并机系统中,所并各单机(或模块)的输入、输出、并机逻辑控制、直流母线(共用电池组)等都是直接接在一起的,一台单机(或模块)故障时,特别是伴随产生瞬间大电流的故障,过强的干扰可能通过并机逻辑控制信号线、共用的输入输出和直流母线传到系统中其它各台单机(或模块),诱发其产生同样的或其它形式的故障。这种现象是所有直接并机的冗余并机系统所共有的,而特殊的故障传播性质又决定了解决问题的难度。UPS设备厂商意识到这一问题的严重性和解决的难度,他们的经验是加强功率模块和整个系统的电磁兼容性设计,提高各模块和整个系统的故障隔离功能。
　　
　　4.5.3必须从根本上克服环流对并联设备的负面影响
　　
　　在多机并机系统中,环流是个值得注意的问题。当二台或多台UPS处于并联状态时,每台UPS的输出电压、相位、频率、失真度、负载动态特性均不可能完全一致,所以存在电压差是正常现象。UPS是个电压源,内阻很小,各台UPS输出电压的差异势必会在UPS之间形成环流。环流是一种能量,环流越大,则该能量越大。从UPS的逆变拓扑结构分析,当产生环流时,该拓扑电路结构可以等效为一个典型的BOOST升压电路,通过该电路,把环流的能量转移到逆变电路的直流母线上,这个能量势必会造成直流母线电压的上升,轻者使该UPS进入保护而退出运行,严重者会造成高压电解电容和IGBT的损坏,从而带来更大的影响。
　　
　　从模块化UPS的体系结构看,本质上是多功率模块冗余并机,交流电在并联时必然会产生环流,这是无法回避的问题,因此必须从根本上克服环流的负面影响。但是,值得注意的是,通常模块化UPS的各功率模块是共用一个直流母线的,如图4.3所示。

　　
　　当全部模块的直流母线并联在一起的时候,环流虽然会通过其他模块的逆变主电路将能量反馈到直流母线上,但所有模块共用一条直流母线,相当于反馈到自身的直流母线上,从能量守恒的理论讲,是不可能提升自身直流母线电压的,因此在很大程度上可以减少或消除因并机环流造成UPS模块的保护、退出运行等问题,更不会造成高压电解电容和IGBT的损坏,模块化UPS系统这一特殊功能是一体化UPS并机系统无法实现的。

（未完待续）

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