现代数据中心供电系统规划设计(五)

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。
　

(3)重量轻、体积小
　　
　　数据中心基础设施是一项费用昂贵的固定资产投资,机房内设备对承重的要求和占地空间越来越受到人们的重视。同时,重量轻体积小的设备还可以减少对运输和安装难度的要求,当然在这方面费用的降低也是可观的。
　　
　　表5.3给出了两种结构UPS在功率密度、体积和重量等方面的比较数据。

　　
　　从表5.3具体数据可以看出,与带输出变压器UPS相比,无输出变压器UPS在功率密度、占地面积、重量等方面的贡献是:
　　
　　功率密度(kW/m2)可提高40%左右;
　　
　　占地面积(m2)可减少25%左右;
　　
　　重量减少50%～80%。
　　
　　(4)成本低
　　
　　与带输出变压器UPS相比,无输出变压器UPS去掉的环节包括:输出隔离变压器;输入12脉冲移相变压器及11次无源滤波器。所以无输出变压器的UPS可降低成本是不言而喻的事实。
　　
　　但是,当我们讨论成本时,应全面地考虑以下四个方面:
　　
　　①生产和购置成本;
　　
　　②能源运行成本(工作效率高,包括空调费用的降低);
　　
　　③占地少、承重要求小和运输安装成本;
　　
　　④资源浪费成本。
　　
　　第四点实际上是很重要的,为了减少资源浪费,以半导体代替铜和钢铁资源早已成为工业和电子设备发展的趋势,是具有重大经济意义和社会意义的基本策略。
　　
　　(5)对电性能指标的改进
　　
　　无输出变压器UPS的各项电性能指标绝大多数都相当于带输出变压器UPS,而有些指标却显示出无输出变压器UPS更优越的性能。除以上讲到的输入功率因数、工作效率、体积重量和成本外,以下指标也有明显地改善:
　　
　　①输入电压范围更宽:带输出变压器UPS对于适应输入电压±15%的变化已很不易,而无输出变压器UPS可在±(25%～30%)范围内正常工作,不仅表现出对电网很强的适应能力,还可延长电池的使用寿命。
　　
　　②输出能力强:这体现在两个方面,一是输出半桥逆变器三相独立的输出功率,提高了三相负载不平衡的适应能力;二是去掉了工频变压器,逆变器工作频率又较高,输出滤波环节阻抗小,所以输出动态性能更好,负载阶跃从100%到0或从0到100%变化时,输出电压的变化都可限制在±2%,并在20～40ms内返回到±1%的容限范围以内。
　　
　　5.4关于无输出变压器UPS工作可靠性的讨论
　　
　　设备的可靠性与多种因素有关,包括:电路研制定型水平、技术人员水平和经验、器件选用差别、生产工艺水平、质量管理流程等。电路结构变化有个技术成熟的过程,当然还包括所选用的器件性能和可靠性对新电路结构的适应能力。所以说电路结构的变化对设备可靠性是有影响的,影响大小最终取决于两个因素:电路技术成熟度和器件水平。
　　
　　(1)技术成熟是毋庸置疑的
　　
　　无变压器UPS采用的新技术主要有两点:一是输入IGBT整流(PFC)技术,二是输出半桥逆变技术。这两项技术产生由来已久,已成为电力电子设备的经典技术,应用也非常广泛,所以技术成熟的程度是毋庸置疑的。虽然把这两项技术集成起来用于无变压器UPS中仅是最近十年的事情,因电路定型水平和参数选择的差异也可能存在设备可靠性问题,但出现可靠性的根本原因却不是电路结构和新技术的应用造成的。
　　
　　(2)当前器件性能水平完全能够满足新电路结构提出的要求
　　
　　在无变压器UPS中,对器件性能要求高的环节主要是半桥式逆变器,而关键的参数又是功率开关器件IGBT的耐压(UCES)和输出电流(有效值和峰值)能力,当前的IGBT的输出能力可以完全满足400～500kVA的大功率无输出变压器UPS。
　　
　　值得注意的是,在无变压器UPS的半桥逆变电路中,输出电压是由±400V直流母线电压直接形成的,输入电流有效值等于输出电流有效值。而传统的带输出变压器UPS是通过输出变压器升压形成的,在升压比为1:1.9或1:1.78时,同时考虑三角型/星型接法输出电流有效值是输入有效值的1.73倍,所以全桥逆变器输入电流有效值是输出电流有效值的1.9/1.73=1.1(或1.78/1.73=1.03倍)。数据说明,对同样输出功率的UPS,无输出变压器UPS对IGBT的电流输出能力的要求并不比传统的带输出变压器UPS高。也就是说,从IGBT的电流输出能力来看,能做多大功率的带输出变压器UPS,就可以做到多大的无输出变压器UPS。
　　
　　与带输出变压器UPS相比,无输出变压器UPS的输出逆变器对IGBT的耐压提出了更高的要求。在带输出变压器UPS的输出全桥逆变器中,IGBT的耐压就是直流母线电压,一般在400多伏,而在无输出变压器UPS的输出半桥逆变器中,直流母线电压是±400V,要求IGBT的耐压要大于800V。而当前的器件耐压水平普遍大于1200V,所以器件的耐压已不成问题,
　　
　　(3)输出隔直流问题

　　
　　从图5.6可以看出,由于控制环节故障使一个IGBT连续导通时,或在一个IGBT或二极管短路的情况下,400V直流母线电压会直接输出到负载端(此时电感变成阻抗很小的导线)。单相负载输入整流后的直流母线额定电压是311V,考虑负载输入允许的+15%的上限,直流母线最高电压是357V,并联在整流电路输出端的滤波电容耐压通常是400V。当UPS发生这种故障时输出直流电压会接近400V,
　　
　　滤波电容和DC/DC变换器都会因输入电压过高而受到影响。
　　
　　出现这种情况在理论上是有可能的。然而,如果出现这一危险情况,即使缺少了专门的直流分量检测电路(例如,检测电路故障或参数漂移等),也可以根据从另一个IGBT收到的驱动信号得知,直流电压可能发生短路,从而立即终止逆变器的工作,同时断开逆变器与后面负载的连接。通常逆变器的输出端配备有一个静态旁路开关,它可在逆变器停止工作时迅速将负载切换到旁路市电供电,以保证负载供电的持续进行。逆变器保护和转旁路供电的动作时间很短,可在输出电压上升过程中完成,因而不会对负载安全造成影响。在大量设备的实际运行中,这种故障几乎没有出现过。
　　
　　(4)无输出变压器UPS的可靠性指标
　　
　　如果不知道平均故障间隔时间MTBF,或者厂商提供的MTBF数据是不可信的,那么可用UPS的效率和输出能力各项指标来衡量它的可靠性,这些指标包括整机工作效率、输出过载能力、输出电流峰值系数、启动负载时输出电流浪涌系数和负载功率因数等。
　　
　　以下是已推向市场的500kVA无输出变压器UPS的可量化的可靠性指标:
　　
　　①输出功率因数:0.9
　　
　　②逆变器短路能力:150ms:2.5～3In
　　
　　③逆变器过载能力:125%In:10min;135%In:1min;150%In:30s
　　
　　④额定电压下的输出电流峰值因数:3:1
　　
　　⑤动态性能:±2%,从0到100%或从100%到0的负载阶跃变化
　　
　　⑥效率:94.5%(50%到100%负载率)
　　
　　这些数据说明,无输出变压器UPS的输出能力和可靠性指标与传统带输出变压器UPS一样,都可以达到很高的水平。可靠性已再不是无输出变压器UPS技术的关键问题。

(未完待续)

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