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。　　

　(2)对“可预见的非突发性故障”和“不可预见的突发性故障”可靠性的讨论
　　
　　一个系统中设备可能发生的故障有两种类型:
　　
　　①可预见的非突发性故障
　　
　　例如电池组,它的故障现象有两个最基本的特点,一是故障现象诸如:电池槽变形、电池漏液、电池容量不足、电池浮充电压均匀性差、排气阀失效等,是直观可见的,或者是很容易被测量到的;二是所有这些故障都有发生过程长、是渐变过程、而且发生故障不是突发性的特点。对这种类型的设备,通过维护很容易发现故障隐患,也有充裕的时间在不影响运行的情况下排除故障隐患,或者安排计划停电进行维护。
　　
　　②不可预见的突发性故障
　　
　　例如供电系统中的UPS主机、ATS和STS转换开关等设备,系统管理和监控只能判定其工作状态,而硬件失效、控制电路板焊点的隐患、系统对控制电路的干扰等,却是不可预见的,也是很难检测到的,故障发生的时间是不可预测的,随机性的,突发性的。对于这种类型的设备,很难在故障前发现它,一但故障发生,必然使系统瘫痪。
　　
　　对只存在可预见非突发性故障的设备,定期的维护并对有故障隐患的零部件进行更换,这无异于设备的更新。
　　
　　(3)对“可预见的非突发性故障”和“不可预见的突发性故障”可用性的讨论
　　
　　可用性定义为:系统在使用过程中,可以正常使用的时间与总时间之比。可用性高意味着给用户更多的正常使用时间,把故障后不可用时间降到最低限度。
　　
　　由于电池具备“可预见的非突发性故障”的特点,在DC-UPS系统中,可使系统从根本上消除或者隔离“突发性故障”。对于电池质量和性能的变化,使用者有充分的时间(例如十天半月)发现它,并在不影响系统正常运行的前提下进行维护更换,或者安排“计划停电时间”排除故障。这相当于把故障停电时间缩短到0,把电池的可用性提高到1。
　　
　　6.4 直流输出电压的选择
　　
　　确定直流输出电压是研制开发直流输出UPS的第一件大事,它关系到设想的方案能否实现,产品是否有使用价值,能否顺利的推广应用。
　　
　　(1)确定DC-UPS输出电压的基本原则
　　
　　确定UPS输出电压应遵循以下五点原则:
　　
　　①原则上不要求IT设备输入开关电源做明显的变化
　　
　　直流UPS的负载是IT设备,大量的IT设备都是在交流电源输入环境下运行,为了加快推广应用速度,就必须做到在这种重大变动下不对IT设备提出过多变化的要求,也就是说,要尽可能做到现有的IT设备即可在交流电源输入下运行,也可在直流电源输入下运行。
　　
　　②简化设备结构和系统配置
　　
　　提出用直流UPS替代交流UPS的设计理念的初衷是解决输入电源多次变换的问题,减少变换过程可以有效地提高设备可靠性和节省能源。使用传统双变换UPS为IT设备供电的变换过程如图6.5所示。

　　
　　从图6.5可以看出,如果使用直流输出UPS(如图中虚线所示),则可去掉交流输出UPS的DC/AC变换和开关电源输入的AC/DC变换。特别要注意的是,要保证去掉两次变换,就必须使UPS的AC/DC变换输出的直流电压值等于开关电源的DC/DC变换的输入直流母线电压值。
　　
　　③在IT设备允许的输入电压范围内,使电池容量得到充分的利用
　　
　　采用直流UPS供电后,给IT设备开关电源供电的是备用电池,而电池电压是不稳定的,市电正常时,UPS输出的是电池的浮充电压,而市电中断后,电池开始对负载供电,电压由浮充值到额定值再到放电下限值。为了充分发挥电池的能量利用率,就要求负载允许的输入电压范围必须大于电池电压的变化范围。反之,为了使负载开关电源工作在最佳状态下,在负载开关电源输入电压范围大于电池电压变化范围的前提下,应使电池额定电压等于负载开关电源输入电压的设计额定值。
　　
　　④最终由电池电压决定输出电压的额定值
　　
　　电池电压是12V的倍数,市电正常时,UPS输出给负载供电的同时要给电池浮充,为了确保电池处在最佳工作状态,UPS输出直流电压的确切值应等于电池组电压的浮充值,并且要有较高的精度。
　　
　　⑤节能与安全
　　
　　提高电压可提高效率,有利于节能,而电压过高时应考虑元器件的承受能力。
　　
　　(2)输出电压值的确定
　　
　　根据上面讲的第一个原则，为了使IT设备开关电源同时兼容交流和直流两种输入，就必须设计直流UPS的电池额定电压或浮充电压等于开关电源交流输入AC/DC变换后的直流母线电压，图6.6所示是当前IT设备开关电源的直流母线电压情况。

　　
　　根据我国电网电压制式,交流单相电压是220V,而当前IT设备开关电源的输入AC/DC变换有两种情况:
　　
　　一是简单的全波整流变换,直流母线电压在300V左右,见图6.6(b)。另一种是PFC电路,直流母线电压是380V左右,见图6.6(a)。为了提高输入功率因数,当前的开关电源多采用图6.6(a)形式,即直流母线电压为380V。
　　
　　根据上面讲的五点原则和当前IT设备开关电源的直流母线电压实际情况,对直流UPS输出电压的选择列在表6.1中。

　　
　　(3)全球企业和研究团体对直流电压选择的情况
　　
　　直流输出UPS的研究已经在全球范围内展开,根据当前研究机构、行业和著名IT厂商的研究报告和发布的信息来看,对电压的选择情况如下:
　　
　　①选择380V的有:台达电子、法国电信、华为技术、艾默生、爱立信、NTT数据、环境研究所、英特尔、IBM、戴尔、微软、伊顿等;
　　
　　②选择300V的有:韩国电信;
　　
　　③选择320V的有:富士通、NEC、日立。

（未完待续）

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