UPS電源在數據中心機房的應用

文│ 北京協和醫院 張 碩

UPS電源在數據中心機房的應用

文│ 北京協和醫院 張 碩

數據中心是現代信息化建設的基礎工程，為各個行業提供穩定、安全的工作環境。而數據中心的供電系統就是這項基礎工程的心臟和大動脈。供電系統的穩定，能夠保障其他系統作用的發揮和核心業務的正常運行。使用不間斷電源（UPS），確保關鍵用電設備的安全性是解決上述問題最重要的方法之一，這也使得全社會對不間斷電源的需求日益增加。

不間斷電源是一種含有儲能的裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。它主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統或其他電力電子設備提供不間斷的電力供應。就UPS應用技術而言，主要分為三類，即后備式、在線互動式及在線雙變換式。

1 UPS電源配置方式概述

UPS供配電系統既可以采用單機供電，也可以采用冗余方式進行供電。冗余方式供電在少數設備故障時，仍然能夠滿足數據中心內的用電需求，這是單機供電所不能達到的。從冗余式配置方式來看，有以下幾種方式：

（1）雙機主從式熱備份配置方式（如圖1所示）

主機帶負載，備機空載，備機接入主機的Bypass（旁路）輸入端，兩套UPS串聯連接。

（2）功率均分并聯備份配置方式（如圖2所示）

由具有相同額定輸出功率的UPS可直接并聯形成冗余供電系統。為保證高質量的并機系統，各電源間必須保持同頻同相，且各機均流。

（3）雙母線單機系統配置方式（如圖3所示）

雙母線供電方式是采用兩條總線對后端設備進行供電，每條總線上具有一套相同的UPS供電方式。

（4）雙母線雙機系統配置方式（如圖4所示）

系統1有UPS1-1和UPS1-2兩臺帶并機柜并機，兩臺UPS平時可各帶50%負載，當一臺UPS有故障時，另一臺可帶100%負載繼續供電。

系統2有UPS2-1和UPS2-2兩臺帶并機柜并機，結構和工作原理同系統一樣。

平時，系統1與系統2分別帶自己的負載，當其中一個系統供電母線上的任何設備或電纜需要維護或解決故障時，其負載可經靜態轉換開關切換至另一個系統從而供電。

2 UPS電源配置方式分析

2.1 雙機主從式熱備份配置方式分析

（1）優點

◆ 兩臺甚至多臺UPS基本處于相對獨立、互不干擾的運行狀態；

◆ 可采用不同型號、不同容量的UPS構成串聯熱備份方式；

◆ 配置方式比較靈活，不需要兩臺UPS電源，不需要增加額外輔助電路，不增加購置成本。

（2）缺點

◆ 兩臺UPS老化程度不同，備機電池組長期處于浮充狀態，影響電池壽命；

◆ 這種結構有許多單點故障，如果主UPS出了故障，那么另一臺必須接替全部負載，在約8ms內，另一臺必須把供電從0增加到100%；

◆ 備用UPS需具有階躍性負載承載能力，無擴容能力，由于人們很難實時了解備用UPS的各部分有無故障或隱患，所以當要啟動備用機時，就可能無法正常工作。

2.2 功率均分并聯備份配置方式分析

（1）優點

◆ 完善的鎖相同步技術保證多臺UPS直接并聯時可均分負載電流；

◆ 瞬間過載能力強，能夠自動均分功率；

◆ 良好的擴容性能（N＋1），避免了“串聯”熱備份方式的缺點。

（2）缺點

◆ 存在環流增加無功損耗，降低系統的可靠性；

◆ 需增加額外輔助電路，增加成本，增加故障點；

◆ 對設備本身同步鎖相技術的要求高，對設備制造技術要求輸出阻抗接近；

◆ 對逆變器輸出電壓分相調節性能要求高；

◆ UPS必須同型號、同容量，多臺并聯時，旁路也需增加“均流電感”。

2.3 雙母線單機系統配置方式分析

（1）優點

◆ 消除可能出現在UPS輸出端與最終用戶負載端之間的“單點”故障隱患，提高輸出電源供電系統的“容錯”功能；

◆ 可在線維護、在線擴容與在線升級；

◆ 改善了總線的可用性，滿足雙電源用電設備的需求，真正實現了7×24×365運行的目標；

◆ UPS輸出針對每個機柜采用一個獨立回路，使用插座或者工業連接器對單獨機柜進行供電；

◆ 對于雙路供電設備，便于從兩個獨立的UPS進行輸出配電；

◆ UPS電源分別送到數據中心各個機柜，既安全可靠，又方便使用和維護。

（2）缺點

◆ 成本增大，需要增加2倍以上的成本。

2.4 雙母線雙機系統配置方式分析

（1）優點

◆ 由于每個系統中有兩臺UPS帶并機柜并機，并在旁路柜前增加一臺隔離變壓器，所以當UPS轉旁路時，可消除市電對負載諧波干擾及降低零地電壓；

◆ 兩臺UPS平時可各帶50%負載，當一臺UPS有故障時，另一臺可帶100%負載繼續供電，當兩臺UPS同時有故障時，可經UPS靜態旁路開關柜MSS轉到旁路供電；

◆ 當其中一個系統供電母線上的任何設備或電纜需要維護或解決故障時，其負載可經靜態轉換開關切換至另一個系統進行供電，做到了點對點的冗余，極大地增加了整個系統的安全性；

◆ 由于LBS負載總線同步跟蹤控制器的配置，若某個UPS供電系統出現故障，可通過自動跟蹤控制功能的負載總線同步跟蹤控制器和靜態轉換開關，使正常工作系統的UPS承擔全部負載的供電任務，既保障了用電系統的安全，又保障系統UPS脫機檢修；

◆ 外置維修旁路的配置使系統可在線維護；

◆ 互鎖裝置的配置，保證了兩個系統（臺）之間的安全切換，逆變器輸出和維修旁路不會短路。

（2）缺點

◆ 成本較高。

3 結束語

本文通過對UPS電源系統的綜合分析，得出如下結論：對于大中型數據中心機房在雙電源負載居多且重要的情況下，UPS電源系統配置應當選擇雙母線單機（1＋1）系統配置方式或雙母線雙機系統配置方式。