動態不間斷電源系統在數據中心行業應用研究

江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司 王明皓 王久海 陸曉宇

動態不間斷電源系統在數據中心行業應用研究

江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司 王明皓 王久海 陸曉宇

介紹了動態UPS（不間斷電源）的工作原理，并對比了動態UPS系統與傳統UPS系統+柴油發電機組在不同標準下的配置情況，對動態UPS系統的優缺點進行了分析，并展望了其在DC（數據中心）行業具備替代傳統UPS加柴油發電機組的發展前景。

動態不間斷電源；數據中心中；柴油發電機組；節能減排

如何合理整合UPS（不間斷電源）、蓄電池組、柴油發電機組已經成為DC（數據中心）電源行業關注的問題，如何提高DC能耗利用率，實現能源節約成為行業有待解決的迫切問題。動態UPS系統的出現，有效地解決了這些問題。

1 動態UPS發展歷程

從UPS（不間斷電源）的發展歷史來說，經歷了兩個階段：旋轉式UPS和動態UPS。

早期的UPS被稱為旋轉式UPS，是由整流器、電池、直流電動機、柴（汽）油機、飛輪和發電機組成。近期出現了新型的動態UPS系統，該系統同時具備柴油發電機組與UPS系統的雙重功能，有效整合了UPS、蓄電池組、柴油發電機組。系統的配置更加合理、科學，并且系統節能效果顯著。

2 動態UPS的結構

動態UPS系統同時具備柴油發電機組與UPS系統的雙重功能，系統有效整合了UPS、蓄電池組、柴油發電機組。其典型的結構見圖1。

該系統主要由5個核心部分組成：

1）同步交流發電機：在市電模式下，發電機的作用就相當于一個同步電容器，它能保持感應耦合器外轉子的轉速。它與電抗器結合作為有源濾波器使用，為負載提供無功功率。

2）感應耦合器：感應耦合器是UPS系統的核心。外轉子包含一個兩極三相線圈，在市電模式下，它能加快自由轉動的內轉子的轉速。市電斷電時，UPS使外轉子的直流線圈通電，從而取出內轉子儲存的動能。柴油機啟動并加速到全速運轉或者全功率需要些許時間，而由內轉子取出的能量足夠滿足這段時間的能量需求。

3）自由輪離合器：是感應耦合器/發電機與柴油機之間能量傳遞的橋梁。

4）柴油機：柴油機在市電模式下是待機狀態。為確保柴油機能夠迅速可靠地啟動，柴油機始終處于預熱與潤滑狀態。只要市電斷電，柴油機就會立即啟動，并加速至全速運轉。柴油機啟動期間即由感應耦合器提供緊急負載所需能量。整個轉換時間約為5～10 s。

5）電抗器：電抗器將市電與負載分開。電抗器與發電機相連，它相當于一個濾波器，UPS系統將輸出電壓控制在嚴格的規定范圍內。

3 動態UPS工作原理及在DC的使用

3.1 動態UPS工作原理

1）市電供電模式：電抗器和發電機的作用就相當于一個有源濾波器，保證設備側用電質量。發電機作為電動機驅動內外轉子以一定速度旋轉，也就是電能轉換為動能的過程。

2）內轉子供電模式：當市電停電時，飛輪帶動發電機為關鍵性負載設備供電，并同時啟動柴油機，內轉子轉速降低。

3）柴油機加內轉子供電模式：當柴油機啟動并達到額定轉速后，自由輪離合器自動地結合。柴油機與感應耦合器共同驅動發電機，確保對緊急負載正常供電，內轉子轉速進一步降低。

4）柴油機單獨供電機模式：柴油機驅動發電機為設備供電，同時驅動內轉子重新加速至額定轉速。柴油機的速度會被監測，并進行數字化控制，以確保輸出頻率穩定不變。

5）返回市電模式：當市電穩定后，動態UPS會自動與市電同步。柴油機將減速至一定轉速，自由輪離合器斷開。發電機返回到發動機狀態，并將感應耦合器的外轉子速度保持在額定轉速。這時，柴油機還將在空載狀態下繼續運轉一些時間以進行冷機。完成冷機后，柴油機會停止運轉，返回待機模式。

3.2 動態UPS在DC中的使用

動態UPS系統以柴油發電機組加UPS加蓄電池組的功能在DC得到使用，使用動態UPS系統的DC電源系統典型結構見圖2，該系統結構在國外使用較為普遍。

將負載區分為關鍵性負載和非關鍵性負載，當市電斷電油機未完全帶載之前，由儲能單元供電期間，切斷非關鍵性負載，僅保留關鍵性負載，可以有效減少對于飛輪儲能單元容量的需求，并能為油機啟動爭取更長的時間。

4 動態UPS與傳統油機加UPS應用

動態UPS由于同時集成了傳統模式下的柴油發電機組、UPS、蓄電池等功能，各部分功能配置固定，不能進行拆分。考慮到動態UPS的特點，采用動態UPS開展DC電源系統建設時與采用傳統模式開展建設，根據建設采用的標準與等級，其特點有很大不同，見表1。

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由于動態UPS自身的高度集成的特點，結合國內外現行的主要標準要求，針對不同的建設標準，利用動態UPS開展建設時與傳統模式有較大差異，比如采用國A標準進行建設時，兩種模式在柴油發電機功能配置上有較大差異，對于采用動態UPS模式，存在油機過度建設的情況。采用Uptime 4級標準進行建設時，兩種模式整體功能配置一致，可對比性較強。采用Uptime 4級標準建設的機房比采用國A標準建設的機房，利用動態UPS更具有優勢。

5 動態UPS的優缺點分析

5.1 優點

1）動態UPS系統安全可靠性高。設備主要由機械、電機組成，并未使用大功率電子器件，安全可靠性較高，整機壽命達25年，單機可靠性較高。

2）節能效果顯著。在市電正常時，系統作為有源濾波器使用，較傳統UPS的雙變換，效率大大提高，由傳統UPS的90%效率提升至96%。

3）建設、使用期總成本低。結合國外采用動態UPS開展DC電氣系統建設的經驗，采用動態UPS的建設、使用費用較低，具有良好的經濟性。

4）設備不需要空調制冷。傳統的UPS主機需要設置空調設備進行制冷，蓄電池組由于對溫度要求較為苛刻也需要設置空調進行溫度調節，而動態UPS系統不需要設置空調系統，僅開啟通風即能滿足運行環境的要求，節省了空調設備的投資，并節省了空調設備的能耗。

5）占用DC機房面積大大減少。由于系統的集成度較高，節省了UPS、蓄電池組占用的機房面積，占地面積大大減少。

6）具備無功功率調節功能。動態UPS系統中的同步電動機一個突出的特性就是改變勵磁可以調節電動機的功率因數。如果將運行在電網上的同步電動機工作在過勵狀態，它們就會從電網上吸收無功功率。

7）維護簡單、維護量減少。DC供電系統結構簡化，傳統DC供電系統結構中包含蓄電池組、UPS、備用發電機等設備，而動態UPS有效集成了蓄電池組、UPS、備用發電機3部分功能，供電系統結構大大簡化，維護更加方便、簡單；減少了維護工作量，系統由從前維護柴油發電機組、UPS、蓄電池組，改為僅維護動態UPS系統1套設備，大大減少了維護工作量。

8）無污染。系統不使用蓄電池進行儲能，沒有鉛酸蓄電池組生產和回收過程的鉛、硫酸污染。

5.2 缺點

1）國內DC行業使用較少，建設、維護經驗缺少。

2）使用中噪音較大，需要進行特殊處理。

6 動態UPS在DC行業的使用展望

動態UPS主要由機械、電機組成。動態UPS可靠性大大提高，并使得DC機房供電系統結構大大簡化，增強了系統的可維護性，減少了系統的維護工作量。

動態UPS系統較傳統UPS系統減少了2個能量轉換環節，系統效率大大提高，節能效果顯著，并且系統不需要空調制冷，又節約了空調能耗。系統占地面積大大減少，節約了機房空間。

鑒于動態UPS系統具有的諸多優點，有利于推動該系統的規模推廣與使用，并考慮到該系統同時具有較好的經濟性，在建設方對該技術進行深入了解后，該系統的規模推廣將更具有優勢。

任何新技術都有其培養與接受期，相信當動態UPS技術在國內有一定量案例并為DC建設方接受時，憑借其良好的性能與優勢，并由于該系統同時具有良好的節能效果，在“十八大”努力倡導資源節約與環境保護的今天，有著良好的政策支持，該系統將擁有廣闊的市場前景與發展空間，具備取代傳統UPS加柴油發電機組建設模式的潛力與優勢。