數據中心機房UPS供電解決方案

劉利臣

摘? 要：數據中心包括計算機系統和與之配套的設備，其大部分電子元件是由低壓直流電源驅動運行。數據中心機房一般安裝大型精密空調，采用交流市電供電。但在市電停電的情況下，制冷系統將無法工作，導致數據網絡設備過熱而損壞。

關鍵詞：數據中心;機房;供電;UPS電源

一、需求分析

數據中心是全球協作的特定設備網絡，用來在internet網絡基礎設施上傳遞、加速、展示、計算、存儲數據信息。數據中心包括計算機系統及與之配套的設備，其大部分電子元件由低壓直流電源驅動運行。引入交流單相和三相交流電源（380V/220V），經降壓、整流處理，用于各個等級的所需電壓。每次轉換都會導致大量電量消耗，即使是現今最好的轉換器，最高轉換率通常也只有98%。

數據中心的機房一般安裝大型精密空調，以交流市電供電，為數據機房提供所需的溫度和濕度。如遇市電突然停電，制冷系統無法正常工作，造成設備溫度急劇升高，進而導致數據網絡設備損壞。如果采用UPS電源供給大型精密空調設備，則須考慮電機啟動電流6～9倍，按最小需求計算，UPS配置的容量也須相應增加6倍。投入成本高，維護成本大。因此需要采取合理的分級分步延時啟動、精準配電或加裝變頻器等方法，以分散超大的啟動電流。

二、機房運行環境

2.1 UPS要為數據中心核心機房IT設備提供優質電源，確保數據中心機房市電停電4小時內不受影響。否則停電可能引起大面積數據通信癱瘓。

2.2 數據中心機房環境設備的功率為55KW，核心服務器的總功率為25KW。

2.3 系統可靠性要求平均無故障時間MTBF>250000h（不含電池）。

2.4 數據中心機房的設計與溫濕度環境要求：溫度和濕度。溫度和濕度必須被嚴格控制，以提供可連續運行的溫度和濕度范圍。

干球溫度計：20℃～25℃（68F～77F）。相對濕度：40%～50%。最大露點15℃（59℉），最小露點5.5℃（41.9℉）。最大變化速度每小時5℃（9℉）。

三、方案設計

3.1 UPS 電源容量選型計算

機房空調為感性負載，采用常規配置，須考慮電機啟動電流6～9倍，UPS配置的容量也須相應增加6倍，很不經濟。通過在電機前增加變頻器降低啟動電流的方法，選擇的UPS容量只需增加1.3倍系數。

UPS容量=現有電機設備容量÷UPS輸出功率因數÷UPS帶載比例*電機啟動系數（加變頻器）+ 控制設備容量÷UPS輸出功率因數。

現有電機設備容量為55000w，UPS輸出功率因數為0.8，UPS帶載比例為70%（考慮最佳使用率及提升抗沖擊能力），電機啟動系數1.3倍。

UPS容量=55000w÷0.8÷70%*1.3+25000÷0.8÷70%=172321VA

根據計算，此次采用可靠度及抗沖擊能力極高的200KVA。

3.2 電池配置計算

為了讓電池的配置更加合理，按照數據中心機房的實際功率計算，要求使用12V固定儲能電池組，后備時間為240分鐘。UPS的逆變器終止電壓為300V，逆變器效率為0.95，輸出負載的功率因數為0.8，選擇電池容量、串連只數、并聯組數如下：

UPS所需的直流功率：Pdc =實際功率/逆變器效率=80KW /0.95=84.21 KW。

每組電池的串連只數：No = 逆變器終止電壓/電池終止電壓= 300V/1.7V=176.4節≈174單體（cell），

每組電池數= No/電池單體數=174/6=29塊，按照NT系列UPS要求，每組電池數應為29塊。

根據電池放電功率表，選擇DCF126-12/200（12V-200AH）電池，每個電池放電功率為80W（1.8V/cell，240分鐘時），則需要的電池組數為：G = Pda/（單體功率 x 單體數No）=84.21KW/（80W x 29x6）=6.05組 ≈6組。

需要的電池配置：DCF126-12/200電池29只×6組。

3.3 方案電氣原理

該系統主要由交流配電、UPS主機、蓄電池組、變頻器、輸出配電等組成，實現的功能如下：

1.UPS市電中斷時，轉由蓄電池組經逆變電源給后面負載供電。

2.UPS故障時，可轉為維修旁路在線給UPS維修，確保負載正常供電。

3.UPS以及變頻器發生故障時，轉到輸入配電柜的維修旁路進行在線維修。

四、方案特點

3.1 采用數字化設計

3.1.1藉合由高速的微處理器運算為基礎的數字化設計，簡化復雜的模擬線路及零件數目，提高整個系統的集成率及可靠度。

3.1.2 UPS系統的控制參數，直接經由高速的微處理器取樣計算，可得到精確的讀值并對系統實時控制調整，提供精細的SPWM逆變脈沖，驅動逆變器的IGBT模塊，使UPS輸出純凈可靠的正弦波。

3.1.3 經由高速的微處理器取樣計算出精確的數字化讀值，可經由LCD顯示出各種重要的電氣參數，更方便管理者對機器運行進行實時管理。

3.1.4 完善的自檢功能，使UPS的運行更可靠安全。

3.1.5 管理者也可以經由UPS的控制面板依實際需要設定相應的管理參數。如輸入/輸出電壓、頻率范圍，充電電壓、電流，密碼設定等。

3.1.6多段式冷卻風扇速度控制，改善系統可靠度、效率、噪音及提高風扇使用壽命。

3.2 逆變器采用全橋架構，可接100%三相不平衡供電且負載適應性最強

3.2.1 輸出的三相逆變器采用分離控制，完全獨立反饋控制，使三相負載在完全100%不平衡下，仍然可以滿足各相負載的正常供電（穩壓精度小于1%）。

3.2.2 全橋設計的逆變器架構，可以降低IGBT的耐壓要求，使UPS對不同性質負載的適應性最強。

3.3 獨特可靠的并機技術

3.3.1UPS采用高速的微處理器運算為基礎的數字化設計，獨特的熱補償運算控制和直接并機技術，對于并機系統中的各臺UPS，均處于完全“平等”的調控狀態之中。

3.3.2采用獨特的同步相位調制法，每臺UPS“智能”地將位于并機系統中的各臺UPS的同步跟蹤調到最佳狀態，實時動態地調節所帶的負載百分比，實現高精度的負載均分。

3.3.3在并機系統使用中，如其中一臺UPS發生故障時，該故障的UPS會迅速、可靠地從并機系統中脫機，從而確保并機系統繼續提供用戶高質量的逆變電源。

結論

本文詳細描述了用戶的需求、方案設計、方案原理、如何配置及UPS的產品介紹等，充分展示了UPS在數據中心機房的成熟應用。整體方案的特點如下：

1.解決了UPS與電機的搭配問題，貼近用戶需求。

2.電池數量按照實際功率計算，有效利用電池資源。

3.采用可靠性MTBF>250000h的UPS，提高整體方案的可靠度。

4.此次選用的可并機UPS，可隨時根據實際情況調整，方便經濟擴容。

參考文獻

[1]? 數據中心機房的網絡改建設計[J]. 王義曉，羅志剛，蔡云富.? 智能機器人. 2016（10）