數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電解決方案

董詩順

摘要：數(shù)據(jù)中心包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和與之配套的設(shè)備，其大部分電子元件是由低壓直流電源驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。數(shù)據(jù)中心機(jī)房一般安裝大型精密空調(diào)，采用交流市電供電。但在市電停電的情況下，制冷系統(tǒng)將無法工作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備過熱而損壞。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;機(jī)房;供電;UPS電源

一、需求分析

數(shù)據(jù)中心是全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用來在internet網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速、展示、計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)中心包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及與之配套的設(shè)備，其大部分電子元件由低壓直流電源驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。引入交流單相和三相交流電源（380V/220V），經(jīng)降壓、整流處理，用于各個(gè)等級的所需電壓。每次轉(zhuǎn)換都會(huì)導(dǎo)致大量電量消耗，即使是現(xiàn)今最好的轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換率通常也只有98%。

數(shù)據(jù)中心的機(jī)房一般安裝大型精密空調(diào)，以交流市電供電，為數(shù)據(jù)機(jī)房提供所需的溫度和濕度。如遇市電突然停電，制冷系統(tǒng)無法正常工作，造成設(shè)備溫度急劇升高，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備損壞。如果采用UPS電源供給大型精密空調(diào)設(shè)備，則須考慮電機(jī)啟動(dòng)電流6～9倍，按最小需求計(jì)算，UPS配置的容量也須相應(yīng)增加6倍。投入成本高，維護(hù)成本大。因此需要采取合理的分級分步延時(shí)啟動(dòng)、精準(zhǔn)配電或加裝變頻器等方法，以分散超大的啟動(dòng)電流。

二、機(jī)房運(yùn)行環(huán)境

2.1 UPS要為數(shù)據(jù)中心核心機(jī)房IT設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)電源，確保數(shù)據(jù)中心機(jī)房市電停電4小時(shí)內(nèi)不受影響。否則停電可能引起大面積數(shù)據(jù)通信癱瘓。

2.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境設(shè)備的功率為55KW，核心服務(wù)器的總功率為25KW。

2.3 系統(tǒng)可靠性要求平均無故障時(shí)間MTBF>250000h（不含電池）。

2.4 數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計(jì)與溫濕度環(huán)境要求：溫度和濕度。溫度和濕度必須被嚴(yán)格控制，以提供可連續(xù)運(yùn)行的溫度和濕度范圍。

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

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 UPS 電源容量選型計(jì)算：

機(jī)房空調(diào)為感性負(fù)載，采用常規(guī)配置，須考慮電機(jī)啟動(dòng)電流6～9倍，UPS配置的容量也須相應(yīng)增加6倍，很不經(jīng)濟(jì)。通過在電機(jī)前增加變頻器降低啟動(dòng)電流的方法，選擇的UPS容量只需增加1.3倍系數(shù)。?UPS容量=現(xiàn)有電機(jī)設(shè)備容量÷UPS輸出功率因數(shù)÷UPS帶載比例*電機(jī)啟動(dòng)系數(shù)（加變頻器）+ 控制設(shè)備容量÷UPS輸出功率因數(shù)。?現(xiàn)有電機(jī)設(shè)備容量為55000w，UPS輸出功率因數(shù)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(jī)啟動(dòng)系數(shù)1.3倍。?UPS容量=55000w÷0.8÷70%*1.3+25000÷0.8÷70%=172321VA

根據(jù)計(jì)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(jì)算：

為了讓電池的配置更加合理，按照數(shù)據(jù)中心機(jī)房的實(shí)際功率計(jì)算，要求使用12V固定儲(chǔ)能電池組，后備時(shí)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(fù)載的功率因數(shù)為0.8，選擇電池容量、串連只數(shù)、并聯(lián)組數(shù)如下：

UPS所需的直流功率：Pdc =實(shí)際功率/逆變器效率=80KW /0.95=84.21 KW。?每組電池的串連只數(shù)：No = 逆變器終止電壓/電池終止電壓= 300V/1.7V=176.4節(jié)≈174單體（cell），?每組電池?cái)?shù)= No/電池單體數(shù)=174/6=29塊，按照NT系列UPS要求，每組電池?cái)?shù)應(yīng)為29塊。

根據(jù)電池放電功率表，選擇DCF126-12/200（12V-200AH）電池，每個(gè)電池放電功率為80W（1.8V/cell，240分鐘時(shí)），則需要的電池組數(shù)為：G = Pda/（單體功率 x 單體數(shù)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(tǒng)主要由交流配電、UPS主機(jī)、蓄電池組、變頻器、輸出配電等組成，實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1.UPS市電中斷時(shí)，轉(zhuǎn)由蓄電池組經(jīng)逆變電源給后面負(fù)載供電。

2.UPS故障時(shí)，可轉(zhuǎn)為維修旁路在線給UPS維修，確保負(fù)載正常供電。

3.UPS以及變頻器發(fā)生故障時(shí)，轉(zhuǎn)到輸入配電柜的維修旁路進(jìn)行在線維修。

四、方案特點(diǎn)

4.1 采用數(shù)字化設(shè)計(jì)：

4.1.1藉合由高速的微處理器運(yùn)算為基礎(chǔ)的數(shù)字化設(shè)計(jì)，簡化復(fù)雜的模擬線路及零件數(shù)目，提高整個(gè)系統(tǒng)的集成率及可靠度。

4.1.2 UPS系統(tǒng)的控制參數(shù)，直接經(jīng)由高速的微處理器取樣計(jì)算，可得到精確的讀值并對系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制調(diào)整，提供精細(xì)的SPWM逆變脈沖，驅(qū)動(dòng)逆變器的IGBT模塊，使UPS輸出純凈可靠的正弦波。

4.1.3 經(jīng)由高速的微處理器取樣計(jì)算出精確的數(shù)字化讀值，可經(jīng)由LCD顯示出各種重要的電氣參數(shù)，更方便管理者對機(jī)器運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

4.1.4 完善的自檢功能，使UPS的運(yùn)行更可靠安全。

4.1.5 管理者也可以經(jīng)由UPS的控制面板依實(shí)際需要設(shè)定相應(yīng)的管理參數(shù)。如輸入/輸出電壓、頻率范圍，充電電壓、電流，密碼設(shè)定等。?4.1.6多段式冷卻風(fēng)扇速度控制，改善系統(tǒng)可靠度、效率、噪音及提高風(fēng)扇使用壽命。

4.2 逆變器采用全橋架構(gòu)，可接100%三相不平衡供電且負(fù)載適應(yīng)性最強(qiáng);

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

4.2.2 全橋設(shè)計(jì)的逆變器架構(gòu)，可以降低IGBT的耐壓要求，使UPS對不同性質(zhì)負(fù)載的適應(yīng)性最強(qiáng)。

4.3 獨(dú)特可靠的并機(jī)技術(shù)?：4.3.1UPS采用高速的微處理器運(yùn)算為基礎(chǔ)的數(shù)字化設(shè)計(jì)，獨(dú)特的熱補(bǔ)償運(yùn)算控制和直接并機(jī)技術(shù)，對于并機(jī)系統(tǒng)中的各臺UPS，均處于完全“平等”的調(diào)控狀態(tài)之中。

4.3.2采用獨(dú)特的同步相位調(diào)制法，每臺UPS“智能”地將位于并機(jī)系統(tǒng)中的各臺UPS的同步跟蹤調(diào)到最佳狀態(tài)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)所帶的負(fù)載百分比，實(shí)現(xiàn)高精度的負(fù)載均分。

4.3.3在并機(jī)系統(tǒng)使用中，如其中一臺UPS發(fā)生故障時(shí)，該故障的UPS會(huì)迅速、可靠地從并機(jī)系統(tǒng)中脫機(jī)，從而確保并機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)提供用戶高質(zhì)量的逆變電源。

結(jié)論：本文詳細(xì)描述了用戶的需求、方案設(shè)計(jì)、方案原理、如何配置及UPS的產(chǎn)品介紹等，充分展示了UPS在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的成熟應(yīng)用。整體方案的特點(diǎn)如下：?1.解決了UPS與電機(jī)的搭配問題，貼近用戶需求。?2.電池?cái)?shù)量按照實(shí)際功率計(jì)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(jī)UPS，可隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，方便經(jīng)濟(jì)擴(kuò)容。

參考文獻(xiàn)

[1]數(shù)據(jù)中心機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)改建設(shè)計(jì)[J]. 王義曉，羅志剛，蔡云富. 智能機(jī)器人. 2016（10）

湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430000