2021数据中心供电问题的分析
数据中心机房数据中心机房 UPS 供电问题分析供电问题分析 1* 一、 IDC机房中 UPS供电系统现状 和值得思考的问题 二、当前 UPS供电系统设计和配 置中存在的若干问题 目录 2* 市电 1 市电 2 ATS 柴油发电机 ATS 交流输入系统 UPS主机； 输入输出配电； 输入输出滤波器； 输出 STS转换开关； 线缆传输； 变压器； 电池阻； UPS供电系统 负载 一、 UPS供电系统现状和值得思考的问题 3* 当前 UPS供电系统典型结构示意图 逆变器工作波形 AC/DC （ 6脉冲） 5、 7次 无源滤波 配电 DC/AC 全桥或半桥 PWC控制 配电 滤波器 变压器 UPS输出电压 AC220V/50HZ 负载电流 PF=0.6 CF3 UPS输入电流 PF=0.7 THDI≥ 30% 直流母线电压 DC300V±20 % 计算机负载器件电压： 全桥 380V 半桥 760V 传统 UPS系统结构 电池组 4* （ 1）系统可靠性问题 ： 系统复杂、单路经故障点多、设备可靠性差、维护难度大等。 （ 2）系统电流谐波干扰问题： 系统中存在两个谐波源 -负载开关电源和 UPS。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波 设备、降低输入功率因数和能源利用率、对地线系统提出苛刻要求等。 （ 3）系统成本和能源消耗问题： 能源两次转换降低了效率、系统复杂性提高了购置成本和运行成本、电流谐波的存在 增加了滤波设备、输入功率因数的低下降低了系统设备容量利用率。 （ 4）系统标准化问题： 系统复杂为标准化带来困难，系统设计建造停留在手工业阶段。 （ 5）系统的灵活性和可扩展、变更问题： 以计划容量一次性投入、难以变更和扩展，缩短了生命周期。 （ 6）系统使用维护难度问题： 要求较高的维护水平，多供应商和非标准化使故障修复困难。 当前 UPS供电系统存在的问题 5* 与安全有关的两大问题决定了传统 UPS技术的发展 1. 系统的可用性： 可靠性低，造成系统不可预 见的突发性故障； 2. 谐波干扰： 造成系统隐性故障； 6* 谐波电流对系统和电网的污染 1、 谐 波 电 流是 UPS输 入功率因数低的主要原因： 2、输入功率因数低是降低电能利用率和系统工作效率低的原因之一 ： 在电压是正弦波的情况下，所有的谐波电流形成的功率都是无功的 3、谐波是中线电流大的主要原因： 所有的 3次及 3的整数倍 3n次谐波电流在中线上都是同相位迭加的 ； 4、电流峰值因数对供电设备和传输导线容量的影响： 增大传输损耗； 5、谐波电流对供电系统的污染： 1）、使设备和元件产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电效率； 2）、加速电缆绝缘老化，缩短使用寿命； 3）、干扰由同一电网供电的其它电气设备的正常工作； 4）、引起局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大； 5）、导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确； 6）、对通信和计算机系统产生干扰； 7* UPS供电系统的谐波治理 ： 谐波治理是 UPS设备性能改进和供电系统配置研究的重要 的课题。 治理措施： 增大电力系统的供电容量和传输电缆、开关等设备容量； 改变变压器的配置和不同的方式联接方式； 在系统中和设备内部配置无源滤波器； 在 UPS设备输入端采用输入功率因数校正电路 -PFC 在系统或设备输入端配置有源滤波器 8* 降低和治理系统谐波电流方法之一： 12脉冲整流 +无源滤波器 逆变器工作波形 配电 DC/AC 全桥或半桥 PWC控制 配电 滤波器 变压器 UPS输出电压 AC220V/50HZ 负载电流 PF=0.6 CF3直流母线电压 AC/DC12 脉冲整流 11次无源 滤波 PF=0.95 THDI≤ 10% DC300V±1 5% 计算机负载器件电压： 全桥 380V 半桥 760V 电池组 存在问题： 1，增加系统成本； 2，负载减轻时，无源滤波效果不好 9* 降低治理系统谐波电流方法之二： PFC高频整流 逆变器工作波形 配电 DC/AC全桥或半桥 PWC控制 配电 滤波器 变压器 UPS输出电压 AC220V/50HZ 负载电流 PF=0.6 CF3直流母线电压 PFC整流 PF=0.99 THDI≤ 5% DC300V±1 5% 计算机负载器件电压： 全桥 380V 半桥 760V 电池组 1，与 UPS配套 2，当前的器件水平可做到 120KVA 10* 降低治理系统谐波电流方法之三： 混合型有源滤波器 逆变器工作波形 AC/DC （ 6脉冲）有源滤波 配电 DC/AC 全桥或半桥 PWC控制 配电 滤波器 变压器 UPS输出电压 AC220V/50HZ 负载电流 PF=0.6 CF3 UPS输入电流 PF=0.7 THDI≥ 30% 直流母线电压 PF=0.99 THDI≤ 5% DC300V±1 5% 计算机负载器件电压： 全桥 380V 半桥 760V APF 电池组 可放在 UPS前端，也可放在整个系统前端 11* 提高系统可用性方法之一： 单机冗余并机系统 AC/DC （ 6脉冲） 5、 7次 无源滤波 DC/AC 全桥或半桥 PWC控制 配电 配电 滤波器 变压器 计算机负载 AC/DC （ 6脉冲） 5、 7次 无源滤波 DC/AC全桥或半桥 PWC控制 并机控制 电池组 电池组 12* 配电 配电 滤波器 变压器 计算机负载 AC/DC （ 6脉冲） 5、 7次 无源滤波 DC/AC 全桥或半桥 PWC控制 配电 配电滤波器 变压器 AC/DC （ 6脉冲） 5、 7次 无源滤波 DC/AC 全桥或半桥 PWC控制 并机控制 STS 电池组 电池组 提高系统可用性方法之二： 双总线冗余并机系统 13* 提高系统可用性方法之三： 单机模块化 UPS N+1冗余配置 可在线热插拔，最大限度降 低故障修复时间 可用性 = MTBF MTBF+MTTR 14* 提高系统可用性方法之四： 集成化 UPS供电系统结构框图 ATS1 柴油发 电机 ATS2 市电 1 市电 2 模块热 插拔冗 余 n+1 UPS 模块热 插拔冗 余 n+1 UPS STS 变 压 器 变 压 器 输 出 配 电 服务器 服务器单电源负载 ATS PDU 输入 配电 ATS 输入 配电 ATS STS 双电源负载 PDU 输 出 配 电 à 供电设备制造和供应渠道的统一化； à 设备结构的一体化和连接的规范化； à 各设备和环节状态管理的集中化； à 各设备和环节结构的模块化、冗余配置和连接的热插拔功能。 15* 提高系统可用性方法之五： 智能监控与管理： 是提高管理水平的辅助手段， 可提前发现故障隐患，减少故障发生的概率， 防 患于未然 。 1. 自检 功能：定期的自检功能，以防患于未然 ； 2. UPS远程诊断与维护 功能：远程检查 UPS状态、查询预警信息 ； 3. 自动关机 功能： UPS执行定制化的数椐保护功能 ； 4. 自动报警 功能： UPS系统故障时，通过电子邮件 、 寻呼 、 弹出式信息等 方式实时通知系统管理员。 16* 当前 UPS供电系统结构图 逆变器工作波形 AC/DC （ 6脉冲） AC/DC 12脉冲 PFC整流 11次无源滤波 5、 7次 无源滤波 有源滤波 配电 DC/AC全桥或半桥 PWC控制 配电 滤波器 变压器 UPS输出电压 AC220V/50HZ 负载电流 PF=0.6 CF3 UPS输入电流 PF=0.7 THDI≥ 30% 直流母线电压 PF=0.99 THDI≤ 5% PF=0.99 THDI≤ 5% PF=0.95 THDI≤ 10% DC300V±1 5% 计算机负载 主机模块化 系统冗余结构 ----STS 智能管理 集成化系统 器件电压： 全桥 380V 半桥 760V 电池组 17* 值得思考的问题： 传统的 UPS供电系统方案已经走过了 50年， IDC供电 系统设计建造的现状和趋势是： u 系统不断复杂化； u 设备堆积、结构臃肿； u 成本不断攀升； u 效率难以再有效提高； u 五花八门，难以标准化。 u 运维难度越来越大 系统可靠性差是造成以上现象的根本原因 18* 值得思考的问题之一：可靠性问题 3、用户感觉到 UPS系统故障的频率不亚于市电掉电故障的频率； 平均每年一次市电掉电有 UPS系统保护； 而 UPS系统故障由谁保护呢？！ 1、负载对系统可靠性要求提高，是因为 UPS系统的可靠性不高 2、在系统正常的情况下，市电掉电时可保护负载不间断地继续供电 ； 市电掉电和系统故障发生在同一时刻的可能性不大； 但市电正常，系统本身故障却没有确有把握的保护！ 19* 值得思考的问题之二：谐波源治理问题 u 系统中的谐波是 负载和 UPS设备自身产生的， 而不是电网带来的； u 供电系统为治理电流谐波付出的代价是巨大的； u 有没有更有效的消除电流谐波源的办法呢？ 17 20* 值得思考的问题之三：建造成本 系统建造和运行成本还要继续升高吗？！ u 治理谐波电流要增加有源或无源滤波器； u 要提高设备可靠性，冗余并机使 UPS设备购置成本加倍 ； u 要提高系统可靠性，双总线冗余配置使设备购置成本 再加倍； u 要降低零地电压差，需要再配置隔离变压器，提高电 缆规格； 21* 值得思考的问题之四：能源效率 系统运行的能源效率还有提升的余地吗？！ u 提高设备工作效率、降低系统中电流谐波形成的无功 功率，对提高系统能源效率起到了一定的作用； u 但设备轻载工作、 UPS冗余配置、系统双总线配置等提 高可靠性的措施，又明显地提高了系统消耗的功率； 系统复杂性本身造成了系统能源消耗不断增大 的趋势 22* 值得思考的问题之五：维护使用难度 系统维护难度大的原因是： u 系统复杂； u 可靠性差； u 没有标准化； 系统故障总数中的 50%以上是由于系统中各环节和设备 的安装问题、人为操作和维护问题引起的！ 23* 值得思考的问题之六：适应性 系统的适应性有多大讨论的空间呢？！ • 当经济环境的变化周期小于设备的生命周期时，就 会对设备的适应性提出要求。 • 但由于技术发展和经济环境的不确定性和不可预测 性，要求一台设备能够自动而有准备地适应新的需求是 根本不可能的。 24* 值得思考的问题之七：标准化问题 难道系统标准化永远是句口号吗？！ u 其他行业中标准化的观念已上升到一个新的高度，成为了一种富 有创造性并具有突出战略意义的企业哲学。 u IDC机房的标准几乎没有什么进展。还停留在手工行业阶段：将来自 不同供应商的不兼容的设备进行定制化设计，组合成一个独特的大型基 础设施系统。因而产生了难以设计、部署、维护和管理的系统 ； u 所有应用技术和产品最终都是用商业价值决定优劣的； 价值 可用性 适应性 总拥有成本 u 标准化对提高可用性、提 高适应性和降低总拥有成本起 着重要的作用； 25* 值得思考的问题之八： 正确地选用配置 UPS u 根据需要确定选用标准； u 计算机对 UPS电性能指标要求并不高； u 任何高指标都是要以提高成本和降低可靠性 为代价的； u 屏蔽和排除厂家的误导； 26* 一、 IDC机房中 UPS供电系统现状 和值得思考的问题 二、当前 UPS供电系统设计和配 置中存在的若干问题 目录 27* 二、 UPS系统设计和应用中存在的若干问题 1. 计算机类负载对 UPS电性能指标要求不高； 2. 先进 UPS 的性能指标是什么； 3. 如何衡量设备的可靠性； 4. 可靠性与可用性的区别； 5. 系统的模块化与标准化； 6. 关于系统模块化的概念讨论； 7. 隔离变压器在供电系统中的功能 -无输出变压器 UPS的优缺点 ； 8. 系统零地电压差的产生与治理； 9. UPS 供电系统方案的选择； 28* 二、 UPS系统设计和应用中存在的若干问题 10. 双输入电源负载特性； 11. 双总线系统的单路径故障点与新的配置方法； 12. 高可用级别的双总线系统； 13. 冗余系统中再冗余对可用性的影响； 14. 低成本的双总线系统； 15. 油机再冗余对可用性的影响； 16. UPS输出功率因数与实际带载能力； 17. 关于 UPS输入阻抗性质（ PF≠1 、容性还是感性）； 18. UPS输入电流谐波污染与抑制方法； 29* 二、 UPS系统设计和应用中存在的若干问题 19. 机房接地问题； 20. 油机与不停电系统； 21. 关于 UPS输入电压变化范围； 22. 数据中心输入消耗能源分布与节能问题； 23. IT系统交流输入环节不能加漏电保护器； 24. 隔离变压器启动短路问题； 25. 关于参数稳压器在系统中的配置问题； 30*
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