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数据中心如何构建节能的UPS供电系统

[日期:2014-03-26]   来源:UPS应用  作者:   阅读:410次[字体: ]

由于IT技术的飞速发展,信息化建设已是一个巨大工程,比如金融和电信的数据大集中不仅仅是效率的提高,也将是管理模式和业务流量的全新变革,所以当前数据中心的建设可以用雨后春笋来比喻,据有关资料介绍,截至2012年已有数据中心机房53.2万多个。其间的规模已不仅仅是几十平米、几百平米,而是几千平几万平米,甚至是几十万平米的工业园。因此其用电量也远远超出了原来的想象,已成为用电大户。
  
  从2009年到2012年中国数据中心耗电量的递增情况,从表中可以明显地看出几乎每年都按14.8%的规律增长,图1更直观地示出了这几年的递增情况几乎是一条直线。
  
  从表1和图1可以看出2012年用电1634亿度,也就是对应186.4万千瓦,如果用负载功率因数为0.8的400kVA工频机UPS就是4661台,如果平均效率按90%计算,那么仅电源这一项就白白浪费掉163.4亿度电。当前我国发电还以活了发电为主,火力发电又以煤炭为主。有资料计算每发1度电就需要1kg原煤,折算过来这就是163.4亿公斤原煤,即16340吨原煤。当今节能的高频机UPS其效率约为95%,一般比工频机UPS高5%,即可节约8170吨原煤。有资料介绍:烧一顿原煤可产生1600′S%kgSO2,10,000m3废气,这是多么大的经济效益和社会效益啊!如果不节约这8170吨原煤,又是何等的状况!首先这8170吨原煤
  
  来之不易,更何况任其肆意污染环境呢!这是一个值得深思的问题。尤其是数据中心的发展并未停止,任意表2的估计规律在膨胀,到2014年用电量可望达到2210亿度,如不预先采取措施,将是一个很难收拾的局面。
  
  所以数据中心的节能问题已是刻不容缓!
  
  节能建设第一步——选择节能的产品
  
  1.节能减排是我国的基本国策
  
  国务院国有资产监督管理委员会研究局副局长楚序平在“2009绿色通信与节能创新研讨会”上指出:中央通信企业在采购中要实施“三优先”:
  
  *优先采购节能的通信设备和产品
  
  *优先采购低排放的设备和产品
  
  *优先采购复合循环经济理念的设备和产品
  
  这就是选择产品的方向,当然这不仅仅指的是通信设备,各行各业都应以此为指南。不言而喻,在当今选择UPS产品时只有高频机型UPS能够满足上述要求。同样是100kW的容量,如果效率以相差5个百分点计算。高频机型UPS每年就可以比工频机型UPS节约5万度电。
  
  根据不完全统计,目前有300万台以上服务器在运行,300万每台耗电以400W计,总功率P就是:
  
  P=300′104台′400W=80000′104W=1200,000kW
  
  以往的IT设备输入功率因数为0.6~0.7,取中间值就是0.65,将上述功率折算过来就是:
  
  1200,000kW/0.65?1846154kVA,如果不考虑其它因素只考虑全匹配的情况,大略比较一下:某300kVA工频机型UPS的重量是2.2T,而某300kVA高频机型UPS的重量仅是830kg,相差1.4T.1846154kVA要用6154台300kW容量的UPS,工频机型UPS就比高频机型UPS重了1.4T′6154=8615.6T!换言之,工频机型UPS比高频机型UPS多用了八千六百多吨的材料,这些材料都是钢铁、高纯度的铜、金、银以及稀有金属和稀土元素,生产出这么多的材料需要花费多少人力、物力和燃料!这些材料从开采到运输到冶炼到提纯等等需要多少人力和物力!排放出多少有害的气体!如果节约下来又是何等的经济效益和社会效益!
  
  再从效率上说,如前所述,高频机型UPS的效率要比工频机型UPS高上5个百分点,一般工频机型UPS的效率很难达到90%,就以90%计,按照上面的例子工频机型UPS就要消耗120000kW,而高频机型UPS才消耗60000kW,比工频机型UPS少消耗了50%,即60000kW,有资料介绍说发电厂发一度电就需要1kg的原煤,一年下来这60000kW耗电就是60000kW′8765h=52,200,000度电,就是近60000吨原煤。可以看出,高频机型UPS近九千吨高价材料和六万吨煤的节约量是何等的奇观!难道不让人心动吗!
  
  所以高频机UPS备受推崇就是因为它节能。如前所述,材料的节约就是对能量的节约,这是一方面;效率的提高是长期的,比如有的数据中心每年的电费就以“亿”计算。所以有的用户在招标中声称‘即使一个百分点的效率我也要争’,能量节省了,有害气体的排放也就减少了,意义也就在这里。
  
  2.为什么高频机UPS终究要替代工频机UPS
  
  从计算机诞生的那一时代开始,不间断电源就是它的孪生兄弟。几十年来大半部分时间就是就是这种工频机UPS为计算机保驾护航,才使得IT技术稳步发展。可以说工频机UPS为IT技术的发展立下了汗马功劳。但工频机UPS机不是文物也不是古董,而是一种技术设备,技术是要发展的。历史的规律就是新的代替旧的,因为旧的一旦妨碍了生产力的发展就会被新的淘汰。那么工频机UPS的哪些方面阻碍了生产力的发展呢?如前所述,首先是耗材,如图2(a)所示,工频机输出端庞大的变压器是一个典型的耗材耗能的装置。而图2(b)所示的高频机UPS就取消了这个变压器。有人说这个变压器抗*,这是一种误解。这个变压器的作用只有两点:产生隔离接地点和变压,在三相中必须是D-Y(角星或角星)接法时才可消除三次谐波。可惜逆变器输出波形中没有*可抗。
  
  从工频机UPS输入电路上看,如图3所示,一般容量的标准配置是“6脉冲”输入整流器,如图所示的虚线框内部分。这种结构效率可达90%以上,但此时的输入功率因数只
  
  有0.8左右,换言之器输入谐波电流达30%以上。这个数值标志着破坏了电网电压的正弦波波形,对外*大和增加了无功功率对线路的占空比,限制了供电局对外输出的有效功率。因此供电局一般都对用户提出了输入功率因数必须大于0.9的要求,否则就罚款。如果增加整流脉冲的个数就可提高输入功率因数。因此就出现了12脉冲整流器输入的UPS.如图3所示。这种电路的结构特点就是在原有电路的基础上再加一套6脉冲整流器,另外再加一个移相变压器。这样做了以后可将输入功率因数提高到0.9,如果再加11次谐波滤波器,又可将输入功率因数提高到0.95以上。这样做的代价有多大呢?某典型300kVA的UPS在6脉冲整流器时是1600kg,变成12脉冲整流器后重量是2200kg,增加了600kg.400kVA的UPS变成12脉冲整流器后则加了650kg!而某品牌300kVA的UPS才重830kg!相差何其悬殊!
  
  为了将输入功率因数进一步提高,有的专家提出了24相整流方案,整流脉冲可达24个之多,输入功率因数可达0.99以上。
  
  (c)24相整流自耦变压器结构原理图
  
  相输入整流方案
  
  器式24相整流工频机UPS输入整流器和采用平衡电感的自耦变压器式24相整流工频机UPS输入整流器,图4(c)所示为24相整流自耦变压器结构原理图。图4电路和变压器的有效结合无疑可以实现0.99以上的输入功率因数指标,但其结构复杂程度使制造的困难加大,并且仍未脱离耗电耗材的弊病。所以这种方案直至现在牙只能在实验室内“金屋藏娇”。
  
  而高频机UPS完全克服了这些缺点
  
  三相高频机UPS主电路结构原理图
  
  3.几种高频机UPS的结构的种类
  
  (1)在线互动式
  
  两个电路就是在线互动式电原理图,从图中可以看出它们是后备式的工作方式在线的效果。
  
  电路所以是在线的效果,其标志就是在任何时候它的输出电压波形都是正弦波,其继电器的切换时间也很短,只有2ms.尽管其输出电压稳定度只有±12%,这对一般电子负载已足够了。
  
  通过两个原始电压的交****供电使输出电压达到一定稳定度的电源。这里的两个“原始电压”一个是输入电压,一个是由双向变换器产生的输出变压器电压。其结构是带数个抽头的输出变压器,其交****工作原理是:当输入或输出电压范围超出规定要求时,为了稳压抽头继电器就会自动切换抽头位置,当即电器触点离开原来抽头但还没有接触到下一个抽头时,双向变换器启动产生一个输出电压以填补抽头换接过程的断电时间。抽头换接过程完毕后双向变换器自动关闭,重新回到市电供电模式。
  
  (2)串并联调整式
  
  串并联调整式也称Delta变换式,这是一种由电流源(Delta变换器)与电压源(主变换器)构成并联连续补偿向负载供电的一种在线式UPS,属高频机范畴。其输出电压稳定度是1%,如图5.4所示。在市电正常范围供电时作为电流源的Delta变换器主要向负载提供有功功率,而与其并联供电的主变换器只提供无功功率和负载突变式的补偿功率。当市电异常时,Delta变换器关闭而改由主变换器提供全部负载功率。在这里Delta变换器和主变换器均具双向变换的功能。主变换器给电池充电,而充电的时机和充电电平则由Delta变换器控制。该电路最大的特点就是用20%的功率去控制100%的负载功率。
  
  上文中提到,打造节能的数据中心供电系统,第一步就是要选择节能的产品,在当今选择UPS产品时只有高频机型UPS能够满足这一要求。除此之外,如果再规划简洁的配电系统,加之设计节能的运行模式,就能够达到更好的节能效果。
  
  规划简洁的配电系统
  
  有了节能的供电设备,如果没有很好地规划设备的连接和配置也得不到好的节能效果。
  
  尤其是有的用户认为可靠性是用钱堆起来的,认为设备越多可靠性越高。实际上设备越多增加的串联环节就越多,相应地可靠性也越低!如图9所示就是高频机型UPS供电臃肿系统的一个例子,说它臃肿是因为这本来是一个很节能的供电系统,两台高频机型UPS冗余并联后给负载供电,简单明了。可单单设计者又给UPS后面串联了大功率变压器,又串入了两台大容量STS,致使效率至少损失了4%~5%,不但投资增加很多,占地面积也大为增加。为什么会这样规划呢?原因是设计者机械地理解了美国的G4标准,认为只有做成所谓的双总线,系统才可靠,这就陷入了用过多设备堆积可靠性的误区。实际上图9的每一路供电路径上多了两个故障点:变压器和STS.可靠性下降了数倍。世界上十全十美的东西太少了,就是说,增加了这方面的功能却牺牲了另一方面的功能,这就是有得有失的道理。
  
  采用1+2结构模式,这里虽多了一台UPS,但却少了两台变压器和两台STS,要知道一台STS要比同容量的UPS贵得多。而且第三台UPS的引入,不但使系统可靠性大为增加,而且也是系统的过载能力又增加了一倍。
  
  当然,多台UPS冗余并联虽是提高了可靠性,但也带来了负面影响,那就是使系统效率降低了,因为原来两台工作时各为50%负载,当3台工作时,每台的带载量才仅有三分之一。为此可采用图11的改良式1+2节能供电方式。在这里高频机3UPS在正常时处在转换开关ZS的中间空档位置,其他两台UPS按50%方式供电,处于效率最高点。任一台UPS故障,3UPS就接通到故障设备的一方。提高了可靠性也提高了运行效率。
  
  另外,双总线采用STS还有另一层意思,那就是当一台UPS故障时就可以利用STS将另一台UPS转接过来,如图12双机双总线1所示。但为了这一点功能就采用两台STS未免小题大做。
  
  用一只母联开关即可。在两路UPS正常工作时,母联开关是断开状态。当其中一台UPS故障时,母联开关闭合,也达到了上述目的。这一改变也并非无足轻重。如果母联开关采用电子式,即静态开关,其设备量大为减少,如图13所示。
  
  同样的大功率可控硅,两台STS就用了24支,而一个母联开关只用了6只,节约了18支的设备量和功耗,也极大地减小了占地面积。
  
  设计节能的运行模式
  
  有了节能的产品,设计了简洁的供配电系统,如果再规划出节能的运行模式,这样步步为营、步步节能的供配电方式就可得出很好的节能效果。图14所示为一个500kVA的负载用双总线供电的例子。这里采用了2台550kVA的模块化UPS,每台550kVA的模块化UPS机壳中有两台275kVA的模块化UPS,为了提高效率,在正常供电时就可以令其中一台275kVA的模块化UPS休眠,形成2+1工作模式。而且随着负载的减小还可以工作在1+1模式。
  
  节能运行方式是在电网电压稳定在指定范围时接通旁路开关,和ECO工作方式不同的是,此时逆变器并不关机,而是出于一种类似休眠地等待状态,它的功能类似于无功功率补偿,能把电网中突变之类的*抑制掉。这时的效率可达97%以上,又进一步节约了能量。
  
  好多IT设备都是双电源供电,所以往往双总线供电方式有不少是采用两套塔式单机供电,如图15所示。在此情况下大都采用两台UPS各供50%的配电方式,这样做的结果不能使效率达到最高点。一般效率最高点往往不是在100%功率,而是在70%~100%之间。如果两台UPS均分负载,那么各自的负载量均小于50%,这样一来,效率就更低了。这就可以改变一下供电分配方式。比如令图15中的UPS1全额供电,一般都小于额定负载量。而令UPS2休眠,但处于热备份状态。这样一来,UPS1此时几乎处于效率最高点。当然会有的提出这样的问题,将原来的一般负载改成全额负载岂不是UPS的寿命降低了?非也。任何一台UPS的寿命都是设计在全额负载情况下的选定的,全额负载运行是UPS的本分,如果UPS没有这个能力,那就是这台UPS不合格。
  
  又有的人可能提出第二个问题,如果UPS1过载时UPS2接续不上怎么办?首先在选择UPS容量时,一般都选择UPS的容量要大于额定负载一定量,所以一般不会过载;另一方面,可设定UPS2在UPS1带载量超过90%时苏醒,这只是一个设置问题。况且UPS2是休眠而不是关机,是在热备份,所以投入工作很快。第三,任何一台UPS都有过载到125%额定负载可坚持10min和过载到150%坚持30s的能力,这对于UPS2的投入运行速度打开方便之门。
  
  当然,节能运行方式很多。总之,实现节能供电的要点就是:
  
  要具有正确的节能意识,那种用种种借口拒绝使用节能设备的做法应该慎重。
  
  选择节能的供电设备,不要听外界的一些贬低节能设备的说法,自己要有主意或请专家咨询,当然这里指的是真正的专家。
  
  规划简洁(而不是臃肿)的供配电方式。慎重听取各方面的意见,一般厂家作的方案要慎重考虑,结合自己的应用特点,以简洁为佳。
  
  设计节能的运行方式。并不是所有设备都有这种节能运行方式,节能运行方式一般是设计在UPS上的,是标配的功能。

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