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信息网络机房用超大型UPS供电系统的技术发展的新动向

2006/4/30    来源:中国电源网    作者:李成章      
关键字:UPS  艾默生  IDC机房  供电系统  技术动向  
近年来,为了确保位于IDC机房中的各种网络设备均能实现365×24小时的高效、可靠和安全的运行,网络能源设备供应商及其相关的设计院采用了多种新技术和措施来不断地完善其端到端的一体化UPS供电系统的设计方案。本文就是从技术层面介绍在信息网络机房中所使用的超大型UPS发展的动向。

    0、引言
 
    为了确保位于IDC机房中的各种网络设备均能处于7×24小时不间断的、高效的、可靠的和安全的运行状态之中,近年来,网络能源设备供应商及其相关的设计院采用了9种新技术和措施来不断地完善其端到端的一体化UPS供电系统的设计方案。在此基础上,为IDC机房建立起一套具有世界领先技术水平的、最大供电能力高达6000kVA的超大型的UPS供电系统,它采用的是双总线输入+负载同步控制器+负载自动切换开关+能提供计算机级的局部净化接地系统的UPS双总线输出供配电系统的设计方案。这种端到端的一体化UPS供电系统不仅可以消除各种可能出现的单点瓶颈故障隐患,确保馈送到各IT设备的输入电源的零线对地线的电位<1V。而且,还具有向位于IDC机房中的各种IT设备连续不间断地提供高品质的UPS逆变器电源的能力,允许机房维护人员在逆变器电源连续供电的条件下、执行不带电的安全维护/维修操作,允许值班人员通过智能化的楼宇监控系统随时远程监控其运行状态及调阅各种运行参数和相关的报警信息等诸多优点。这样一来,就能消除因UPS供电系统进入交流旁路供电状态(包括交流静态旁路和维修旁路供电状态)而导致的网络瘫痪故障隐患发生,从而达到确保用户的重要的信息始终处于高度安全和可靠的保护状态之中的目的。

    1、信息网络机房用UPS供电系统所应有的基本特性

    互联网/电信网控中心用的IDC机房承担着向各类网站、企业和用户连续地提供能处理、存储和传送突发性大的数据吞吐量的,高数据传输率的,高速宽带的互联网增值服务任务,从而使得各类用户均能在信息网络上顺利地执行各种信息资源(数据,语音和图形等)的处理、存储、交换操作,并成为完成各种网管功能的网络枢纽调控中心。鉴于当今被安装于信息网络机房内的绝大多数IT设备(服务器、小型机、交换机、光端机、网关、磁盘阵列机和通信设备)所允许的瞬间供电中断时间仅为15~20ms左右。这就意味着:对于在关键性的IDC机房中所用的UPS供电系统而言,在它的运行中、如果出现超过0.02s以上瞬间供电中断的故障时,就会造成网络瘫痪事故发生。大量的统计资料表明:一旦发生网络瘫痪,要想让整个网络重新恢复正常工作往往需耗时几十min~几h。众所周知:当今的社会生活对信息网络的依赖程度越深,由网络瘫痪所造成的危害性也越大。对于关键的信息网络而言,即使只有一个重要的关键性的服务器发生瘫痪故障,就可能带来巨大的经济损失和对公司信誉度的严重损伤。例如:对于电信行业所用的IDC机房来说,由于它们的话费收费系统和电话号码等信息资源的查询系统均是由UPS供电系统来负责供电的。因此,一旦其UPS供电系统因故发生输出停电事故,就有可能造成上述网管系统出现长达几十min的瘫痪。由此就可能给企业带来数百万元的直接经济损失和大量的用户投诉。显然,后者必然会导致公司因用户对它的信誉度的下降而带来难以估量的间接经济损失。基于上述原因:对于负责向信息网络机房供电的UPS供电系统而言,应满足如下基本要求。

    1.1 输出隔离

    采用带输出隔离变压器的双变换、在线式UPS来逆变器电源,如图1所示。


图1 带输出隔离变压器的双变换、在线式UPS的控制框图

    大量的运行实践表明:只有带输出隔离变压器的双变换、在线式UPS电源才有可能向IT机房提供同时具有稳压的、连续供电的、无频率突变的、无干扰的、无波形失真的、零线对地线电位低的正弦波电源(熟悉IDC机房运行的人士都知道,为确保服务器、小型机等能高效运行的前提之一是:供电系统的零线对地线电位<1V)。其中稳压和连续供电的两种特性是确保IT硬件安全运行的前提条件,而后4种特性则是确保IT设备在数据处理、存储和传送操作的全过程中实现高速宽带、可靠操作的必要条件(降低误码率及逻辑操作错)。有鉴于此,在IT机房中不宜选用价格便宜的非在线式UPS或不带输出隔离变压器的UPS(它的零线对地线电位偏高)。

    1.2 稳重性

    为确保信息网络所运行的数据安全、对于设计优良的UPS供电系统而言,是不允许它进入交流旁路供电的工作状态的。这是因为:一旦UPS进入交流旁路供电的工作状态时(包括交流静态旁路和维修旁路),此时用户的所有关键性负载都是由毫无安全保障的低质量的普通的市电电源来供电的。这样一来,就会对信息网络的安全运行带来以下的严重故障隐患。

    (1)当输入电源出现闪断型的停电故障(瞬时停电>20ms)或者输入电源的电压波动范围超过±10%时,信息网络设备关机或者莫明其妙地开机自检误动作,从而导致网络瘫痪发生。这种危险性易于发生在公用电网上因故发生停电/短路故障时,重者就会因长时间的停电而造成信息网络设备关机,轻者就会因信息网络设备执行莫明其妙地开机自检误动作而造成网络瘫痪。此外,对于未采用双总线输出设计方案的UPS供电系统来说,一旦在UPS的输出端因故出现严重过载或者短路故障时,就会因断路器开关的跳闸时间或者熔断器的熔断时间(长达几十~几百ms左右)超过IT设备所容许的20ms时限、从而导致网络瘫痪故障发生)。

    (2)串入的各种电源干扰,使得IT设备的误码率增大、逻辑操作错,从而导致信息网络的有效运行速率急剧下降或者信息网络设备莫明其妙地死机(网络瘫痪)。

    1.3 运行条件

    对于IDC机房用的供电系统来说,当它工作在恶劣的运行条件时(例:在它的输入电源端上出现高能浪涌或者频率突变时;在其UPS输入端出现短路故障时;在UPS电源的输出端有很大的非线性负载投入等恶劣工作环境时),能否确保UPS供电系统继续稳定可靠地工作在逆变器供电状态,也是能否消除网络瘫痪故障隐患的重要条件之一。

    为确保某公司的IDC机房能长期安全、可靠地运行,艾默生公司在充分地总结国内外IDC机房运行的成功经验及事故教训的基础上,提出一整套性能优越、设计功能完善的端到端的一体化UPS供电系统的设计方案(它包括从高压变压器的低压侧起,直到最终IT设备端所需的全套供电设备)。这样的一体化UPS供电系统可向用户的枢纽、核心的IDC机房长期地提供可利用率高达99.99999996%的高品质的UPS逆变器电源(年平均的停电时间小于14ms左右)。

    2、适应信息网络时代需求的UPS电源的技术发展新动向

    为了确保在信息网络上所处理、存储、传输的数据的连续性、完整性、准确性,有必要研究信息网络(IT)设备与UPS电源之间的相互影响问题,以便能有针对性地改进UPS供电系统的特性来适应当代IT设备的技术需求。有关IT设备对UPS的要求可大致归纳如下。
    2.1 输出过载能力

    IT设备所允许的瞬间供电中断时间约为15~20ms左右,为防止出现网络瘫痪故障隐患,UPS的逆变器应具有极强的抗输出过载能力。

    大型UPS典型的抗输出过载能力为:110%,1h;125%,10min;150%,1min。在实际工作中,为确保UPS能长期安全可靠地运行,所推荐的最大负载量一般为60%~80%UPS额定输出功率。因此,当UPS进入稳态工作状态后,它是不会出现过载现象的。造成UPS输出过载的重要原因之一是,在UPS输出端有大负载的整流滤波型负载投入时所形成的开机启动浪涌电流。例如:PC机和服务器的启动浪涌电流是它们的稳态电流的1.8~4倍。如图2所示,普通的UPS电源在带整流滤波型非线性负载(例:服务器、小型机、磁盘阵列机等)时,虽然从UPS的逆变器所输出的电压波是正弦波,然而,对于普通PC机而言,出现在UPS输出端的电流波却是脉宽为6ms左右的钟形波,对于带输出隔离变压器的UPS来说,当它在带PC型负载时的输出电流的峰值比(电流峰值同电流有效值之比)=2.6-2.8;当它在带具有输入功率校正功能的服务器、小型机、磁盘阵列等高档IT设备时的输出电流的峰值比=1.8-2.2左右。这就意味着,UPS在带相同功率的负载的条件下,同带电阻性负载(峰值比=1.4)相比,它的负载电流的峰值偏大,从而致使UPS的逆变器发生输出过载的几率将会有所增大。显而易见,由此必然会导致UPS转向交流旁路工作状态的几率增大。为确保当整流滤波型非线性负载在开机启动时,UPS既能提供足够大的瞬态过载输出电流,又能确保它不会进入交流旁路工作状态,目前有两种技术手段。


(a) PC机,网关、家电用品和通信电源          (b) 带PFC的服务器、小型机和通信电源
图2 单相的整流滤波型非线性负载的典型工作波形

    1)过去为解决此问题,常采用提高UPS电源的输出过流阈值的办法来增强其抗输出过载能力。也就是说:通过提高输出电流的有效值的办法来提高其抗输出过载能力。例如:从150%,30s提高到200%,5s或300%,200ms等。为此,就必须增大UPS逆变器的IGBT功率放大管的功率裕量和增如它的输出隔离变压器的输出功率,增大风扇的冷却功率等技术措施。前者会造成UPS产品的生产成本的增高,降低产品的市场竞争力;后者会造成UPS的噪音增大。

    2)艾默生公司所采用的技术措施是在确保UPS获得相同的瞬态输出功率和基本不提高其输出电流的有效值的前提下,采用扩宽输出电流脉冲的宽度,降低UPS的输出电流的峰值的办法来提高UPS的抗输出过载能力(采用瞬态峰值电流限流技术设计方案的UPS,如图3所示)。由此所带来的明显优点是,将可能出现在UPS输出端的负载电流的峰值同UPS的输出过流阀值之间的差值大大地增宽、将负载电流的峰值限制在155%的额定输出电流左右,从而达到在低成本、低噪音的条件下、实现提高UPS输出过载能力的目的。从测试UPS在PC机型的整流滤波型非线性负载时的输出电压和电流的工作波形图上,我们可以从中得到如下三点重要启示:

    ● 当UPS在带整流滤波型非线性负载时所可能形成的开机启动浪涌电流的实?持续时间小于200ms(典型值:140ms)。有鉴于此,为了能更有效地比较各种UPS品牌的抗输出过载能力的高低,宜采用它们在过载期为200ms时的输出过载电流的有效值的大小来作为其判断标准(例如:220%,200ms的UPS优于150%,1s的UPS)。

    ● 同UPS的稳态输出电流相比,在整流滤波型非线性负载被刚投入的初期,如果能采用必要的技术、将出现在UPS输出端的启动浪涌电流的波形调控为脉宽被大大展宽,但幅值被大大降低的限流型的电流波形的话,必将有利于大大降低UPS转交流旁路的几率。显而易见,在输出瞬态启动功率相同的条件下,这必将能极大地增强UPS的有效抗输出过载能力。

    ● UPS在带PC型非线性负载时,所形成的负载电流是一种脉宽为6ms左右的钟形的,不连续的非正弦形的电流波。然而,当它在带具有PFC功能的服务器型负载时,其负载电流则会变成是一种三角形的、连续的非正弦形的电流波。所测试到的这些非正弦形的电流波均呈现滞后特性(PF=-0.8~-0.97)。


图3 非线性负载的开机启动浪涌电流波形

    2.2 谐波制理

    目前用于IT机房内的多数IT设备都属于单相整流滤波型非线性负载。对于不带输入功率因数校正功能的单相IT设备来说,由它们所产生的电流谐波分量高达80%以上。对于带输入功率因数校正功能的单相IT设备来说,由它们所产生的电流谐波分量也在17%~28%。相关的测试数据表明:其最大的电流谐波分量为3次谐波分量。众所周知,由于这种3次电流谐波分量及其奇数倍谐波分量的出现,就会导致它们在三相电源的零线上进行矢量和相加。由此所带来的恶果是:造成UPS的输出零线电流增大,零对地电位增高,UPS输出变压器的温升增高、UPS中的IGBT功放管的失效率增大。为了能有效地抑制由IT设备反射到UPS输出端的的谐波电流所可能造成的负面影响,可采用的技术措施有:

    1)将UPS的输出变压器置于降额使用状态

    例如,原设计为带线性负载(电流谐波失真度THD<5%的变压器),如果被用于带可能产生THD=75%电流失真度的非线性负载时,为确保变压器的工作温度被限制在它的绕组的绝缘材料所允许的安全温度范围之内,则需将该变压器置于降额50%的工作状态下使用。这是因为:一旦变压器的工作温度超过其所允许的温升上限的话,温度每上升10℃,就会造成变压器的使用寿命被缩短一半。

    2)采用专用的高效冷却风道

    配置N+X型的冗余风扇,随UPS的负载百分比变化而自动调节其风扇转速的变速风扇来强制冷却变压器的设计方案。

责任编辑:江琦
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