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机房电气工程(二)电源的概念、原理、范围、容量计算及机房照明

 

摘要:机房电气工程中机房供配电系统是数据中心机房的生命线,因此要建一个好的机房,首先要将供配电解决好。一般要求主要开关设备应该被设计成适合增容、维护和冗余,并提供双倍的或隔离的冗余配置。设计时应该考虑到开关装置、总线或断路器维护的方便性。瞬时电压浪涌抑制(TVSS)应该被安装在电力分配系统的每一级上,并且采用适当的规格,以便能够抑制可能发生的瞬时的能量。

UPS的概念及UPS供电原理和UPS供电范围及容量计算
摘要:据统计,在计算机故障中,有50一70%的原因是电源故障造成的。这些电源故障包括电网电压过压、欠压、瞬时跌落、失压和故障停电等由于电源环境、设备以及传输系统,乃至自然环境造成的各种干扰。在这些故障中,电网完全掉电仅占百分之几,UPS不再仅仅是为完全掉电提供后备电源的设备,而应为各种电源问题提供解决方案。
(一)UPS的概念
(二)不间断电源UPS供电原理 
(三)UPS电源的技术性能
(四)UPS供电方案设计
(五)网络机房可选发电技术
(六)UPS供电范围和容量估算

(一)UPS的概念 
普通定义:UninterruptablePowerSupply 
专家认为:UPS应该为UnintenuptablePowerSystem,即是一个高可靠、高性能、高度自动化的供电中心。 
UPS是UninterruptablePowerSupply的简称,也就是不间断电源。它的出现与最早应用,是为某些重要部门电网掉电时的持续供电提供保障。但是,电子信息产业与网络技术的迅速发展,对供电质量不断提出了更新更高的要求。据统计,在计算机故障中,有50一70%的原因是电源故障造成的。这些电源故障包括电网电压过压、欠压、瞬时跌落、失压和故障停电等由于电源环境、设备以及传输系统,乃至自然环境造成的各种干扰。在这些故障中,电网完全掉电仅占百分之几,在大城市以及供电环境较好的地区,应以几次/年计,但是在有代表性的场所,计算机遭受的电网和传输系统的干扰,幅度在几十伏的可达每日数次之多,所以UPS不再仅仅是为完全掉电提供后备电源的设备,而应为各种电源问题提供解决方案。 
假设你是一个网络管理员或系统管理员,理解网络不间断并不难,然而很多情况下,没有意识到的电源问题可能会使你的系统出现各种无法解决的困难,甚至于崩溃。系统的可用性至关重要,而作为网络运行基础的电源的可靠性自然成为首先考虑的问题。同时,电源的智能监控与管理在网络经济时代不可或缺。单纯的提供不间断供电已经不能满足要求。 
专家认为UPS可以改为UnintenuptablePowerSystem的简称,也就是说,UPS,特别是大中型UPS,它已经不仅仅是一台简单的不停电供电整机产品,随着UPS技术的发展和成熟,它将成为一个中型的或者说局部的高可靠、高性能、高度自动化的供电申心。它的功能应该包括我们传统概念上的以下环节和内容: 
第一,主机运行高效、高可靠,能在各种复杂的电网环境下运行,输出能全面地高质量地满足各种负载的要求。 
第二,有很强的可用性和可维护性,有高度智能化的自析功能状态显示、报警、状态记录和通讯功能,甚至有环境监测功能。 
第三,有很强的网络保护功能,也就是说,它不仅向直接由它供电的硬件设备提供可靠的保护,还应该向它们所运行的软件提供保护,UPS可配置相应的电源监控软件,SNMP(网络管理协议)管理器,有远程管理能力,用户可执行UPS与网络管理平台之间的监控。

(二)不间断电源UPS供电原理 
它由整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组组成。平时,市电经整流器变为直流,对蓄电池浮充电,同时经逆变器输出高质量的交流纯净的电源供重要负载,使其不受市电的电压、频率、谐波干扰。当市电因故停电时,系统自动切换到蓄电池组,蓄电池放电,经逆变器对重要设备供电。 
UPS的不间断特性,体现在其转换时间工作程序上,当市电与逆变器进行切换时,其控制系统会适时地检测市电的同步范围,在市电不超限时,逆变器实现“先通后断”的供电,从而保证了供电系统的“不间断切换”。

(三)UPS电源的技术性能 
UPS电源的技术性能随使用要求的不同而不同,主要技术性能包括以下几个方面。 
1.在线式 
特点: 
• 双逆变器 
• 输出电性能指标高 
• 输入端AC-DC变换器是整流电路,对电网产生严重的干扰公害 
• 两个变换器始终在100%负载功率下工作,整机效率低,输出能力有局限,可靠性一般 
• 市电-电池转换时,输出电压没有切换时间 
功能说明 
• 市电正常时,市电经过AC-DC和DC一AC两次变换后向负载供电 
• DC一AC随时在监测并参与对输出电压的调整,是在线式工作 
• 市电掉电后,电池通过DC一AC逆变器向负载继续供电 
• 当负载过载或逆变器故障时,市电转旁路维持向负载供电 
在线式原理 
除了基本供电电路为电池逆变器电路外,基本原理图与后备式相同。无论交流输入电源是否正常,均通过逆变器电路提供电源输出。交流输入电源中断时不需要切换,不存在转为电池供电的切换时间。在电池逆变器出现故障或者逆变器内部失灵时,都需要切换为旁路供电。由于在正常工作情况下,整流器和逆变器都要消耗一定的功率,因此这种类型UPS的效率要比后备式低。无论是在线还是电池供电,在线式UPS的电源输出来自于逆变器,可以提供近乎理想化的电源,频率和电压的稳定性优于其它类型。 

图中电路各环节功能如下:
整流器:该整流器为AC-DC单向变换,当市电存在时;它完成对电池的充电,并通过逆变器向负载供电。
逆变器:该逆变器为DC-AC单向逆变,当市电存在时,它从整流器取得功率后再送到输出端,并保证向负载提供高质量的电源,当市电掉电时,由电池通过逆变器向负载供电旁路开关:平时处在断电状态,当主电路发生故障,或者当负载有冲击性(例如启动负载时)时,逆变器停止输出,旁路开关接通,由电网直接向负载供电,旁路开关多为智能型的功率容量很强的无触点开关。
双逆变在线式UPS的性能特点如下:
因为不管市电有无,负载的全部功率都由逆变器输出,所以可以向负载提供高质量的电源,例如输出电压稳定精度、频率稳定度、输出电压动态响应、波形失真度等指标,都是比较高的市电掉电时,输出电压不受任何影响,没有转换时间,因为无论市电有无,全部负载功率都由逆变器供出,UPS的功率余量有限,输出能力不理想,所以对负载提出限制条件,例如输出电流峰值系数(一般只达到3:1)、过载能力:输出功率因数一般为0.8。整流电路对电网形成电流谐波干扰,输出功率因数低,谐波电流成份在30%左右,而输入功率因数只有0.8左右,在市电存在时,由于两个逆变器都承担100%的负载功率,所以整机效率低,80KVA以下的UPS为80%左右,80KVA的可达85-90%,100KVA以下的可达90-92%。
所以在线式能够确保输出高可靠性、高质量电源。在DSP数字控制技术、数字并联技术、网络监控技术、电池管理技术、电源保护技术等方面技术先进,性能可靠。
2.高效数字功率器件PIGBT技术
采用先进的高效数字功率器件PIGBT作为逆变功率器件,其性能及可靠性高于上一代的功率器件IGBT,提高了逆变器的可靠性和处理速度,其逆变效率高达98%~99%,热功耗极低。谐波分量小于1.5%,使输出波形更好,对负载或接地系统等不会造成干扰。
3.DSP技术和SMD电气集成模块
采用数字控制技术取代传统的模拟控制。DSP数据处理技术的处理速度是传统微处理器的12倍,并使硬件线路更为简化、可靠性更高、瞬态反映能力更强。电路板采用仿真设计和表面安装焊接技术,使整机散热性好,可靠性更高。
4.电池保护功能
安全防护电池包括2、6、12V的通用型、深放电型、高比能型、快速充电型、循环耐久型等系列蓄电池产品。电池具有充放电的实时监测、过流及限流保护功能,可防止用户因电池过放电而造成电池永久性损害,防止过充电而造成电池寿命的减短;欠压预警功能可及时通知用户进行相关处理,以免造成大的损失;控制系统可通过设置定期电池自检功能,及时发现故障电池,避免系统故障造成的危害,并可实现在线更换电池。
5.灵活可靠的并联技术
采用数字模块式环路直接并联技术,能够有效的抑制并机中的环流,可以在UPS不断电的情况下实现并机扩容或维修,可以实现不同功率的UPS直接并联。
6.通信及监控功能
较强的通信联网功能是指UPS可以采用于接点、JBUS或SITEMONITOR软件,实现远程监控及模拟控制或集中遥测遥控。可以利用Intranet、Internet来监控UPS,每个UPS在网络中有自己的IP地址,可以通过WEB测览器来监控,采用的协议可以是TCP/IP、SNMP、HTTP和JAVA。
7.高可靠性
UPS单机平均无故障时间都在MTBF>35万h,并获得ISO9001国际质量标准证书,干扰标准等证书。
8.散热系统
机房UPS是最大的噪声源,采用冗余式智能风扇调速散热系统,则微处理器可以依据内部温度及输出功率大小,自动调节风扇的转速,以达到降低噪声、延长风扇寿命及节省能源的目的。
9.控制和诊断监控系统
智能化UPS应具有专家系统故障诊断软件。当UPS某一部分出现异常后,该系统能迅速对故障进行诊断、推理,判明故障部位,通过显示器给操作者或维修工程师指示,判明故障性质,以便快速修复。同时还可自动记录信息,生成信息档案,便于用户更好使用。
10.其他
除了上述功能外,还有主/从容错双处理器并行控制技术、过载能力和抗短路保护功能、UPS的非线性带载能力、多种启动方式、多种输入/输出模式、宽电压输入、可靠的旁路转换系统、绿色环保、正面维修、雷电保护等,是针对不同产品所具有的不同功能。此外,大容量的UPS配12脉冲整流器,能够进一步降低输入谐波分量;内置输出隔离变压器,采用零线及火线均隔离的隔离技术,可以进一步提高对负载的保护,有效地隔离零线的干扰,提高UPS系统的适应性等,都是UPS产品近几年来的先进实用技术。

(四)UPS供电方案设计
很多设计工程师都试图设计出完美无暇的UPS解决方案为关键负载提供支持,不过他们的设计方案往往不一定涉及到设计方案的可用性范围。例如,并联冗余、串联冗余、分布式冗余、热连接、热同步、多路并联总线、双系统以及故障预警系统等,这些都是设计工程师或制造商赋予不同配置方案的名称。这些名称的问题对于不同的用户,它们可能具有不同的含义,可以存在很多种解释方式。虽然目前市场上的UPS配置名目繁多且差别甚大,但最常用的不外乎5种。这5种方案包括:①容量;②串联冗余;③并联冗余;④分布式冗余;⑤双系统。
选择系统配置方案时,应当根据负载的关键程度而定。此外,还要考虑停机所带来的影响以及公司的风险承受能力,这样才能更好地找到合适的系统配置方案。
下面我们介绍如何为特定应用环境选择恰当的配置方案的一些指导方针。
1.可用性、等级和成本
1)可用性
数据处理中心日益增长的可用性需求,推动着UPS配置的不断发展。“可用性”即电源保持供电并正常运行以支持关键负载的时间百分比估算值,如同其它任何模型一样,为简化分析过程,必须对模型做出一些假设。
2)等级
一切UPS系统(以及配电设备)都需要定期进行维护。系统配置的可用性一方面取决于配置不受设备故障干扰的水平,另一方面取决于执行正常维护和例行测试以保证关键负载供电的能力。
3)成本
配置的可用性等级越高,其成本也越高。该成本指的是建造一间新的数据机房所需的成本。因此,其中不仅包括UPS结构的成本,还包括数据机房的整个网络关键物理基础设施(NCPI)的成本。后者包括发电机、开关装置、制冷系统、消防系统、活动地板、机架、照明设施、物理空间和整个系统的调试成本。这些只是前期成本,还不包括运营成本,如维护成本等。在计算上述成本时,我们假设每个机柜平均占地面积为2.79m2,且功率密度范围为每机柜2.3kW至3.8kW。如果分担成本的设备占地面积增大,每机架的成本也将随之降低。
说明:在UPS设计配置的计算过程中,通常采用字母"N"来指代UPS设计记置。例如,并联冗奈系统也称作N+1设计,而双系统设计可以用2N来表示。"N"可以简单地定义为关键负载的"need(需求)"。换而言之,应满足所保护设备供电量的电源表亡。我们可以用RAID(独立磁盘冗余阵列)系统等IT设备来解释"N"的用途。例如,如果存储容量需要4个磁盘,且RAID系统正好包含4个磁盘也称4个磁盘,则称这是一个"N"设计。反之,如果RAID系统统有5个磁盘,而存储容量只需要4个磁盘,则称为"N+1"设计。
一直以来,在规划关键负载电源时,必须充分考虑以后的发展,以使UPS系统可以为负载提供10或15年的支持。事实证明,按照这一原则进行规划是很困难的。20世纪90年代,为便于提供讨论框架并比较各种设施,曾提出了"瓦特。平方面积"的概念。但由于人们对"平方面积"的含义无法达成共识,这种电源设计指标造成了很多误解。近来,伴随着技术精简的大趋势,人们逐渐采用"瓦特/机柜"的概念来表示系统容量。
事实证明,由于单位空间内的机架数量很容易统计,因此这种度量方式的准确性更高。无论如何选择负载方式,有一点很重要,那就是应当从一开始便选择好配置方案,使设计过程沿着正确的方向进行。
如今,涌现出了许多可扩展的模块化UPS系统设计,从而可以使UPS容量随着IT需求的增长而扩大。
2.单系统或"N"系统
简而言之,单系统(N系统)是指由单个UPS模块或容量与关键负载规划容量相等的一组并联UPS模块构成的系统。迄今为止,这种类型的系统是UPS行业中使用最为广泛的配置。办公桌下的小型UPS也属于单系统。同样,对于规划设计容量为400kW,面积为450m2的计算机房,如果采用单个400kW的UPS或在公共总线上采用两个并联的200kW的UPS,那么也属于单系统。因此,可以将单系统视作关键负载供电的最低要求。
虽然上述两例均可视为单系统,但其中的UPS模块设计却有所不同。与小型UPS不同,超出单相容量大约为20kW的系统都设置有内部静态旁路开关,以便在UPS模块出现内部问题时,将负载安全地转换到市电。UPS到静态旁路的转换点是经过制造商的仔细选取,以便为关键负载提供最妥善的保护,同时也保护UPS模块本身不会受到损害。下面举例说明了这些保护措施中的一种措施:在三相UPS应用中,模块通常都具有额定过载能力指标。该指标通常的一种表述形式为"模块将承载125%的额定负载达10分钟"。因此,一旦负载达到额定值的125%,模块将启动一个计时程序,其内部时钟将开始倒数10分钟。10分钟后,如果负载仍未恢复到正常水平,则模块会将负载安全地转换到静态旁路。启用旁路的情况还有很多种,UPS模块的规格说明中会对此进行详细阐述。
扩充单系统的一种方式是为系统提供维修或外部旁路。若采用维修旁路,那么在需要进行维护时,可以将整个UPS系统(模块和静态旁路)安全地关闭。维修旁路与UPS共用一个配电盘,并且与UPS输出端直接相连。当然,正常情况下这条电路处于断开状态,仅当UPS模块转换到静态旁路时才合上。在设计过程中,必须采取某些措施以防止当UPS末转换到静态旁路时,维修旁路电路接通。如果安装正确,维修旁路可确保UPS模块安全运行而无需担心负载停机,因而是系统中一个极为重要的组件。
大多数单系统配置,尤其是低于100kW的配置,都用于对整个电力系统无特殊要求的建筑环境中。建筑物的电力系统一般都采用"N"配置,因此,单系统配置刚好可满足这种情况。图3-1显示了常用的单模块UPS系统配置。

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(1)优点如下。
●设计概念简单,硬件配置成本低廉。
●由于UPS工作于满负荷条件下,因而其效率最高。
●具备高于市电的可用性。
●如果电力需求增长,可进行扩展(可以同时配置多UPS设备,根据供应商或制造商的不同,可以并联多达8个额定值相同的UPS模块)。
(2)缺点如下。
●可用性有限,因为如果UPS模块出现故障,负载将转换到旁路供电,从而处于无保护电源下。
●在UPS、电池或下游设备维护期间,负载处于无保护电源下(通常,这种情况每年至少会发生一次,而且往往会持续2~4小时)。
●缺乏冗余,限制了在UPS发生故障时对负载的保护能力。
●存在多个单故障点,这意味着系统的可靠性由其最薄弱的环节决定。
3.串联冗余
串联冗余配置有时也称为"N+l"系统,不过,它与通常情况下用N+l表示的并联冗余配置截然不同。串联冗余设计概念既不需要并联总线,也不要求模块的容量必须相同,甚至不要求模块来自同一个制造商。在该配置中,正常情况下由一个主要的或主UPS模块为负载供电。同时,一个串联的或辅助的UPS为主UPS模块的静态旁路供电。该配置要求主UPS模块的静态旁路具有单独的输入电路,这种方式可以在保留现有UPS的情况下,对之前的无冗余配置进行扩充,以获得一定程度的冗余。图3-2显示了串联冗余UPS配置。

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在正常运行条件下,主UPS模块将承担起全部关键负载的供电,串联模块不承担任何负载。一旦主模块负载转换到静态旁路上,串联模块将即刻接受主模块的全部负载。因此,必须仔细选取串联模块,以确保它能够迅速承担起负载。如果它不能完成该任务,它自身或许可以转换到静态旁路,但这样一来,便便得该配置方案所提供的冗余保护消失殆尽。
对于这两个模块而言,只需将负载转换到另一个模块,便可轻松提供服务。由于输出线路仍存在单故障点,因此,维护旁路仍然是一项重要的设计功能。整个系统每年需要停机2~4小时,以便对系统进行预防性的维护。虽然该配置方案的可靠性提高了,但往往却被开关装置及相关控件的复杂性所抵销。
(1)优点如下。
●产品的选择很灵活,可以混用不同制造商或不同型号的产品。
●具备UPS容错功能。
●对于双模块系统而言,相对比较经济。
(2)缺点如下。
●依赖于主模块静态旁路是否能从冗余模块正确接收电力。
●如果电流超出逆变器的容量,则要求两个UPS模块的静态旁路都必须能正常运行。
●主UPS模块转换到旁路时,辅助UPS模块必须能够处理突然出现的负载变化。(由于辅助UPS往往长期工作在0%负载的条件下,并非所有UPS模块都能执行该任务,因此旁路模块的选择至关重要。
●开关装置及相关组件不仅复杂,而且昂贵。由于为保持电源不间断而设置的辅助UPS长期工作于0%的负载情况下,因而运营成本提高了。
●这种双模块系统(一个主模块,一个辅助模块)至少需要一个电路断电器,以便在市电与作为旁路电源的另一个UPS之间进行选择。这比只包含一条公共负载总线的系统要复杂得多。
●每个系统一条负载总线,因而存在单点故障。
(3)并联冗余或"N+1"系统
在并联冗余配置方案中,当单个UPS模块出现故障时,无需将关键负载转换到市电,所有UPS的用途都在于保护关键负载不受市电变化及断电的影响。随着数据重要程度的提高以及风险承受能力的降低,转换到静态旁路和维护旁路的观念已逐渐被淘汰。但N+l系统设计仍需静态旁路,而且大多数N+l系统都具有维护旁路,因为它们仍起着举足轻重的作用。
在并联冗余配置方案中,多个并联的容量相同的UPS模块共用一条输出总线。如果备用的供电量至少等于一个系统模块的容量,则系统称为N+l冗余;如果各用的供电量等于两个系统模块的容量,则系统为N+2冗余,以此类推。并联冗余系统要求采用同一制造商生产的相同容量的UPS模块,UPS模块制造商还可以提供系统并联电路板。并联电路板可能包含与各个UPS模块相通的逻辑电路,且各个UPS模块之间也相互连接,以产生完全同步的输出电压。并联总线应具备监控功能,以显示系统负载以及系统的电压与电流特征。此外,并联总线还必须能显示并联总线上的模块数量,以及需要多少模块才能保证系统冗余。一条公共总线上可以并联的UPS模块的数量存在一个逻辑上限,对于不同的UPS制造商而言,该最大值也不同。在正常运行条件下,并联冗余设计中的UPS模块均匀分摊关键负载容量。如果从并联总线上取下一个模块进行维修(或如果某个模块因内部故障而停机),则剩下的UPS模块必须立即分担起发生故障的UPS模块的负载。由于有了此项功能,因此可以从总线中取下任意一个模块进行修理,而无需将关键负载直接连接到市电。
单系统示例中面积为450m2的数据机房,如果采用该方案,则需要2个400kW的UPS模块,或3个200kW的UPS模块并联在一条公共输出总线上以提供冗余。并联总线的设计容量为系统的非冗余容量,因此,包含2个400kW模块的系统,其并联总线的额定容量为400kW。在N+l系统配置方案中,UPS容量可以随负载的增长而增长。应当设置容量升级机制,以便当容量百分比达到某个水平时,就订购新的冗余模块。因为某些UPS模块的交货时间可能需要几周甚至几个月,且UPS容量越大,安装新UPS模块的难度越大。大型的UPS模块重达上干千克,需要特殊的传动装置才能将它们安置就位,UPS房间中通常会为这种大型模块预留位置。由于将大型UPS模块安放在任何房间中都存在一定的风险,因此,这种部署必须进行周密规划。
在设计冗余UPS系统时,系统效率是一个应当着重考虑的重要因素。一般而言,负载较轻的UPS模块的效率要低于负载接近于其额定容量的UPS模块。表中显示了为240KW负载供电时,采用不同容量UPS模块的系统的负载分配情况,可以看出,为特定应用环境所选的模块大小会严重影响系统效率。低负载情况下任何特定UPS的效率因制造商而异,在设计过程中应对具体数据进行调查。

图3-3显示了一个典型的双模块并联冗余配置。可以看出,尽管该系统提供了单个UPS模块故障保护功能,但在并联总线中仍存在单故障点。与单系统配置方案一样,为了断开并联总线以进行定期维护,在设计该方案时也应看重考虑维护旁路电路。
1)优点如下。
●由于在一个UPS模块出现故障时有其它冗余容量可用,因此该方案的可用性要高于单系统配置。
●可根据电力需求的增长进行扩展,在同一装置中可以同时配置多个单元设备。
●硬件的布置不仅设计概念简单,而且成本相对低廉。
2)缺点如下。
●两个或多个模块必须采用相同的设计、相同的制造商、相同的额定值以及相同的技术与配置。
●UPS系统的上游与下游仍存在单点故障。
●在UPS、电池或下游设备维护期间,负载处于无保护电源下(通常这种情况每年至少会发生一次,而且往往会持续2一4小时)。
●由于各个UPS设备的利用率均低于l00%,因此运营效率较低。
●每个系统一条负载总线,因而存在单故障点。
●大多数制造商都需要外部静态开关,才能在两个UPS模块之间均分负载。否则负载将分配不均,波动范围高达15%。这不仅增加了设备的成本,还使设备复杂化。
●大多数制造商都需要一个公共的外部维修旁路,这不仅增加了设备的成本,还使设备复杂化。

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图3-3 并联冗余UPS配置
4.分布式冗余
分布式冗余配置在当今市场中很常见。20世纪90年代末期,一家工程公司为了获得全方位的冗余,不惜花费任何高额成本,因而使开发出了这种设计方案。该设计以三个或更多个UPS模块及独立的输入和输出电路为基础,独立的输出总线通过多个PDU和STS与关键负载相连。从市电服务入口到UPS,分布式冗余设计和双系统设计几乎是一样的。这两种方案均提供了同步维护功能,并将单故障点减至最少。二者最主要的区别在于,为关键负载提供冗余电源线路所需的UPS模块的数量不同,以及从UPS到关键负载的配电结构不同。随着负载要求容量的增加,备用UPS模块的数量也在增加。
图3-4和图3-5分别显示了同样为300kW负载供电的两种不同的分布式冗余设计方案。图3-4采用3个UPS模块,在该配置中,模块3与每个STS的辅助输入电路相连,根据另外两个主UPS模块的故障情况投入系统并向负载供电。在该系统中,模块3通常不承载任何负载。

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图3-4 分布式冗余UPS配置一

图3-5的分布式冗余设计采用3个STS,正常运行状态下,负载平均分配在3个UPS模块上。如果其中任何一个模块出现故障,则将强制STS将负载转换到为该STS供电的另一个UPS模块上。
很显然,双电源负载与单电源负载的供电电路是不同的。双电源负载可以采用两个STS设备供电,而单电源负载只能由单个STS供电。因此,STS便成为单电源负载的单路径故障点。在当今的数据机房中,单电源负载的使用数量日趋减少。因此,可以在单电源负载的附近安装多个小型转换开关,该方法既方便又经济。如果全部为双电源负载,那么该配置可以不采用STS设备。
对于那些需要进行同步维护,且大多数负载均为单电源负载的、复杂的大型计算机房而言,分布式冗余系统是比较理想的选择。还有其它一些行业因素也推动着分布式冗余配置方案的发展。
●同步维护:无需将负载转换到市电,即可完全断开任何特定供电设备或组件的一部分以进行例行维护或测试。
●单路径故障点:指在配电系统中,如果没有设置旁路则会引起停机的某些点。单系统实质上是由一系列单路径故障点所组成,在设计过程中尽量排除单路径故障点是冗余的一个关键指标。

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图3-5 分布式冗余UPS配置二

●静态转换开关(STS):STS具有两路输入和一路输出。通常,STS从两个不同的UPS系统接受供电,并根据某些条件将其中一路电源提供给负载。如果STS的主UPS供电电路出现故障,则STS将在4ms内将负载转换到辅助UPS供电电路上。STS通过这种方式使负载随时处于受保护状态下,此项技术自20世纪90年代初期出现以来,已广泛应用于分布式冗余配置中。该设计的最大弱点便是采用了静态转换开关,这种设备不仅十分复杂,而且存在一些无法预计的故障模式。其中最糟糕的莫过于它可能会引起两条输入线路短路。此时,由于STS造成两个UPS同时与负载接通,STS便成为了单路径故障点。STS的故障会波及到上游,进而影响整个系统的运行。正因为此,下文将介绍的双系统设计方案的可用性要好得多,尤其是当负载设备具备双路冗余供电电路时。在市场上,有多种不同配置和不同可靠性等级的STS可供选择。在该配置中,STS处于PDU的前端(400V一侧)。这种应用方式十分常见,不过许多工程师认为,将STS置于两个PDU的220V一侧会更可靠一些。事实上也确实如此,但这种方式要比400VSTS造价高得多。
●单电源负载:如果数据机房全部由单电源负载设备组成,那么每个叮设备只能由单个STS或安装在机柜上的转换开关来供电。冗余结构要获得高可用性,必须将开关安置在靠近负载的位置。将数百个单电源设备与单个大型STS相连,是一个极其冒险的举动。如果采用多个小型开关分别为部分负载供电,则可以降低这种危险性。此外,基于机柜的分布式转换开关也不会像大型STS那样,出现那种会往上波及到多个UPS系统的故障模式。因此,基于机柜的转换开关得到了越来越广泛的采用,尤其是当单电源负载只占据全部负载的一小部分时。
●双电源负载:随着时代的发展,双电源负载日渐成为主流。因此,STS巴不是必不可少的设备。负载可以直接与两个单独的PDU相连,而PDU则分别由单独的UPS系统供电。
●多个电源同步:如果数据机房采用STS设备,那么应当使两个UPS供电电路保持同步。如果没有同步控制,UPS模块之间很可能出现相位差,尤其是当UPS采用电池模式时。要防止出现异相转换,一种解决办法是在两个UPS系统之间安装一个同步设备,使这两个UPS系统的AC输出同步。当UPS模块的输入电源断电,使用电池工作时,这一点尤其重要。同步设备可确保所有UPS系统在任何时候都保持同步。因此,在STS转换过程中,电源将保持完全同相,从而杜绝了异相转换以及可能对下游设备造成的损害。当然,在各个UPS系统之间添加同步设备时,应当考虑发生常见故障模式,或发生会同时影响所有UPS系统的故障的可能性。
(1)优点如下。
●便于所有组件的同步维护(如果所有负载均为双电源负载)。
●与双系统设计相比,UPS模块较少,因而成本较低。
●对于任何特定双电源负载而言,两条独立的供电线路自服务入口处便提供了冗余。
●无需将负载转换到旁路模式(负载将处于无保护电源下),即可对UPS模块、开关装置和其它配电设备进行维护。
●大部分分布式冗余设计都不需要维护旁路电路。
(2)缺点如下。
●与之前几种配置相比,由于大量采用开关装置,因此成本相对比较高。
●设计是否成功依赖于STS设备的运行是否正常,因为采用STS设备即意味着存在单点故障以及复杂的故障模式。
●配置方案复杂。在包含众多UPS模块、静态转换开关和PDU的大型数据机房中,要保证各个UPS系统均分负载并了解哪些系统为哪些负载供电,是一项艰巨的管理任务。
●无法预计的运行模式。UPS系统具备多种运行模式,且各UPS系统之间存在多种可能的转换模式。要在预先定好的条件和故障条件下对所有这些模式进行测试,以检验控制策略和故障清除设备是否正常运行是不切实际的。由于未达到满负荷工作状态,UPS效率低。

5.双系统冗余
多路并联总线、双输入、2(N+l)、2N+2、[(N+l)+(N+1)]以及2N等全都指的是该配
置的变体。借助这种设计方案,现在完全可以建立起根本无需将负载转换到市电的UPS系统。在设计这些系统时,可以尽量排除每一个可能的单路径故障点。不过,排除的单路径故障点越多,设计方案实施起来代价也越昂贵。大多数大型双系统配置部位于专门设计的、独立的建筑物中,基础设施(包括UPS、电池、制冷系统、发电机、市电和配电室)占据与数据机房设备同样大小的空间,是很平常的事情。
该配置是行业中最可靠也最昂贵的一种设计。根据设计工程师的理念以及客户要求的不同,它可以非常简单,也可以异常复杂。虽然采用的是同一个名称,但具体的设计细节千差万别,这也是由负责设计任务的设计工程师的理念与知识水平所决定的。图3-6显示了该配置的一种变体2(N+l),它由两个并联冗余UPS系统构成。理想情况下,可以采用单独的配电盘,甚至单独的市电和发电机系统为这些UPS系统供电。虽然该设计方案的建造成本颇为不菲,但考虑到数据机房设备的重要程度以及停机成本,还是物有所值的。全球许多家大公司都纷纷选择这种配置来保护其关键负载。
该配置的成本高低取决于设计工程师认为要满足客户的需求应当采用何种深度和广度的系统冗余。其基本设计概念是允许每一个电气设备都可以在无需将关键负载转换到市电的条件下出现故障或手动关闭。
2(N+l)设计的一个共同之处是采用旁路电路,以使部分系统可以被关闭或旁路至备用电源,从而保证了整个系统的冗余。图3-6即显示了这样一个示例:UPS输入面板之间用电路连接,从而可以关闭其中一个市电服务入□,而不会使得任何一个UPS系统断电。在2(N+l)设计中,倘若单个UPS模块发生故障,只会便该UPS模块从电路中断开,与之并联的另一个模块将承担起这部分负载。
在图3-6的示例中,关键负载为300kW。因此,共需要4个300kw的UPS模块。两两组成两条独立的并联总线,每条总线分别为两条直接与双电源负载连接的电路供电。图3-6中的单电源负载显示了转换开关是如何为该负载提供冗余的。不过,等级4电源结构要求所有负载均为双电源负载。
一般而言,选择双系统配置的公司更关心配置是否具备高可用性,而不是其实现成本。这些公司的负载也大都是双电源负载。除了在分布式冗余配置部分中所讨论的因素之外,该配置方案还有以下几个因素。
●加固:设计出能抵挡自然破坏,并能免受电力系统中可能发生的一连串故障影响的系统以及建筑物,即能够隔离并控制住故障。例如,两个UPS系统不应放置在同一个房间丸电池与UPS模块也不应位于同一房间中,电路断路器配合是设计中的关键部分。恰到好处的断路器配合可以防止局部短路影响到其余的设备。加固建筑物还可以使建筑物更好地抵抗腿风、地震和洪水的破坏。根据建筑物所处的地理位置,这些都可能是必要的。例如,应当让建筑物远离洪水泛滥的平原、建筑物上空应避开航线、采用厚实的墙壁以及无窗户设计,这些措施都有助于抗干扰。

图3-6 2(N+1)UPS配置

●静态转换开关(STS):随着双电源IT设备的问世,在设计中无需再面对STS设备及其烦人的故障模式,从而使系统可用性得到了显著提高。
●单电源负载:要充分利用双系统设计方案的冗余优势,应当将单电源负载与转换开关在机柜内相连。
(1)优点如下。
●两条独立的供电线路,无单故障点,容错性极强。
●该配置为从电力入口到关键负载的所有线路提供了全方位的冗余。
●在2(N+l)设计中,即便在同步维护过程中,他俩存在UPS冗余。
●无需将负载转换到旁路模式(负载将处于无保护电源下),即可对UPS模块、开关装置和其它配电设备进行维护。
●更容易使各UPS系统均分负载,并了解哪些系统为哪些负载供电。
(2)缺点如下。
●冗余组件数量多,成本高。
●由于未达到满负荷工作状态,UPS效率低。
●一般的建筑物不太适合采用可用性极高的双系统,因为这种系统需要对冗余组件进行分开放置。
6.如何选择合适的配置
企业应当如何来选择最适合自己的配置方案呢?让我们重温一下在选取合适的配置时应当考虑的注意事项。
(1)停机成本或影响。公司每分钟的流动现金有多少?如果发生故障,系统需要多长时间才能恢复?可以将以上问题的答案作为预算方案讨论的开篇,答案是10,000元/分钟还是10,000元/小时,讨论方向自然不同。
(2)风险承受能力。遭遇过重大故障的公司的风险承受能力往往比那些未曾有过此种体验的公司要强,聪明的公司将会从同行业其它公司身上获取经验数据。公司的风险承受能力越弱,就越倾向于采用可靠性更高、故障恢复能力更强的方案。
(3)可用性要求。公司在一年之内能忍受多长时间的停机?如果回答是决不能停机,那么应在预算中选用高可用性的设计。如果公司可以在每天晚上10点之后以及大多数周末停机,那么其UPS配置选择并联冗余设计就差不多了。每个UPS在某些方面都需要进行维护,而且UPS系统确实全间歇性地发生一些出人意料的故障。每年计划在维护方面所花的时间越少,系统需要的冗余设计组件就越多。
(4)负载类型(单电源负载与双电源负载)。虽然双系统的设计概念在双电源设备出现之前便已产生,但双电源负载的确为这种利用冗余容量的设计方案提供了切实可行的实现机会。计算机制造商们在开始生产双电源负载之前,无疑会听取其客户的意见。数据机房内负载的特性会为设计者提供一些思路,不过其作用要远远低于上文所述的各种因素。
(5)预算。从任何方面而言,实现2(N+l)设计的成本都要比单系统设计、并联冗余设计
甚至是分布式冗余设计的成本高得多,让我们以一家大型数据机房为例来看看成本的差距。若该数据机房采用2(N+l)设计,则可能需要30个800kW的模块(每条并联总线5个模块,共6条并联总线)。对于同样的负载,如果采用分布式冗余设计,那么只需要18个800kW的模块,显然成本要低得多。
在为特定应用环境选择合适的UPS系统设计配置方案时,可以将图3-7所示的流程图作为一个切入点。对于没有或很少冗余组件的设计而言,必然存在停机时段以进行维护。如果不允许停机,那么应当选择能进行同步维护的设计。只要依次回答流程图中提出的问题,便可顺利找到最合适的系统。
小结:电源基础设施对于数据机房设备是否能正常运行至关重要,可供选择的UPS配置有根多种,每一种都有优势,也有不足之处。只有充分了解了企业的可用性要求,风险承受能力和预算范围之后,才能选择合适的设计方案。如文中所分析,为双电源负载直接供电的2(N+1)结构可提供全面的冗余,排排除了单故障点,因此是可用性最高的一种配置。gc-3-7(1).jpg

图3-7 设计配置选择决策树

(五)网络机房可选发电技术
燃料电池和微型燃气轮机是数据机房和网络机房可采用的新型发电技术,本文将介绍这些系统的多种工作模式,并分析这些新技术相对于传统方案(如备用发电机)的优势及劣势。
发电是数据机房和网络机房高可用性供电系统的关键组成部分。尽管IT系统依靠电池或飞轮发电机也能坚持工作数分钟甚至几小时,但若要达到"五个九"的可用性水平,必须具备本地发电的能力。在供电情况较恶劣的地方,也必须进行发电,使可用性达到99.99%或99.9%。要解决该问题,传统的办法是采用备用柴油机或燃气发电机与UPS相结合,在可用性要求很高的应用中,可使用此类备用发电机的N+l阵列。
也有人提出,燃料电池和微型燃气轮机是网络机房和数据机房发电方案的上乘之选。这类系统不仅可以持续为网络机房或数据机房供电,还可以产生超额的电力以用于其它负载或反馈给市电网络。其系统可用性和总拥有成本因系统的使用方式而异,下面将对此进行论述。
1.发电机工作模式
(1)备用模式
该模式采用交流市电作为主要的供电电源,本地发电只是作为计划中的断电或交流主电源出现故障时的后备电源。备用系统启动时,将使用UPS作为系统启动延时的过渡。对于拥有本地发电机的网络机房和数据机房,有99%以上采用这种工作模式。
(2)持续模式
该模式采用本地发电作为主要的供电方式,而将市电作为断电或本地发电出现故障时的后备电源。负载由本地发电机供电,并在系统切换过程中采用UPS作为延时的过渡。本地发电机只为关键负载供电,如果本地发电机的功率超出负载功率,则可能末充分利用发电系统,或其工作效率处于效率曲线上某个较低的点。
(3)市电交互模式
该模式采用本地发电作为主要的供电方式,而将市电作为断电或本地发电出现故障时的后备电源。本地发电机与市电并联,这样可以将产生的超出关键负载功率的电能反馈给市电。在该模式中,超出的电量可能只是被系统中其它的非关键负载所消耗,也可能逆向流入市电网络。通常,需要采用UPS来为关键负载提供缓冲保护,以免受到供电变化的影响。正常情况下,发电系统工作于其效率曲线上经济效益最高的点。
2.容错模式
无论采用何种技术或模式,都可以通过以下方法来提高可用性。
(1)双路结构
若采用双路结构,则整个发电系统都将处于冗余保护下。理想情况下,冗余性应遍及整个电源系统,并且一直延伸到关键负载,关键负载本身应配置为可接受双路电源输入。
(2)N+1结构
在该结构中,发电系统中可靠性最低的组件由多个并联设备构成,以便在其中一个出现故障后,其它设备可以继续为关键负载供电。
3.总拥有成木(TCO)
在选择发电系统时,成本问题虽然不一定起决定作用,但始终是一个至关重要的考虑因素。发电系统的总拥有成本(TCO)由以下成本构成:○1工程设计成本;○2投资成本;○3安装/启动成本;○4维护成本;○5燃料成本;○6节能(用于减少燃料成本)。
在实际应用中,以下因素会对TCO的计算结果造成较大的影响:○1燃料成本与电力成本:
○2市电闲置费或备用电源费;○3反向馈电价格和管理费;○4供电系统的负载百分比。
我们可以构建一个模型来估算各种技术与工作模式的总拥有成本。对于传统的备用发电机,计算所需的数据很容易获得,估算结果也比较可靠。对于燃料电池和微型燃气轮机,我们基于行业未来3~5年的规划对设备成本进行了估算,这一前瞻性的结果可以为这些技术未来的经济效益提供有益的指导。
给定设备成本、安装成本、维护成本和能量数据,可以很容易计算出一个使用寿命为10年的典型数据机房的TCO,此处不再赘述。
分析得出以下基本结论。
(1)前期成本与使用寿命期间的能源成本相当。
(2)燃料电池和微型燃气轮机节约的能源成本不足以抵消因采用这些技术而提高的前期成本。
(3)假定通常情况下数据机房的利用率远远低于100%,那么与备用模式或市电交互模式相比,持续本地发电是最不经济的模式。(4)本地发电的低效率抵销了采用低成本燃料所带来的大部分好处。
4.其它注意事项
从经济的角度而言,数据机房发电系统采用燃料电池和微型燃气轮机并不比采用备用发电机更具优势。不过在考虑到其它一些实际情况之后,采用燃料电池或微型燃气轮机技术也不失为一个值得尝试的选择,以下对此进行了详细论述。
(1)排放物
当地的法令法规或公司的规章制度有可能对排放物做出了限制。在众多本地发电系统方案中,面临排放物困扰最为严重的是柴油发动机。支持将柴油机作为备用发电机的观点认为,虽然其单位时间的排放量较大,不过工作时间很短,因而总的排放量较低。不过实际上备用柴油机在启动时会产生大量的可见烟尘,尤其是当柴油机作为备用电源要在瞬间承担起负载时更是如此。因此柴油机在启动时往往会遭到周围居民的抱怨,从而可能导致事后遭到有关法规的管制这样一个非常旭忱的局面。
为了进行TCO分析,我们假设用天然气或丙烷燃料的备用发电机来替代广泛使用的柴油发电机。这些发电机的成本要比柴油发电机的成本高出大约30%,但极大地减少了排放物,尤其是可见排放物。如果主要目的是为了减少排放物,有数据显示,以天然气或丙烷为燃料的发电机要比电池材料或微型燃气轮机经济得多。
(2)可用性
对于许多数据机房和网络机房而言,停机成本十分昂贵。有人曾提出,与备用发电机相比,燃料电池和微型燃气轮机可以提高系统的总体可用性。人们经常会提及一个统计数据,即各用发电机在需要启动时只有90%的成功概率。
要评定此论点是否正确,需要燃料电池和微型燃气轮机的可靠性数据,以及故障模式的特性及其所需的修理时间,目前还无法获得这些数据。
我们能够肯定的是,在容错方面进行投资可以提高任何供电系统的可用性。例如,前面讨论过的N+l结构和双路结构。此外,加强同步维护设计、改进状态监控以及增强维护等措施都可以提高可用性。目前有证据表明,如果将备用发电机系统所节约的TCO用于提高此类系统的可用性,则可以抵销燃料电池或微型燃气轮机的任何可能的(及尚未证实的)可用性优势。
(3)取消其它设备
许多有关燃料电池和微型燃气轮机的讨论都认为,采用新技术后,供电系统中其它某些设备可以取消,从而可能会降低成本、提高可用性及效率,去掉UPS或电池是讨论得较多的一个话题。若采用市电交互模式,则仍然需要采用UPS来隔离关键负载与市电。若采用持续模式,也仍然需要采用UPS来为关键负载提供缓冲保护,使之免受其它负载(如空调装置)的影响。若采用备用模式,很显然,在发电机能够运转之前必须用UPS为关键负载供电。
在持续模式或市电交互模式中使用时,UPS的后备时间原则上要比用在备用模式中的后备时间短,因而其电池可以更小。不过,缩短特定负载的电池运行时间,会给电池造成更大的压力,并降低系统可靠性。采用目前的电池技术,不可能将电池的大小缩小至运行时间低于5分钟。如果在持续模式或市电交互模式下采用带飞轮的UPS,那么发电系统可以不用电池。不过,没有数据表明该措施会给TCO带来任何益处。此外,实际数据机房的故障数据显示,电池所提供的后备时间可以为在发生异常故障时进行人为干预提供时间,从而防止停机。
(4)从交流电转换为直流电
某些关于燃料电池和微型燃气轮机的讨论认为,数据机房和网络机房采用这些技术后可以不再需要交流电源。其观点是,采用直流电源为关键负载供电可以减少电力转换步骤,而燃料电池和微型燃气轮机产生的都是直流电,因而有可能直接采用。
这种观点实际上不切实际。首先,数据机房或网络机房运营所需的许多设备都需要交流电,让这些设备改为采用直流电几乎是不可能的。这些设备包括照明设施、空调装置、办公设备,甚至个人计算机。其次,认为直流电比交流电效率更高或更具优势的观点无疑是错误的。
(5)热电联产
无论何种发电系统,除了产生电能之外,还会产生更多的热能。如果能将这部分热量转化为有用的能源,从而取代其它必需的热源,那么有可能大大降低成本。但很可惜,数据机房本身所产生的热量已经足够多了,并不带要多余的热能。因此,在将节约成本的构想付诸现实之前,必须先找到持续热能的用武之地,虽然这样的应用环境难以找到。但有数据显示,在此类特殊环境中市电交互热电联产发电系统的TCO要低于备用供电系统的TCO。
请注意,当采用热电联产时,有数据显示,以天然气为燃料的发动机的TCO仍比燃料电池或微型燃气轮机低许多。
(6)冷电联产
发电过程中所产生废热的另一个用途是通过名为"吸收式制冷机"的设备来驱动制冷装置。此时,废热实际上转换为数据机房所需的制冷能源。由于一般的数据机房在运行制冷系统方面所需的电能并不少于关键负载所需的电能,因此这种方法带来了双重好处:既降低了电力负载,又提高了发电系统的效率。从理论上而言,这会显著减少数据机房的TCO。
就目前而言,在不损失优势的情况下为冷电联产系统提供容错功能仍然是一个尚未攻克的技术难题。
废热的温度越高,采用吸收式制冷机的冷电联供系统的性能也越高。因此。PEM等燃料电池技术不适合采用吸收式制冷机。因为其工作温度太低,而微型燃气轮机的废热温度最适合冷热联产方案。
(7)与市电完全断开
某些文章中偶尔会提到,采用燃料电池或微型燃气轮机的数据机房可以彻底与市电网络断开。这样一来,便无需备用费用或其它市电费用,这也使得可以将数据机房建在无法取得交流市电增容许可的地方。
与市电隔绝确实带来了诸多新的技术问题。例如,发电机的冷启动、无市电作为后备电源的损失等等。此外,设施还要依赖于通过管道或汽车运送的燃料,因而可能会面临供应不畅问题。燃气设备也可能在紧急关头停止运行,例如,在遇到罕见寒冷天气而急需燃气时,燃气压力却在下降。
有数据显示,如果不得不完全与市电断开,那么传统发电机组的TCO仍然要低于燃料电池或微型燃气轮机的TCO。
小结:数据机房要想获得高可用姓,仍需要采用本地发电来应对断电问题。至少在可预见的未来,传统的引擎驱动各用发电机要比燃料电池和微型燃气轮机更具经济性。如果当务之急是减少排放物,那么,最实际的方法是采用以天然气或丙烷为燃料的发电机,而不是用燃料电池或微型燃气轮机来取代柴油发电机。通过一些能显著降低燃料电池成本的技术革新手段和重整技术,可以采用燃料电池来取代引擎发电机组,不过,这些降低成本的方法尚未经过验证。如果结合使用市电交互模式与冷电联产,那么微型燃气轮机有可能比传统方法更具TCO优势。不过,还有许多技术障碍需要克服,包括如何经济有效地提供容错功能。从用户的角度而言,要最大程度地提高供电系统的可用性,在目前所用的基于引擎技术的容错结构上进行改进,是最为理想的投资手段。此类投资包括采用双路供电线路结构,N+1结构以及改进系统的集成与测试、改进监测仪表与监控等。

(六)UPS供电范围和容量估算
(1)UPS配电系统的供电范围是计算机设备、通信设备、网络设备、服务器、监控设备、保安监控系统小型机/服务器、网络主交换机等重要设备。所以要根据机房内设备最终数量考虑。
(2)在初步设计阶段,考虑UPS容量的计算,会感到比较繁琐,因此经常用估算的方法,一般是按350W/m2估算。当用户能够提供用电设备规划时,则可以按每个机柜的实际用电量1.5kVA左右进行核定。则配电池的数量与容量大小及支持时间长短有关。在考虑规范的前提下,支持时间的长短还要依机房设备的运行需要而定。
另外,在确定UPS容量时,若条件允许,则尽量使其输出功率大于用电设备额定功率之和的1.3~1.5倍,作为一种冗余,为今后负荷的扩展提供方便。

 

UPS蓄电池的种类、选择及维护

摘要:一部分工程师人员在配置电源时,往往比较注重UPS主机的性能,却忽视了对UPS蓄电池的选择。选择不恰当的配套蓄电池往往会造成UPS后备时间不足、电池不能放电等事故,或电池的使用寿命很短量,下面就根据几个方面来分析下电池的选择。 
一部分工程师人员在配置电源时,往往比较注重UPS主机的性能,却忽视了对UPS蓄电池的选择。选择不恰当的配套蓄电池往往会造成UPS后备时间不足、电池不能放电等事故,或电池的使用寿命很短量,下面就根据几个方面来分析下电池的选择。
一、UPS蓄电池的种类
蓄电池是UPS系统中的一个重要组成部分,它的优劣直接关系到整个UPS系统的可靠程度,然而蓄电池却又是整个UPS系统中平均无故障时间(MTBF)最短的一种器件。如果用户能够正确使用和维护,就能够延长其使用寿命,反之其使用寿命会大大缩短。
蓄电池的种类一般可分为阀控式密封铅酸蓄电池、胶体电池等。UPS要求所选用的蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特性。目前,在线运行的蓄电池基本上是这两种,不属于铅酸蓄电池。
阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)
因其体积较小、密封性能好、绝少维护而被广泛应用于各类UPS电源中。VRLA防止电池内部电解液流动有两种技术方法:一种是将硫酸电解液与SiO2,胶体混合后充满电池内部,制成胶体电池(简称GEL)。这类产品产量较低,约占VRLA电池总量的15%。另一种是利用超细玻璃棉将电解液不饱和地吸附住,制成吸液式电池或贫液式电池(简称AGM)。由于后者具有较好的大电流放电性能,在UPS系统中较多采用,国内厂家也大多生产AGM蓄电池。
胶体电池
胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类,最简单的做法,是在硫酸中添加胶凝剂,使硫酸电液变为胶态。电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。广义而言,胶体电池与常规铅酸电池的区别不仅仅在于电液改为胶凝状。例如非凝固态的水性胶体,从电化学分类结构和特性看同属胶体电池。又如在板栅中结附高分子材料,俗称陶瓷板栅,亦可视作胶体电池的应用特色。近期已有实验室在极板配方中添加一种靶向偶联剂,大大提高了极板活性物质的反应利用率,据非公开资料表明可达到70wh/kg的重量比能量水平,这些都是现阶段工业实践及有待工业化的胶体电池的应用范例。胶体电池与常规铅酸电池的区别,从最初理解的电解质胶凝,进一步发展至电解质基础结构的电化学特性研究,以及在板栅和活性物质中的应用推广。其最重要的特点为:用较小的工业代价,沿已有150年历史的铅酸电池工业路子制造出更优质的电池,其放电曲线平直,拐点高,比能量特别是比功率要比常规铅酸电池大20%以上,寿命一般也比常规铅酸电池长一倍左右,高温及低温特性要好得多。鐢垫睜gc-4-1(1).jpg
1.功率定型法
这种方法比较简便,根据蓄电池恒功率放电参数表可以快速准确地选出蓄电池型号。首先计算在后备时间内,每个2V的蓄电池至少应向UPS提供的恒功率:P=Scosφ/(ηN•K)(1)
式中:S---UPS标称输出功率
cosφ---UPS输出功率因数;
η----逆变器效率;
N---在UPS中以12V电池计算时所需的串联电池个数,由UPS正常工作电压确定;K---系数,厂家提供的电池恒功率放电数据表,一般是以2V单元电池为计算基准的,12V/节电池相当于6个2V单元串联,此时取K=6;如果电池厂家提供的电池恒功率放电数据表是以12V单元电池为计算基准的,则K=1。
然后确定蓄电池的放电终止电压UT:UT=Umin/(N*6)(2)
式中:Umin---UPS最低工作电压
我们可以在厂家提供的UT下的恒功率放电参数表中,找出等于或稍大于P的功率值,这一功率值所对应的型号即能满足UPS系统的要求。如果表中所列的功率值均小于P,可通过多组电池并联来达到功率要求,一般并联不应超过4组。
下面举例说明:例如一台80kVA梅兰日兰UPS后备15min,已知UPS输出功率因数cosφ为0.8,逆变器效率η为0.94,正常工作电压为384V,最低工作电压Umin为320V,则配套蓄电池组N应为32节(384V/12V)12V/节电池串联,根据式(1)得出P=354.6W,根据式(2)得出放电终止电压UT=1.67V。如我们选用美国GNBSprinter系列电池,根据GNBSprinter样本提供的在25℃时每单元恒功率放电数据表,查找15min列下等于或稍大于354.6W的功率值为373W,对应的型号为S12V370,其额定容量为100Ah,也就是说,用32节GNBS12V370蓄电池串联,可以满足该UPS系统的要求。如果选用2V/节电池串联,则在2V系列电池的恒功率放电数据表中查出相应型号,整组串联电池数量为6N。
2.电流定型法
这是根据某一品牌蓄电池的恒流放电曲线来确定蓄电池容量和型号的方法。首先计算UPS系统要求的蓄电池最大放电电流:Imax=Scosφ/(ηUmin)(3)
式(3)中各符号的含义与功率定型法中所定义的相同。在计算出电池串联数量N和放电终止电压UT后,就可以根据UPS要求的后备时间从蓄电池恒流放电曲线中查出放电速率n,然后根据放电速率的定义:n=Imax/C10,得出配置蓄电池的额定容量C10并确定电池型号。
下面仍以80kVA梅兰日兰UPS后备15min系统配套美国GNBSprinterl2V电池为例来说明。首先按式(3)计算蓄电池的最大放电电流,Imax=212.8A,由式(2)得出每2V单元的放电终止电压UT=1.67V。在sprinter恒流放电曲线图(图1)中,根据后备时间15min(横坐标)和放电终止电压1.67V(纵坐标),可得出放电速率n

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