UPS电源在数据中心机房的应用

文│ 北京协和医院 张 硕

UPS电源在数据中心机房的应用

文│ 北京协和医院 张 硕

数据中心是现代信息化建设的基础工程，为各个行业提供稳定、安全的工作环境。而数据中心的供电系统就是这项基础工程的心脏和大动脉。供电系统的稳定，能够保障其他系统作用的发挥和核心业务的正常运行。使用不间断电源（UPS），确保关键用电设备的安全性是解决上述问题最重要的方法之一，这也使得全社会对不间断电源的需求日益增加。

不间断电源是一种含有储能的装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。它主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其他电力电子设备提供不间断的电力供应。就UPS应用技术而言，主要分为三类，即后备式、在线互动式及在线双变换式。

1 UPS电源配置方式概述

UPS供配电系统既可以采用单机供电，也可以采用冗余方式进行供电。冗余方式供电在少数设备故障时，仍然能够满足数据中心内的用电需求，这是单机供电所不能达到的。从冗余式配置方式来看，有以下几种方式：

（1）双机主从式热备份配置方式（如图1所示）

主机带负载，备机空载，备机接入主机的Bypass（旁路）输入端，两套UPS串联连接。

（2）功率均分并联备份配置方式（如图2所示）

由具有相同额定输出功率的UPS可直接并联形成冗余供电系统。为保证高质量的并机系统，各电源间必须保持同频同相，且各机均流。

（3）双母线单机系统配置方式（如图3所示）

双母线供电方式是采用两条总线对后端设备进行供电，每条总线上具有一套相同的UPS供电方式。

（4）双母线双机系统配置方式（如图4所示）

系统1有UPS1-1和UPS1-2两台带并机柜并机，两台UPS平时可各带50%负载，当一台UPS有故障时，另一台可带100%负载继续供电。

系统2有UPS2-1和UPS2-2两台带并机柜并机，结构和工作原理同系统一样。

平时，系统1与系统2分别带自己的负载，当其中一个系统供电母线上的任何设备或电缆需要维护或解决故障时，其负载可经静态转换开关切换至另一个系统从而供电。

2 UPS电源配置方式分析

2.1 双机主从式热备份配置方式分析

（1）优点

◆ 两台甚至多台UPS基本处于相对独立、互不干扰的运行状态；

◆ 可采用不同型号、不同容量的UPS构成串联热备份方式；

◆ 配置方式比较灵活，不需要两台UPS电源，不需要增加额外辅助电路，不增加购置成本。

（2）缺点

◆ 两台UPS老化程度不同，备机电池组长期处于浮充状态，影响电池寿命；

◆ 这种结构有许多单点故障，如果主UPS出了故障，那么另一台必须接替全部负载，在约8ms内，另一台必须把供电从0增加到100%；

◆ 备用UPS需具有阶跃性负载承载能力，无扩容能力，由于人们很难实时了解备用UPS的各部分有无故障或隐患，所以当要启动备用机时，就可能无法正常工作。

2.2 功率均分并联备份配置方式分析

（1）优点

◆ 完善的锁相同步技术保证多台UPS直接并联时可均分负载电流；

◆ 瞬间过载能力强，能够自动均分功率；

◆ 良好的扩容性能（N＋1），避免了“串联”热备份方式的缺点。

（2）缺点

◆ 存在环流增加无功损耗，降低系统的可靠性；

◆ 需增加额外辅助电路，增加成本，增加故障点；

◆ 对设备本身同步锁相技术的要求高，对设备制造技术要求输出阻抗接近；

◆ 对逆变器输出电压分相调节性能要求高；

◆ UPS必须同型号、同容量，多台并联时，旁路也需增加“均流电感”。

2.3 双母线单机系统配置方式分析

（1）优点

◆ 消除可能出现在UPS输出端与最终用户负载端之间的“单点”故障隐患，提高输出电源供电系统的“容错”功能；

◆ 可在线维护、在线扩容与在线升级；

◆ 改善了总线的可用性，满足双电源用电设备的需求，真正实现了7×24×365运行的目标；

◆ UPS输出针对每个机柜采用一个独立回路，使用插座或者工业连接器对单独机柜进行供电；

◆ 对于双路供电设备，便于从两个独立的UPS进行输出配电；

◆ UPS电源分别送到数据中心各个机柜，既安全可靠，又方便使用和维护。

（2）缺点

◆ 成本增大，需要增加2倍以上的成本。

2.4 双母线双机系统配置方式分析

（1）优点

◆ 由于每个系统中有两台UPS带并机柜并机，并在旁路柜前增加一台隔离变压器，所以当UPS转旁路时，可消除市电对负载谐波干扰及降低零地电压；

◆ 两台UPS平时可各带50%负载，当一台UPS有故障时，另一台可带100%负载继续供电，当两台UPS同时有故障时，可经UPS静态旁路开关柜MSS转到旁路供电；

◆ 当其中一个系统供电母线上的任何设备或电缆需要维护或解决故障时，其负载可经静态转换开关切换至另一个系统进行供电，做到了点对点的冗余，极大地增加了整个系统的安全性；

◆ 由于LBS负载总线同步跟踪控制器的配置，若某个UPS供电系统出现故障，可通过自动跟踪控制功能的负载总线同步跟踪控制器和静态转换开关，使正常工作系统的UPS承担全部负载的供电任务，既保障了用电系统的安全，又保障系统UPS脱机检修；

◆ 外置维修旁路的配置使系统可在线维护；

◆ 互锁装置的配置，保证了两个系统（台）之间的安全切换，逆变器输出和维修旁路不会短路。

（2）缺点

◆ 成本较高。

3 结束语

本文通过对UPS电源系统的综合分析，得出如下结论：对于大中型数据中心机房在双电源负载居多且重要的情况下，UPS电源系统配置应当选择双母线单机（1＋1）系统配置方式或双母线双机系统配置方式。