数据中心机房UPS系统参数设计及设备选型

摘要：不间断电源系统（UPS）是数据中心核心的电气设备之一，对数据中心的稳定可靠运行发挥了重要作用。鉴于此，分析了UPS主机设备、电池、UPS输入输出柜、电池开关柜、电池架、电缆等的参数设计，并详细列举了各设备如何选型。

关键词：UPS电源；输入输出柜；电池；电池开关柜；电池架；参数设计；设备选型

中图分类号：TN86    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）10-0062-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.017

0    引言

UPS是一种利用电池化学能源作为后备能量，在市电断电或发生异常等电网故障时，不间断为负载提供交流电能的能量转换装置，其正式名称为不间断供电系统（Uninterruptible Power System）。UPS的主要作用有两个：一是在市电正常时稳压整流，改善电网电能质量，为负载提供高质量的电能；二是在市电故障时将电池的直流电逆变成为交流电，为负载持续可靠供电。

因此，UPS系统的设计和选型对数据中心供电系统的建设具有核心意义。

1    UPS主机

1.1    简介

UPS主机按照原理分为三类：双变换式UPS、后备式UPS、在线式UPS。数据中心要求UPS主机可靠、稳定，因此以双变换式大容量UPS为主。双变换式UPS按照工作频率不同，分为工频UPS和高频UPS，按照功率模块是否可热插拔分为塔式机和模块机。工频与高频UPS优缺点分析对比以及模块机的优缺点分析可参照《新基建：数據中心规划与设计》[1]P236～261，此处不再赘述。双变换式UPS设备的原理图如图1所示。

1.2    容量计算

UPS系统设计时最主要的是合理确认主机的容量，UPS主机负载率在合理范围内，既能保证UPS高效率、高质量工作，又能保证初期投资的合理性。

查询《数据中心设计规范》[2]P19序号8.1.7条文得知，一般UPS的负载率要求在83.3%左右，A级数据中心因为需要2N冗余，因此规范推荐负载率在41.7%左右。实际设计过程中，考虑到UPS的运行工况以及建设成本等因素，A级数据中心的动力用UPS一般负载率不超过80%，IT用UPS不超过45%。UPS容量计算参数示例如表1所示。

UPS设备的功率因数按照0.9考虑，IT设备的有功功率为2 240 kW，则UPS设备的视在功率=有功功率/功率因数，代入数据2 240/0.9≈2 489 kVA。每台UPS的负载率低于45%，则A路UPS和B路UPS总容量最大值=负载容量/负载率，代入数据2 489/0.45≈5 531 kVA。数据中心项目常用的单体UPS的容量为400、500、600 kVA，因此可配置12台500 kVA的UPS，A路和B路分别为6台，每组3台并机。以上是简单的计算方法，具体还要结合项目海拔高度、是否降容、机柜布置、配电室布局等综合考量。

1.3    并机逻辑

UPS设备并机数量一般不大于4台，A级数据中心要求是按照2N配置，两路互为冗余。在同组并机系统内，UPS应具备轮巡功能，例如3台UPS并机，则要求2台处于工作状态，1台处于备用状态，定时进行轮巡，确保所有设备合理的工作时间。

同组UPS并机还应具备以下功能：单台设备故障时，剩余并机设备均摊所有负载，若均摊后负载率不大于105%，则剩余设备继续主路运行；若均摊后负载率大于105%时，则同时转旁路运行（注：UPS在最高105%负载时可正常运行）。

1.4    选型

数据中心UPS设备的容量虽然确定，但具体的选型还需要考虑以下因素：

（1）设备类型及容量：应为三相交流输入、输出双变换式高频机，容量参照设计容量。

（2）环境条件：设备应匹配项目所在地的海拔高度、温度湿度、大气压力等环境条件。

（3）电气性能和电磁兼容性能要求为Ⅰ级，应能满足GB/T 14715—2017《信息技术设备用不间断电源通用规范》P6～7以及P23要求。

（4）告警保护：应能实现输出短路保护，输出过载保护，输出欠压、过压保护，过温度保护，电池电压低保护，风扇故障保护，电容器故障保护，防雷保护等功能。

（5）具备遥测遥信功能。

（6）具备电池组智能管理功能。

（7）满足外壳保护、节能安保等要求。

目前，市场常用的品牌系列有：

（1）塔式机：伊顿9395系列、维谛EXL系列、施耐德Galaxy系列、科华KR33系列。

（2）模块机：科华MR33系列、华为5000E系列。

2    UPS输入输出柜

2.1    容量计算

UPS输入输出柜是一种低压柜，主要由断路器、一次供电回路、二次控制回路等组成，UPS输入输出柜配置的核心是确定断路器的规格容量。

三相电流的计算公式为：

式中：I为计算电流；S为设备的视在容量；cos φ为功率因数，UPS设备的功率因数一般取0.9，IT设备的功率因数一般取0.95；U为电源星接时的线电压，三相电为380 V，单相电为220 V。

以500 kVA的UPS为例，则其计算电流为（500×0.9/1.732）/380≈0.684 kA=684 A。参照低压设计规范，选用800 A的断路器满足设计要求。

对选用的断路器容量进行复核，UPS在125%负载的情况下，运行时间为600 s，考虑到800 A的断路器脱扣曲线中，1.125倍的Ir脱扣时间大于600 s，断路器不会在UPS脱机前脱扣，因此选用800 A断路器满足要求。

此处需特别注意：高频UPS的主路电源和旁路电源必须同源，输入柜的常规设计方法是上部为主路输入断路器，下部为旁路输入断路器。另外，考虑到UPS具有双变换模式和ECO模式两种运行模式，因此主路电源和旁路电源的断路器规格保持一致。部分金融数据中心出于安全考虑，也会选择1 000 A的断路器。

2.2    选型

数据中心UPS输入输出柜和断路器，基本以施耐德、ABB、西门子等三大家的产品为主。断路器型号主要有施耐德MT、NSX系列，ABB的Emax2、Tmax2系列，西门子的3WL、3VA系列；柜型主要有施耐德BLOKSET、OKKEN柜，西门子8PT、S8柜，ABBMSN2.0、3.0等。

3    UPS蓄电池

3.1    简介

蓄电池是将化学能转换为电能的装置，负责为UPS主机提供直流电源。蓄电池按照负极材质的不同分为铅酸电池和锂电池，铅酸电池按照电解液的固定方式不同分为AGM（玻璃纤维）电池和胶体电池。目前数据中心常用的蓄电池为铅酸蓄电池。

3.2    容量计算

已知A级数据中心对电池容量要求如下：

（1）电池后备时间为15 min；

（2）采用恒功率法计算；

（3）UPS参数：直流电压按照456～530 V范围计算（注：不同品牌的UPS直流电压不同，且同品牌的UPS电池配置不合理时会降容或者无法正常使用），功率因数按照0.9计算，逆变效率按照0.95计算；

（4）并联组数要求：300 kVA两组电池，400 kVA三组电池，500 kVA四组电池；

（5）每格电池的终止电压按照1.75 V计算；

（6）可靠系数按照1%～5%考慮；

（7）每节电池由6格单格电池组成，单格电池电压为2 V，单节电池电压为12 V。

根据UPS选型，确定每组电池的数量：

单格电池功率计算公式为：

以500 kVA容量的UPS为例，每组电池数量按照40块计算，并联组数为3组，将数据代入公式，经计算得知单格电池功率为657.9 W，电池的可靠系数按照5%计算，则657.9×1.05=690.795 W，则单格电池放电15 min后的功率最少应为690.795 W。以双登品牌电池6-GFMHR型号电池为例，查询其恒功率放电数据表（表2和表3），查询的前置条件为：放电截止电压1.75 V，放电时间15 min。

（1）6-GFMHR-700的功率为665 W，低于计算值690.795 W，不满足要求；

（2）6-GFMHR-750的功率为715 W，高于计算值690.795 W，满足要求。

故可以按照每台UPS设备3组电池并联，每组40块6-GFMHR-750电池配置。

另外，部分互联网客户的要求较高，电池的可靠系数也可按照15%考虑或满足其需求。为防止电池漏液造成危害，一般单体电池会配备漏液盘，并且所有电池正负极必须配备保护帽，在其他因素相同的情况下，优先考虑前置端子电池。

3.3    选型

常用的蓄电池品牌有西恩迪DNT系列，双登6-GFMHR系列，圣阳SPG12、FTA系列，南都12HRL系列等。

4    UPS电池开关柜

UPS开关柜的核心元器件是直流断路器，其额定电流的计算公式为：

式中：Pe为负载的有功功率；U为单节电池的截止电压（一般取10.5 V[3]）×单组电池的数量；Sjs为视在容量；cos φ为功率因数，一般取0.9；UPS逆变效率一般取0.95。

以500 kVA的UPS为例，单节电池的截止电压取10.5 V，每组电池数量为40块，功率因数取0.9，逆变效率取0.95，代入以上数据，经计算可知，其总断路器电流计算最大值应该为（500×1 000×0.9/0.95）/（10.5×40）≈1 128 A；共计3个分支回路，分支回路的断路器电流计算最大值为1 128/3=376 A。所以，总断路器可选直流塑壳断路器1 250 A，分支回路可选直流塑壳断路器630 A。注意直流断路器的额定耐压等级应为750 V，总断路器应配备分励脱扣器，与UPS主机联锁（在UPS关机时电池总开关联锁关闭）。

5    UPS电池架

UPS电池架用来放置蓄电池组，其尺寸主要根据单体蓄电池的尺寸和数量确定，一般要求电池架层数不超过4层，支架底部配备散力支撑。电池架图纸应明确各电池的接线顺序，实例如图2所示。

6    UPS铜排及线缆

电流计算值的计算方法与断路器相同，铜排及电缆的额定电流确认原则为：

式中：Ij为回路计算电流；In为断路器额定电流；Iz为铜排及电缆持续载流量。

以500 kVA的UPS为例，铜排及电缆明敷，环境温度为30 ℃，分支回路断路器为630 A，查询建筑电气常用数据图集[5]，单片铜母排40×5的持续直流载流量为664 A，单芯电缆150 mm2的直流载流量为406 A，采用两根电缆双拼并联形式，并联可靠系数取0.9，则其载流量为406×2×0.9=730.8 A，满足要求。

此处需要注意：部分品牌的UPS设备是需要电池中性线的，中性线截面积可以是正负极电缆的一半，在招投标时需计算在内。

7    结语

UPS是数据中心的核心电气设备，对数据中心的供电可靠性、稳定性有着巨大的影响。本文详细说明了数据中心UPS系统的参数设计以及设备选型依据，可为类似项目设计和选型提供参考。

[参考文献]

[1] 钟景华，傅烈虎，丁麒钢，等.新基建：数据中心规划与设计[M].北京：电子工业出版社，2021.

[2] 数据中心设计规范：GB 50174—2017[S].

[3] 信息技术设备用不间断电源通用规范：GB/T 14715—2017[S].

[4] 宋胜利.模块化UPS电源设备的配置[J].机电信息，2022（9）：10-13.

[5] 中国建筑标准设计研究院.建筑电气常用数据：19DX101-1[S].北京：中国计划出版社，2019.

收稿日期：2023-04-27

作者简介：张乐（1989—），男，河北保定人，工程师，研究方向：数据中心机电系统设计。