目前,綠色節(jié)能的供電方案悄然興起,文中簡述了“冷熱電三聯(lián)供”在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用。在數(shù)據(jù)中心中,UPS供電系統(tǒng)的一個(gè)主要功能是為負(fù)載提供不間斷供電(由于電網(wǎng)已具有很高的供電質(zhì)量,UPS改善電能質(zhì)量的功能已顯得不那么重要了)。經(jīng)過多年的實(shí)踐,業(yè)界相繼推出了多種供電方案。

　　1 單機(jī)供電方案

單機(jī)供電方案是UPS供電方案中結(jié)構(gòu)最為簡單的一種,其原理圖如圖1所示。系統(tǒng)由UPS主機(jī)、電池組、油機(jī)、輸入/輸出屏等組成。該方案不需要專門的配電設(shè)計(jì)和工程施工,安裝快捷。缺點(diǎn)是可靠性較低。一般用于小型網(wǎng)絡(luò)、單獨(dú)服務(wù)器、辦公區(qū)等場合。

2 串聯(lián)熱備份冗余供電方案

串聯(lián)熱備份冗余供電方案是一種應(yīng)用較早、簡單而成熟的供電方案,它被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。UPS串聯(lián)的特點(diǎn)是,主機(jī)UPS和備份機(jī)UPS均為完整的、具有獨(dú)立旁路的在線式UPS單機(jī)。在市電正常情況下,主機(jī)UPS給負(fù)載提供100%的電能,備份機(jī)UPS不為負(fù)載提供電能;在主機(jī)UPS發(fā)生故障時(shí),切換到備份機(jī)UPS為負(fù)載提供100%的電能,也可切換到維修旁路1,由市電直接為負(fù)載供電;當(dāng)市電發(fā)生故障時(shí),由電池組提供備用時(shí)間,轉(zhuǎn)由油機(jī)供電。由兩臺(tái)UPS構(gòu)成的串聯(lián)熱備份冗余供電方案的原理圖如圖2所示。圖3是由三臺(tái)UPS構(gòu)成的串聯(lián)熱備份冗余供電方案的原理圖,其工作原理與圖2相同。

以由兩臺(tái)UPS構(gòu)成的串聯(lián)熱備份冗余供電方案為例,一般是選用兩臺(tái)具有相同容量的UPS(也可采用不同容量的UPS),將UPS2的逆變器輸出端連接到UPS1的交流旁路靜態(tài)開關(guān)的輸入端上,從UPS1的輸出給負(fù)載供電。當(dāng)市電正常時(shí),由UPS1的逆變器輸送電能給負(fù)載,UPS2處于空載運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)UPS1中的逆變器出現(xiàn)故障時(shí),負(fù)載才由UPS2的逆變器輸送電能。此種冗余供電方式的優(yōu)點(diǎn)是,對(duì)UPS單機(jī)的鎖相同步跟蹤控制技術(shù)要求不高(僅在兩臺(tái)UPS進(jìn)行切換瞬間有所要求),熱備份冗余供電系統(tǒng)構(gòu)成容易、簡單,主機(jī)和備份機(jī)可以采用不同生產(chǎn)廠家和不同容量的UPS產(chǎn)品。缺點(diǎn)為長期空載運(yùn)行的其中一臺(tái)UPS的配套蓄電池壽命縮短;由于一臺(tái)UPS帶全載,另一臺(tái)空載,造成平均無故障時(shí)間下降;要求單機(jī)具有帶“階躍性負(fù)載”的能力,以保障主機(jī)出故障后,能將全部負(fù)載立即加到空載運(yùn)行的備份機(jī)上。由于備份機(jī)長期處于空載運(yùn)行狀態(tài),一旦出現(xiàn)切換過程,負(fù)載量將由0突變至100%負(fù)載,內(nèi)部電路及元器件由于大電流的沖擊,易造成損壞,使UPS的安全運(yùn)行穩(wěn)定性降低。

　　3 并聯(lián)熱備份冗余供電方案

并聯(lián)熱備份冗余供電方案是將多臺(tái)同型號(hào)、同容量的UPS通過并機(jī)柜、并機(jī)模塊或并機(jī)板把輸出端并接而成。目的是共同分擔(dān)負(fù)載功率?；驹硎?在正常情況下,多臺(tái)UPS均有逆變器輸出,平分負(fù)載和電流。當(dāng)一臺(tái)UPS故障時(shí),由剩下的UPS承擔(dān)全部負(fù)荷。并聯(lián)冗余的本質(zhì)是UPS均分負(fù)荷。實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)形式多,有N+1或者N+X.實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余的前提是必須要解決以下技術(shù)問題:

①各并聯(lián)的UPS的輸出波形保持同幅值、同相位和同頻率,并機(jī)時(shí)的環(huán)流應(yīng)盡可能小,如:小于2%;

②各并聯(lián)的UPS應(yīng)均分負(fù)載;

③USP故障時(shí)能快速脫機(jī)。

并聯(lián)熱備份冗余供電方案的優(yōu)點(diǎn):多臺(tái)UPS均分負(fù)荷,可靠性大大提高;擴(kuò)容方便;系統(tǒng)壽命和可維護(hù)性大大提高。

并聯(lián)熱備份冗余供電方案缺點(diǎn):成本增加;在并機(jī)輸出側(cè)依然存在單點(diǎn)故障。

圖4所示的并聯(lián)熱備份冗余供電方案的原理圖是一個(gè)N+1型冗余并機(jī)系統(tǒng)。要求N臺(tái)UPS的輸出必須具有同相位、同頻率、同輸出電壓幅值,技術(shù)要求高。但多臺(tái)UPS共同均衡的給負(fù)載供電,若一臺(tái)UPS發(fā)生故障,會(huì)自動(dòng)將有故障的UPS自動(dòng)脫機(jī),負(fù)載由其它的UPS共同均衡供電,提高了此種并機(jī)方式的性能,使平均無故障時(shí)間得到了提高,設(shè)備的運(yùn)行更加穩(wěn)定。圖4實(shí)際上是通過并機(jī)板并聯(lián)的1+1型并聯(lián)熱備份冗余供電系統(tǒng)。

4 雙總線冗余(2N)供電方案

雙總線冗余(2N)供電方案的原理圖如圖5所示,它實(shí)際上是與并聯(lián)熱備份(1+1)冗余供電方案類似的、更加安全供電的方式,它是由兩套UPS供電系統(tǒng)組成,在一套供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),負(fù)載由另一套供電系統(tǒng)來保障,大大加強(qiáng)了供電的安全性。但成本較高。

早期應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的UPS供電方案輸出的配電系統(tǒng)往往出現(xiàn)開關(guān)跳閘、保險(xiǎn)燒毀、電路短路等供配電回路故障,這在很大程度上影響UPS系統(tǒng)的供配電的可靠性。為提高機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的可靠性,2N或2(N+1)的系統(tǒng)在中、大型數(shù)據(jù)中心中得到了規(guī)模應(yīng)用,在業(yè)界也將此稱為雙總線或者雙母線供電系統(tǒng)。

該方案的特點(diǎn)是:

①考慮到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本,數(shù)據(jù)中心的負(fù)載被分為兩類:單電源/三電源負(fù)載、雙電源負(fù)載。正常工作時(shí),兩套母線系統(tǒng)共同供電給所有的雙電源負(fù)載;通過STS的設(shè)置,各自供電給一半的關(guān)鍵的單電源負(fù)載。因此,正常工作時(shí),兩套母線系統(tǒng)會(huì)各自帶有50%的負(fù)載。

②將其中的一套單機(jī)系統(tǒng)能夠作為雙總線系統(tǒng)的一根輸出母線,另外一套單機(jī)系統(tǒng)作為雙總線的另一根輸出母線,將兩套母線系統(tǒng)輸出通過同步控制器同步起來。

 負(fù)載母線同步跟蹤控制器(LBS)用于雙總線UPS系統(tǒng)中,用來保證兩套UPS輸出系統(tǒng)的同步。例如,先設(shè)定任意一套UPS并機(jī)系統(tǒng)為主機(jī),LBS同時(shí)監(jiān)控兩條母線上的UPS輸出頻率及相位。一旦發(fā)現(xiàn)他們超出同步跟蹤范圍時(shí),LBS激活,內(nèi)部控制對(duì)預(yù)先定義為Master的UPS繼續(xù)跟蹤市電,另一條母線上的UPS將通過LBS的控制,對(duì)Master進(jìn)行跟蹤,從而實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)同步。

③即使是一套系統(tǒng)完全失效或者需要檢修,雙電源負(fù)載因?yàn)橛幸桓敵瞿妇€仍然有電,所以會(huì)繼續(xù)正常工作。而關(guān)鍵的單電源負(fù)載會(huì)通過STS零切換到另外一根輸出母線,也會(huì)正常工作。

④區(qū)別于以前的供電方案,系統(tǒng)的備份首先帶來的是負(fù)載用電的可靠性的顯著提升。除此之外,該方案具有優(yōu)秀的開放性和良好的前瞻性,系統(tǒng)以后的擴(kuò)容升級(jí)和維護(hù)也十分方便。因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候均可將其中的一套系統(tǒng)完全下電進(jìn)行處理以解決維護(hù)或者擴(kuò)容問題。

雙總線系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的在線維護(hù)、在線擴(kuò)容、在線升級(jí);提供了更大的配電靈活性,滿足了服務(wù)器的雙電源輸入要求;解決了供電回路中的“單點(diǎn)故障”問題;做到了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的冗余;極大地增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性;提高了輸出電源供電系統(tǒng)的“容錯(cuò)”能力。但是,該方案的建設(shè)成本相對(duì)較高,在實(shí)際建設(shè)的過程中,需要在提高可靠性和降低成本兩者之間適當(dāng)權(quán)衡。

5 模塊化UPS冗余供電方案

(1)模塊化UPS特性分析

模塊化是UPS的發(fā)展趨勢(shì)之一。雖然單機(jī)模塊化UPS的可靠性與單機(jī)高頻機(jī)UPS的可靠性相差無幾。但是作為系統(tǒng)而言,模塊化UPS供電系統(tǒng)不僅在性能上有很大的改善,而且在可靠性、可維護(hù)性以及智能化方面的指標(biāo)更有顯著的提高。與傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)相比,模塊化UPS供電系統(tǒng)主要特性如下。

①并聯(lián)冗余的運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高

在模塊化UPS供電系統(tǒng)中,功率模塊部分是并聯(lián)冗余的,即功率部分是由許多模塊并聯(lián)在一起,它們不分主從,互不依賴,并且均分負(fù)載。由獨(dú)立的監(jiān)測、報(bào)警、通信模塊和系統(tǒng)保護(hù)用的靜態(tài)開關(guān)模塊等幾部分組成,不存在集中控制單元,系統(tǒng)沒有故障瓶頸。在模塊化UPS供電系統(tǒng)中,只需要購買相應(yīng)的功率模塊,即可實(shí)現(xiàn)(N+X)并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)。

②維修方便、在線處理、可用性高

在線熱插拔是模塊化UPS供電系統(tǒng)的又一顯著特點(diǎn)。因?yàn)槟K的規(guī)格統(tǒng)一,具體實(shí)施很簡單,更換時(shí)間極短,幾分鐘內(nèi)便可完成。相比之下,傳統(tǒng)UPS發(fā)生故障時(shí),從判斷故障現(xiàn)象到更換完成、排除故障、設(shè)備正常運(yùn)行,根據(jù)技術(shù)人員水平的高低,需要幾小時(shí)甚至幾天不等。絕大部分情況下,需要生產(chǎn)廠家派出技術(shù)人員進(jìn)行檢修。模塊化UPS供電系統(tǒng)提高了系統(tǒng)可用性,使維護(hù)更為便捷,同時(shí)提升了使用人員對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)能力,降低了設(shè)備的故障隱患,確保負(fù)載得到最佳的保護(hù)。

③安裝簡單、擴(kuò)容方便、節(jié)約投資

模塊化UPS供電系統(tǒng)在物理尺寸和重量上,比傳統(tǒng)機(jī)型有大幅度改進(jìn),為用戶節(jié)省大量的機(jī)房面積和承重加固等方面的投資。當(dāng)需要擴(kuò)容時(shí),傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)就必須更換一臺(tái)更大容量的UPS來滿足使用需求。但模塊化UPS供電系統(tǒng),則不需要更換整機(jī),只需增加模塊數(shù)量即可輕松擴(kuò)容,有效地降低了初期購置和日后的擴(kuò)容成本,并且可以動(dòng)態(tài)地滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。

④節(jié)能、環(huán)保的綠色電源

模塊化產(chǎn)品由于自身系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì),整機(jī)效率比傳統(tǒng)機(jī)型有了突破性的進(jìn)展。模塊化UPS的輸入電流總諧波失真(THDI)一般小于5%;輸入功率因數(shù)PF≥0.99;沒有無功功率電流輸入,極大地降低了對(duì)電網(wǎng)的污染,有效地減少電網(wǎng)負(fù)荷和電源損耗,逆變效率一般為95%。

模塊并聯(lián)方案實(shí)質(zhì)上就是上述的并聯(lián)熱備份冗余供電方案的一種,只不過其具體的實(shí)現(xiàn)方式和傳統(tǒng)的并聯(lián)熱備份冗余供電方案有所不同:模塊化UPS供電系統(tǒng)可并聯(lián)功率模塊、電池模塊、充電模塊等,也可數(shù)個(gè)整機(jī)架并聯(lián)。

(2)模塊化UPS冗余供電方案

模塊化UPS供電系統(tǒng)本身具有并聯(lián)冗余、在線擴(kuò)容的特性(見圖6),所以通過模塊化UPS的組合應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)高保障等級(jí)的不間斷供電系統(tǒng),對(duì)核心、關(guān)鍵性的信息網(wǎng)絡(luò)機(jī)房可構(gòu)成模塊化UPS雙總線供電方案。每路各由一臺(tái)模塊化UPS系統(tǒng)供電,既能確保重要設(shè)備切換裝置電源的無擾動(dòng)切換,又能確保對(duì)不具備兩路供電的設(shè)備,在一路UPS系統(tǒng)故障時(shí),另一路實(shí)現(xiàn)緊急恢復(fù)供電功能,確保重要設(shè)備的正常運(yùn)行。模塊化UPS供電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS系統(tǒng)持續(xù)地并聯(lián)擴(kuò)容或冗余備份,滿足了后期設(shè)備的隨需擴(kuò)展,并且實(shí)現(xiàn)了UPS輸入的高效節(jié)能,其整機(jī)效率高、發(fā)熱量小、運(yùn)行損耗小,能大大提高電能利用率,實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電。

模塊的N次冗余量也是系統(tǒng)配置需要考慮的重要方面。如果系統(tǒng)模塊的冗余量過大,顯然對(duì)資源是一種浪費(fèi),而冗余量過小,就要求系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性相對(duì)要很高,模塊的超載以及均衡帶載性能必須非常出色。所以在模塊視在功率設(shè)置上,需要結(jié)合實(shí)際需求,進(jìn)一步發(fā)展和完善。模塊化UPS技術(shù)將傳統(tǒng)系統(tǒng)級(jí)冗余改變?yōu)槟K級(jí)冗余。

在確保供電安全且系統(tǒng)容量較小情況下,應(yīng)用模塊化UPS供電系統(tǒng)可有效降低整個(gè)不間斷供電系統(tǒng)的造價(jià)和運(yùn)行成本,同時(shí)系統(tǒng)也能通過新增模塊在線擴(kuò)容。其模塊利用率較高,也可以使能效提高,系統(tǒng)的可操作性、可維護(hù)性也得到相應(yīng)提高。

6 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

冷熱電三聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)是一種建立在能量梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上,將供熱(采暖和供熱水),制冷及發(fā)電過程有機(jī)結(jié)合在一起的總能系統(tǒng)。三聯(lián)供屬于分布式能源的主要形式之一。由于分布式能源可將能源效率提高80%以上,對(duì)環(huán)境負(fù)面影響小,有利于局部電網(wǎng)安全,對(duì)燃?xì)夂碗娋W(wǎng)有削峰填谷的作用,因此很多發(fā)達(dá)國家將其作為國家能源體系的重要組成部分。從經(jīng)濟(jì)性考慮,數(shù)據(jù)中心用電和用冷負(fù)荷波動(dòng)小,且常年需要供冷,符合三聯(lián)供系統(tǒng)的功能特點(diǎn)。

CCHP的基本原理是溫度對(duì)口、梯級(jí)利用,如圖7所示。首先潔凈的天然氣在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫高壓的氣體用于發(fā)電做功,產(chǎn)出高品位的電能,發(fā)電做功后的中溫段氣體通過余熱回收裝置回收利用,用來制冷、供暖,其后低溫段的煙氣可以通過再次換熱供生活熱水后排放。通過對(duì)能源的梯級(jí)利用使能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到80%左右,大量節(jié)省了一次能源。

(1)CCHP系統(tǒng)的特點(diǎn)

CCHP系統(tǒng)具有節(jié)能、減排、經(jīng)濟(jì)、安全、削峰填谷、促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種不可替代的優(yōu)勢(shì)。CCHP的特點(diǎn)如下:

①提高能源綜合利用效率

CCHP系統(tǒng)建在用戶現(xiàn)場或鄰近,減少了能源輸運(yùn)過程的損失。應(yīng)用了能量梯級(jí)利用原理,先發(fā)電,再利用余熱,體現(xiàn)了由能量的高品位到低品位的科學(xué)用能,使一次能源綜合利用效率和效益大幅度提高。

②降低排放,保護(hù)環(huán)境

據(jù)測算,在滿足同樣電熱負(fù)荷條件下,CCHP系統(tǒng)供能方式與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電分供方式比較,CO2排放可降低約50%。近年來,脫氮及溫室氣體捕獲利用技術(shù)的發(fā)展可以使CCHP系統(tǒng)供能系統(tǒng)滿足各種嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

③良好的經(jīng)濟(jì)性

與大型天然氣集中發(fā)電,特別是與燃煤電廠相比,CCHP系統(tǒng)首先用天然氣生產(chǎn)了高價(jià)值的電力,又將余熱用于供冷、供熱或工業(yè)蒸汽負(fù)荷,創(chuàng)造了比前者更加顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

   ④提高能源供應(yīng)的安全性CCHP類型的分布式能源在大電網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí),可以維持當(dāng)?shù)乩^續(xù)供電,減緩了地方對(duì)集中供電系統(tǒng)的過分依賴,還可以根據(jù)用戶負(fù)荷的特殊需求采用調(diào)節(jié)手段提高供電質(zhì)量。

⑤改善能源使用結(jié)構(gòu)

CCHP系統(tǒng)對(duì)電力與燃?xì)夤?yīng)的削峰填谷是其重要的功能。如北京等大城市夏季多采用電制冷,冬季用燃?xì)忮仩t供熱,電力及燃?xì)夤?yīng)存在很大的季節(jié)性峰谷差。采用CCHP系統(tǒng)后,發(fā)電余熱可用于供熱和制冷,既能減小電空調(diào)造成的供電高峰,又填補(bǔ)了燃?xì)夤?yīng)在夏季的低谷,緩解了各自的峰谷差,是供能需求側(cè)管理的有效手段,有利于能源供應(yīng)的可持續(xù)發(fā)展。

(2)CCHP系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

CCHP系統(tǒng)是冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng),是建立在能量的梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上的,以天然氣為一次能源,產(chǎn)生冷、熱、電的聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)。CCHP系統(tǒng)提高了天然氣能源利用率,大量節(jié)省了一次能源。數(shù)據(jù)中心負(fù)荷波動(dòng)較小,用電和用冷量大,常年需要供冷,符合CCHP系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn),能夠提高CCHP的經(jīng)濟(jì)性。

數(shù)據(jù)中心使用CCHP系統(tǒng),應(yīng)以用電負(fù)荷的容量作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。通過合理的設(shè)計(jì),CCHP系統(tǒng)可滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供電和供冷需要,保證數(shù)據(jù)中心用電和用冷的可靠性。從CCHP系統(tǒng)單一環(huán)節(jié)來看,其可靠性不如市電。所以,至少目前UPS在數(shù)據(jù)中心中是不可或缺的,UPS不僅保障了不間斷供電,還可在一定程度上改善供電質(zhì)量。冷熱電三聯(lián)供在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的原理框圖如圖8所示。

　　6 結(jié)束語

隨著信息化的高速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和規(guī)模急劇增加,供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃越來越受到業(yè)界的重視。為了順應(yīng)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展,UPS供電系統(tǒng)趨于智能化、數(shù)字化、高頻化、冗余并機(jī)、綠色化和集成化是一條必然的發(fā)展之路。文中介紹的幾種UPS供電系統(tǒng)方案只是發(fā)展之路的驛站,新的供電系統(tǒng)方案必將應(yīng)運(yùn)而生。

編輯：Harris

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