IDC機(jī)房UPS供電模式及供電需求分析

 IDC機(jī)房建設(shè)中，動(dòng)力系統(tǒng)的建設(shè)無(wú)疑是其重中之重，各項(xiàng)業(yè)務(wù)的開(kāi)展，各種服務(wù)器的穩(wěn)定工作，都離不開(kāi)穩(wěn)定、可靠、不間斷的電力供給。本文簡(jiǎn)單探討IDC機(jī)房幾種電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)的可行性等。

    一、IDC機(jī)房對(duì)供電的需求有如下幾個(gè)特點(diǎn)

    1、對(duì)供電要求高靠性

    IDC面對(duì)的客戶一般都是企業(yè)級(jí)客戶，有的甚至為門(mén)戶網(wǎng)站，若負(fù)載中斷，IDC業(yè)務(wù)提供者，將會(huì)面臨巨大損失，因此對(duì)供電的可靠性要求很高。

    2、負(fù)載容量大

    IDC機(jī)房建設(shè)投入巨大，并且會(huì)考慮到未來(lái)幾年的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)，因此其要能承接足夠大的業(yè)務(wù)量。一般一個(gè)機(jī)房約放置50-100個(gè)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架的負(fù)載量約為幾千瓦，因此一個(gè)機(jī)房的負(fù)載量約為幾百到上千千瓦，一個(gè)IDC中心可能建設(shè)多個(gè)機(jī)房。

    3、相對(duì)集中的供電方式

    為了分擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又考慮到集中供電的方便管理性，一般按一個(gè)機(jī)房的負(fù)載容量來(lái)考慮，負(fù)載量約在幾百到上千千瓦。

    4、對(duì)設(shè)備的諧波污染要求高

    隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能、環(huán)保的要求越來(lái)越高，電信運(yùn)營(yíng)商積極響應(yīng)，同時(shí)，IDC機(jī)房也是用電大戶，是供電單位的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，對(duì)諧波關(guān)注的程度高，這已經(jīng)是趨勢(shì)。

    二、傳統(tǒng)的UPS供電解決方案

    傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備要求交流輸入電源，一般是與市電電源的電壓和頻率相同的電源，即220V，50Hz的單相交流電源。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備的電源系統(tǒng)是UPS系統(tǒng)， UPS系統(tǒng)一般由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等組成，市電正常時(shí)，市電經(jīng)整流器變換為直流電供給逆變器，同時(shí)給蓄電池充電，逆變器將直流電變換為交流電供給負(fù)載。UPS本身故障時(shí)負(fù)載可經(jīng)靜態(tài)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為旁路市電供電，市電長(zhǎng)時(shí)間停電時(shí)，由備用發(fā)電機(jī)組供電。

    雖然IDC機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備是單相供電，但功率越來(lái)越大，單相UPS功率不能做的很大，受到限制，解決的方法是用三相UPS供電，功率一般平均分到三相上，同時(shí)進(jìn)行UPS并機(jī)，解決其供電的可靠性。由于UPS最終通過(guò)逆變換流供電給數(shù)據(jù)設(shè)備，如果逆變與切換部分出現(xiàn)故障，電池不是直接給數(shù)據(jù)設(shè)備供電，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)設(shè)備中斷。

    幾種常見(jiàn)的UPS供電模式

    1、串聯(lián)熱備份

    此種UPS供電方式消除了單點(diǎn)故障，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是其同一時(shí)間只有一臺(tái)UPS帶載，因此存在超載能力差、主備機(jī)老化不均等問(wèn)題，目前已經(jīng)較少采用，系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1：

    2、并聯(lián)冗余

    此種UPS供電方式，最大的好處是可以負(fù)載均分，其中任意一臺(tái)UPS故障，其被切離，UPS系統(tǒng)不用做任何切換，仍可工作在在線模式?？梢愿鶕?jù)負(fù)載量，通過(guò)增加UPS的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量擴(kuò)充。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

    3、雙總線供電方式

    此種UPS供電方式，其最大的特點(diǎn)是同時(shí)提供2路互不影響的供電母線，分別提供給雙電源負(fù)載，或者通過(guò)STS再提供給單電源負(fù)載。此方式也很好的消除了單點(diǎn)故障，但限于供電方案中又增加了LBS（同步控制）和STS（雙路切換），因此也增加了故障點(diǎn)。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖3。

    UPS供電方案的優(yōu)點(diǎn)：

    技術(shù)方案成熟，目前在大量應(yīng)用。

    交流輸出，不易拉弧。

    UPS供電方案的缺點(diǎn)：

    并機(jī)難度大，需電壓、頻率、相位同步。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，單點(diǎn)故障多

    變換級(jí)數(shù)多，效率相對(duì)低

    輸入諧波大，功率因數(shù)低

    三、共用48V母線的混合系統(tǒng)解決方案

    這種電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是直流負(fù)載和交流負(fù)載的電源系統(tǒng)都采用-48V母線作為輸入電源。在市電或整流器故障時(shí)，由于蓄電池與輸出母排是并聯(lián)的，所以-48V母線電源是不間斷的。直流負(fù)載由-48V母線直接供電，交流負(fù)載經(jīng)逆變器供電，即用-48V直流電源供電的逆變器代替了UPS。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖4。

    混合系統(tǒng)解決方案優(yōu)點(diǎn)：

    技術(shù)成熟，48V電源是真正的不間斷電源，其輸出純凈，所以系統(tǒng)整體穩(wěn)定性有提高。不易拉弧，安全性高。

    混合系統(tǒng)解決方案缺點(diǎn)：

    在交流負(fù)載的電源鏈中增加了電源變換的次數(shù)，且電壓低，電流大，增加了損耗，降低了系統(tǒng)效率。這種電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅適用于交流負(fù)載為中小功率的情況。

    四、整流型rAC高壓供電解決方案

    以INTELEC 2001年發(fā)表的《新電信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的最佳新型供電》和2000年發(fā)表的《電信和數(shù)據(jù)通信融合的rAC供電技術(shù)的新研究》為代表，法國(guó)電信公司試用。rAC供電系統(tǒng)，類似傳統(tǒng)的48V直流電源系統(tǒng)中的直流母線由經(jīng)過(guò)整流的母線替代，實(shí)際上是脈動(dòng)的直流。系統(tǒng)由整流橋、高電壓蓄電池組、蓄電池開(kāi)關(guān)、充電機(jī)等組成。這種rAC供電系統(tǒng)的輸入諧波電流抑制和功率因數(shù)需要補(bǔ)償，須在rAC母線上并聯(lián)連接諧波抑制器。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖5。[!--empirenews.page--]

    rAC高壓供電解決方案的優(yōu)點(diǎn)：

    在整個(gè)供電電路中只有一個(gè)變換級(jí)，損耗小，效率高；蓄電池充電機(jī)只用于給蓄電池離線充電，因此容量較小，成本低。rAC高壓供電解決方案的缺點(diǎn)：

    采用用電壓較高， 安全標(biāo)準(zhǔn)要求高；采用單體蓄電池?cái)?shù)量較多，要求進(jìn)行更嚴(yán)格蓄電池管理。

    五、高壓直流供電的可行性探討

    數(shù)據(jù)設(shè)備內(nèi)部電源狀況是計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示器、打印機(jī)等電氣設(shè)備的內(nèi)部電源都是開(kāi)關(guān)電源，將輸入的交流220V先整流、濾波成直流300V后，再通過(guò)電源開(kāi)關(guān)管和開(kāi)關(guān)變壓器降壓、穩(wěn)壓成低壓，為各部分提供電源。一般交流電壓在110-250V之間，通過(guò)整流、濾波后直流電壓為150V-340V之間。因此，給這些設(shè)備輸入一個(gè)150V-340V直流電壓，設(shè)備是可以正常工作的。綜合考慮， 額定電壓在228V～280V（后備12V電池19只或20只）范圍內(nèi)直流電通過(guò)橋式整流電路、濾波后，仍是直流228V～280V，在150V-340V之間，因此開(kāi)關(guān)電源仍能正常工作，目前的實(shí)驗(yàn)證明數(shù)據(jù)設(shè)備輸入DC270V左右時(shí)效果好。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖6。

    六、高電壓直流供電系統(tǒng)解決方案一

    高電壓直流供方案一的交流輸入、整流電路和蓄電池、充電機(jī)與rAC供電系統(tǒng)是相同的。不同的是rAC供電系統(tǒng)將rAC直接供到集中的大功率DC/DC變換器，再其變換為穩(wěn)定的高壓DC270V。日本NTT公司試驗(yàn)了此系統(tǒng)。如果交流輸入電源故障，由蓄電池經(jīng)直流開(kāi)關(guān)和大功率DC/DC變換器供給負(fù)載設(shè)備270V直流電，系統(tǒng)圖見(jiàn)圖7。

    此種電源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

    可靠性高、效率高，在負(fù)載設(shè)備的功率較大時(shí)更為突出；成本低；

    此種電源系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

    采用單體大功率DC/DC，電壓高，電流大，要求較高的安全標(biāo)準(zhǔn)；采用蓄電池?cái)?shù)量多，要求進(jìn)行更嚴(yán)格蓄電池管理。

    七、高壓直流供電系統(tǒng)解決方案二

    此方案是目前國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商在IDC機(jī)房改善供電的試用電源系統(tǒng)，最早鹽城電信為代表，現(xiàn)在一些電信分公司與移動(dòng)分公司均有試用。與傳統(tǒng)48V供電系統(tǒng)類似，是由多個(gè)并聯(lián)冗余整流器和蓄電池組成的。在正常情況下，整流器將市電變換為270V直流電，供給電信設(shè)備，同時(shí)給蓄電池充電。市電停電時(shí)，由蓄電池放電為電信設(shè)備供電。長(zhǎng)時(shí)間市電停電時(shí)，由備用發(fā)電機(jī)組供電。與傳統(tǒng)的-48V直流電源系統(tǒng)的一樣，蓄電池備用時(shí)間為1～24h，典型的蓄電池備用時(shí)間為1～3h。此高壓直流電源系統(tǒng)，在試用中優(yōu)勢(shì)得到較充分的體現(xiàn)，系統(tǒng)圖見(jiàn)圖8。

    此種供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

    可靠性：電源模塊化輸出和電池直接并聯(lián)給負(fù)載供電，電池直接并聯(lián)到輸出母線上，母線電源是不間斷的。采用分級(jí)分布式控制，整流模塊和CSU故障時(shí)各自獨(dú)立控制，避免故障擴(kuò)散。

    易維護(hù)：并機(jī)容易，電源模塊化設(shè)計(jì)，支持帶電熱插拔，更換方便，采用分級(jí)分布式控制，整流模塊和CSU可各自獨(dú)立控制，便于維護(hù)。

    智能化管理：此系統(tǒng)與傳統(tǒng)48V直流電源系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)管理采用全面的智能化管理模式；對(duì)電池部分管理完善，有效延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

    無(wú)諧波干擾、易擴(kuò)容：對(duì)于計(jì)算機(jī)和服務(wù)器來(lái)說(shuō)，采用直流輸入，不再存在相位和頻率的問(wèn)題，多機(jī)并聯(lián)變得簡(jiǎn)單易行，無(wú)諧波干擾。

    安全性：采用標(biāo)準(zhǔn)電氣柜，對(duì)分路輸出和母線的絕緣狀況可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，安全性高。

    性價(jià)比：同樣容量的系統(tǒng)，高壓直流電源系統(tǒng)由于采用N+1模式，投資低，性價(jià)比高。

    此種供電系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

    此供電系統(tǒng)要求直流專用元器件；對(duì)器件滅弧要求高；由于電壓高，無(wú)過(guò)零點(diǎn)，對(duì)安全性要求高。

    八、高壓直流供電系統(tǒng)解決方案三

    高電壓直流供電系統(tǒng)方案三與方案二供電系統(tǒng)是類似的，所不同的是，方案三供電系統(tǒng)增加升壓電路，將直流輸出電壓提高到400V（此種類似的供電系統(tǒng)在移動(dòng)公司有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，直流電壓350V）。是針對(duì)專門(mén)的高壓服務(wù)器電源，目前此服務(wù)器尚在研制之中，由于系統(tǒng)輸出電壓高，對(duì)目前大量在使用的服務(wù)器有些是不可用的，但由于某些優(yōu)點(diǎn)突出，可能成為未來(lái)的一種發(fā)展的趨勢(shì)。系統(tǒng)圖見(jiàn)圖9。

    此方案供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

    模塊化供電，電池直接連接負(fù)載，母線電源不間斷；電源效率最高，最節(jié)能；輸出為直流無(wú)率因數(shù)與諧波問(wèn)題，具備最大負(fù)載能力；供電電纜最細(xì)，節(jié)省成本與空間。

    此方案供電系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

    故障的安裝拆除易造成拉??；對(duì)安全的要求高，器件的要求也高。

    結(jié)論

    電信技術(shù)的迅速發(fā)展推動(dòng)了電源設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，高電壓直流供電系統(tǒng)方案二與方案三因?yàn)槠淇煽啃愿撸矢?，特別適用于設(shè)備功率較大的場(chǎng)合的IDC機(jī)房供電。方案二適合于目前的服務(wù)器，也是目前IDC機(jī)房供電的改造相對(duì)最適合的方案，方案三可能是一種IDC機(jī)房設(shè)備供電的發(fā)展趨勢(shì)。IDC機(jī)房最佳供電系統(tǒng)到底是什么，還值得深入探討與研究，最終總會(huì)找到一種適合的方案。