数据中心直流输出型UPS供电系统探讨

随着不间断电源（UpS）及其供电系统在各个领域的广泛应用，使用者正在逐步接受并理解专家们对UpS供电系统可靠性、可用性的研究理论。然而随着人们对可靠性研究的深入，专家们又在寻找供电系统不可靠因素之所在，同时，提出解决这些不可靠因素的新理念、新思路。传统设计理念的局限性可归结为备用电源配置方式问题。必须改变备用电源的配置方式，将备用能源（电池）的直流电直接对负载供电，可使UpS系统的可靠性、制造成本、能源利用率、系统效率、系统标准化等方面发生革命性的变化。本刊对此表示关注和探寻，带着这种关注和探寻，本刊主编张乃国先生于2010年2月3日采访了中科院计算所研究员张广明先生，请他就直流输出型UpS的主要研究思路和我们关注的话题进行了解答。

问：传统UpS供电系统现在存在哪些问题？

答：现在所说的UpS供电系统由AC/DC整流器、DC/AC逆变器、各级配电柜、各级滤波器、STS转换开关（双路供电系统用）、电池组、变压器等设备和环节组成。

传统UpS供电系统存在的问题可归纳成下述几个方面。

（1）系统可靠性问题

系统复杂、单路径故障点多、设备可靠性差、维护难度大等。

（2）系统电流谐波*问题

系统中存在两个谐波源负载开关电源和UpS输入侧AC/DC整流器。对电网和系统本身形成*、增加滤波设备、降低输入功率因数和能源利用率，以及对零地线系统等提出苛刻要求。

（3）系统成本和能源消耗问题

能源两次转换降低了效率（双总线系统的效率﹤80%），系统复杂性提高了购置成本和运行成本，电流谐波的存在需增加滤波设备，输入功率因数的低下降低了系统设备容量的利用率。

（4）系统标准化问题

系统复杂为标准化带来困难，系统设计建造多采用定制式手段，基本方法还停留在手工业阶段。

（5）系统的灵活性和可扩展、变更问题

以计划容量一次性投入、难以变更和扩展，缩短了系统生命周期。

（6惊统使用维护难度问题

要求较高的维护水平，供应商家多且产品非标准化使故障修复困难。

问：从技术角度讲，当前传统UpS系统要解决的重点问题是什么呢？

答：从当前用户关注的焦点和UpS厂家技术改造的重点来看，要解决的问题和技术措施归纳起来有以下三点：

（1）提高系统可用性

设备降容使用，提高可靠性，延长使用寿命；

增大成本，对设备采用冗余配置，使其有容错功能；

对系统采用双总线冗余配置，可以最大限度地减少整个系统的单路径故障点；

配置模块化UpS，有冗余功能，可以大幅度降低故障修复时间；

提高设备智能监测和管理功能，便于维护，并可把潜在的故障隐患消除在故障发生之前；

采用集成化系统设计，解决系统中各类设备阻抗和连接方式的匹配问题，提高系统运行的可靠性和集中管理问题，并最大限度地减少安装和维护过程中的人为错误。（2）抑制系统中谐波电流的产生和治理问题

加大零线截面积规格和前端设备（变压器、柴油发电机、配电开关、转换开关等）容量，以便降低谐波电流的影响；

输入三相整流改为12脉波整流＋11次无源滤波器，使功率因数pF=0.95，谐波THDI10%；

三相整流前加有源滤波器，使输人电流成正弦波，pF=0.99，THDI5%；

输入改为IGBT高频整流，使pF＝0.99，THDI5%；

要求负载IT设备输入开关电源采用pFC高频整流。

（3）提高系统的适应性

采用模块化设计，使局部系统有扩容功能，减少系统运行初期的设备购置成本和运行成本；

采用标准化设计，简化系统设计和制造流程，为系统快速安装和可能的变更、移动、扩容提供方便。

问：当前ups系统的可靠性还不够高的根本原因是什么？

答：不间断供电系统实现其功能的最基本条件是必须有两路电源，一路是市电供电，另一路是备用电源供电。市电供电是有可能故障掉电的，这是建立UpS供电系统的初衷。

备用电源应该是实现不间断供电的底线，是最后的保障。电池设备的故障是可预见的，并且故障发生是缓慢渐变的、非突发性的，只要维护得好，定期检测，可以在不影响系统正常运行的情况下消除故障隐患，因此电池具备了底线、保险的后备能源的条件。

但是，遗憾的是，传统UpS设计方案并没有给电池发挥作用的充分条件，电池并没有直接放在负载的前面为负载保驾护航，而是把它放到了UpS主机设备中，市电掉电时，电池要通过UpS主机设备中最不可靠的环节逆变器向负载供电。这样，备用电源供电途径的不可靠就成为传统UpS供电系统的可靠性难以有效提高的根本原因。

问题出在系统设计方案的指导思想上，选择不间断供电的主角是市电、备用电源，还是两路都必须经过ups的逆变器环节？

如果把备用电源放在负载前面，市电掉电时由高可靠的备用电源直接给负载供电，那么备用电源不仅可在市电掉电时向负载供电，当市电正常而主机供电系统发生故障时，也可保证负载的正常运行。

保证IT负载连续可靠工作的关键在于市电和备用电源的配置方法。传统UpS供电系统中，两路能源的供电方法是：一是市电输入+双变换系统；二是备用电池十逆变系统。所以，保证IDC不停电的关键是，当市电供电一路电源中断时，备用电源能否可靠地不间断地向负载供电。原则上讲，备用电源配置方法有两种：串联型和直接型。

（1）串联型

传统UpS供电系统的备用电源配置方法是串联型的，平时市电（电网十双变换系统）对负载供电，而在电网掉电或系统故障时，备用电源（电池组）要经过UpS设备中的DC/AC变换环节向负载供电。

根据当前设备可靠性水平，电池系统的可靠度R1在0.99左右，而UpSDC/AC逆变器的可靠度只有R2=0.9，根据串联型可靠性模型可计算出这时备用电源供电的可靠度。