摘要:文中从UPS技术发展过程讲述为什么早期的IT设备要交流电压供电:AC—UPS系统结构存在的问题;UPS直流输出的可行性和性能优势以及直流电压输出的UPS(简称DC—UPS)设计和应用中面临的技本难题等。 |
5 直流UPS供电系统设计
UPS设备输出直流化同样不是简单地提供一个单台AC/DC电源就可以解决的问题,仍然需要从系统的角度做全面的规划设计。
(1)产品定位:要从整个供电系统角度规划设计UPS供电方案,要考虑的问题包括成本、可靠性、可用性、能源效率、技术可行性,特别是要依据系统模块化原则,做集成一体化系统解决方案设计,而不是一个简单的AC/DC模块化直流电源设备。
(2)整个研制工作和要解决的技术难题都应在供电系统中解决,不对或尽可能少对IT厂商和用户提出过多的技术性要求,这对今后产品的顺利和迅速推广应用是至关重要的。
(3)系统方案要把提高可靠性作为第一要求,供电方案设计的关键是备用电池直接对IT负载供电,并使后备电池电压等于IT设备开关电源直流母线电压。以便充分发挥电池可预见非突发性故障的特征,彻底隔离市电和供电系统故障对负载的影响,如果选用的备用电池电压不等于IT设备开关电源直流母线电压,会造成以下几种不良后果:
①开关电源电路不能工作在最佳输入电压状态下,会明显地影响其可靠性和工作寿命;
②或者对开关电源针对新的输入电压值重新设计;
③对较低的电池电压增加一级DC/DC变换,其结果是失去直流供电提高可用性的初衷;
④在电池电压小于开关电源直流母线电压的情况下,一旦市电停电,在电池放电的过程中,电池电压会很快地脱离开关电源允许的输入电压下限范围,IT设备因欠压报警或关机,使电池容量得不到充分的发挥。
(4)尽可能减少电源转换级数,降低系统复杂性,提高设备可靠性和系统工作效率。单相交流输入电压为220V,简单的全波整流后的直流电压是300V,PFC整流后的直流电压是380V,如果直流UPS输出电压不是这两个值,那末在AC/DC变换后必然还要加一级DC/DC变换。
(5)要重视高压直流配电问题。直流UPS的输出配电和IT设备开关电源的输入开关和继电保护都必须采用专为直流电路设计的器件。
(6)UPS的直流化变革有一个较长的过渡时期,在此期间两种输出制式的UPS是共存的,所以在确定直流UPS输出电压和配电方案时,要尽可能做到负载对两种制式的兼容。
(7)研制和应用初期是定制化产品,最终要归结到标准化产品。
图8是中达电通股份有限公司根据DC-UPS基本配置原理开发的数据中心HD-1系列DC-UPS供电系统。图8(a)为系统结构图,这是一个集成一体化产品,包含交流输入系统、AC-DC系统、直流配电系统、机架PDU配电、系统管理等组成。图8(b)为产品的外形物理结构。系统部件、连接和系统管理等,具备其标准化和模块化。
①交流输入冗余系统
交流输入部分配置了两路交流能源:主用能源市电和备用能源柴油发电机。两路能源冗余备份,并通过ATS进行转换,可同时满足高密度数据中心制冷系统的要求。
②DC-UPS系统
DC-UPS系统并不是一台简单的AC/DC模块电源。这里包括了AC/DC模块电源的输入配电、输出配电以及输入电压适配和系统隔离变压器。AC/DC系统的配置:AC/DC系统主要由监控模块、电池总开关、模块输出分路开关、整流模块、输入交流配电与输出直流配电等。
系统配置功能包括:
·单系统模块冗余并机功能:单系统可安装9个模块,实现8+1冗余并机功能;
·多机并联工作功能:可以实现多个单系统并联,目前单个DSP支持32个功率模块,使整个系统可以扩容到960kw,同时可以使各个模块的均衡度在±5%以内;可以满足大、中、小型数据中心不同容量的需求;
·模块热插拔功能:AC/DC系统具有多处可热插拔的模块,功率模块、监视模块、熔丝隔离开关都可以实现在线快速更换;
·人性化界面: 采用大型屏幕设计,中文界面,树型菜单结构,操作简单方便;
·蓄电池配置:可以两组电池分别接入,方便实现电池故障更换和互备功能。
③直流输出配电
图9为直流配电示意图,由输出总配电柜、列头柜和机架PDU三部分组成。
·输出总配电柜:每系统一个;输入不设开关;输出多路,每路可向10个列头柜供电;每路输出配置开关和保险;
·列头柜:输入不设开关和保险;输出10路,每路设开关和保险;可向10个机架供电;每路输出32A;每个开关 (熔断保险)32A;
·机架PDU:每个机架1个(负载单路供电);每个机架2个(负载双路供电,来自不同的直流冗余配电系统);每个输出24个插座;每个插座2A熔断保险;每个插座开关规格5A;