摘要:华为是全球领先的信息与通信解决方案供应商。公司于1987年成立,目前已成长为年销售收入超过3950亿人民币的世界500强公司,我们的电信网络设备、IT设备和解决方案以及智能终端已应用于170多个国家和地区。面向未来,华为将与众多伙伴开放合作,努力共建全联接世界。 |
一、 技术名称
高效模块化UPS技术
二、 适用范围
适用于具有高可靠性供电需求的数据中心,在电信、ISP、金融、能源、政府、媒资、交通、教育、医疗、制造等行业都有广泛应用并且给客户带来了独特价值。
三、 技术提供方
企业全称:华为技术有限公司
企业logo:
企业介绍:
华为是全球领先的信息与通信解决方案供应商。公司于1987年成立,目前已成长为年销售收入超过3950亿人民币的世界500强公司,我们的电信网络设备、IT设备和解决方案以及智能终端已应用于170多个国家和地区。面向未来,华为将与众多伙伴开放合作,努力共建全联接世界。
华为网络能源产品立足通信技术(CT)、信息技术(IT)和可再生能源领域,提供包括通信能源、数据中心能源、太阳能逆变器等全系列产品与解决方案,围绕客户需求,创新性地提出比特管理瓦特理念,将电力电子技术与数字信息技术、网络通信技术和物联网技术融合,提供可靠、高效、简单、智能的网络化能源解决方案,实现能源网络“高效益、可运营、易维护、可演进”,帮助客户创造最大价值。
四、 技术原理
1、 现有技术存在的问题:
目前数据中心的能耗已经占到全球电量的2%~3%,这是一个比较惊人的数字,其对应的数据中心运维也是一大挑战,而且数据中心的业务趋向高密度机架,传统工频UPS和塔式UPS已经难以满足现代供电需求, 传统的工频机UPS效率最高点在90%以上,而实际用户的负载率一般在20%-40%,此时效率只有70%-80%。高频模块化UPS将凭借其冗余性、高效率、维护便利性等特点,逐渐成为未来的趋势。华为UPS正是希望通过这样的技术革新,促成能源的高效利用与设备的便利维护。从技术发展趋势来看,不间断电源系统的发展历程,开关管从SCR到IGBT,拓扑从两电平到三电平,磁性元件从工频电感到高频电感,均大大提升了电路转换效率。目前产品通过多电平功率电路、功率变换电路的交错并联技术、产品高频化实现高效率。高频化有助于产品小型化,有利于产品节能减排。我们认为这些技术将是本行业未来的技术趋势。
2、 本技术原理及创新之处:
(1)模块智能休眠技术
新型高频机UPS,普遍实现了低载高效设计,即效率最高点在50%,但实际大多数用户负载率还是低于50%,为此采用智能休眠技术,通过休眠冗余的模块,在用户低负载率时,提高实际运行模块的负载率到50%左右,改善低负载率效率低的问题,使系统工作在效率较高点,提高UPS实际运行效率,降低用户用电量。例如,5个并联模块的UPS,负载率在20%时,通过休眠其中的三个模块,只有两个模块带载,此时带载模块负载率为50%,处在效率最高点,通过这种方式提高用户效率。当用户负载率增大或异常时,休眠模块可以自动重新工作
模块休眠示意图
(2)ECO模式
即在电网质量较好且满足一定条件的工况下,使系统工作在旁路模式,见下图,市电直接从旁路开关到负载,通常可以达到99%的高效。此方式在电网故障回切逆变工作时,需要切换时间,会影响客户设备的电能质量,
客户从可靠性角度考虑,一般不使用。所以,在UPS正逆变模式下提升低负载率下的系统效率更显重要性。
ECO模式示意图
(3)交错并联技术
交错并联技术可以在谐波电流频率一定的条件下降低总谐波电流纹波,因此可以减小器件开关损耗,减小电感体积,减少直流储能电容及交流滤波电容个数,同时实现功率密度的提升。如下图,两路电路交错半个周期发波,形成的电流为iL1和iL2,iL1和iL2形成总电流iin,iin纹波可以得到显著降低。在交错并联基础上应用磁集成技术则进一步减小了磁芯损耗,减少了磁性元件的个数,进一步提升了效率及主功率密度。
交错并联波形
功率模块拓扑图
高频化依赖于半导体器件生态链整体的进步,如高速IGBT、大功率Mosfet、碳化硅二极管等新器件的使用有助于系统开关频率的提升,减少电感等磁性器件的体积,提升主功率密度。
(4)自老化技术
不间断系统的高效节能不仅体现在运行方式,转换效率上,也体现在生产及调测过程当中。产品制造过程当中必然有老化过程,对于超大功率的不间断电源系统,直接带非再生的负载老化会产生巨额的电费,极大的浪费社会资源,不符合绿色环保的要求;在客户安装验收时,直接带非再生的负载测试验收也会出现同样的问题。自老化技术,即利用系统的旁路将输出能量回送至输入端,从而系统内部满载电流运行,但只从电网吸收极小的能量补充,达到了老化的同时实现节能减排,直接产生巨大的经济效益。
3、 技术应用效果
模块化不间断电源系统的高功率密度以及维护便利性可从以下方面实现:
第一,模块功率密度提升。以上提到的交错并联技术以及高频器件的应用导致开关频率提升,均能实现纹波电流高频化,只需要较少的电感、电容实现滤波,提升模块功率密度,提高系统功率密度。此时直流母线电容减少后,系统从市电供电状态转电池供电的时间要求更短,另外,负载突变时也要求母线能够更快的补充能量,所以需要优化母线动态调节速度,我司在这些软件算法上都做到突破业界极限能力。第二,模块化易维护及超多模块并联技术。模块化UPS由于其易维护、方便扩容等特点逐渐成为行业的趋势,随着数据中心等领域的迅速发展,供电系统的容量也逐渐增大,超多模块并联是未来的一个趋势。其技术难点在于多模块并联均流,拟采通过有功和无功功率均流算法实现多模块的均流;同时,由于并机调节速度的限制,当系统发生扰动时,通过虚拟阻抗算法抑制环流,保证模块均流;此外在有功和无功均流的基础上加入直流环流控制,从而保证直流母线的稳定,提升系统稳定性。
综上所述,高效节能模块化不间断电源系统的关键技术主要有模块化设计、模块并联控制技术、全模块热插拔设计、高功率密度功率模块设计(单板上下对扣)、系统高效率设计、三电平逆变拓扑驱动技术、逆变器限流技术、输出逆变电压正负半周切换技术、母线电压动态控制技术、 风扇智能调速技术、、电容寿命预警技术、电感绕组立式绕制等技术点。为了实现上述技术点的突破,我司产品开发投入了1000多人月资源,科研经费超过6000万,实现现整机系统效率高达97%,效率指标世界第一,实现了国家节能减排号召;
功率模块尺寸131*442*630mm:功率达到50kW,效果如下:
(1) 突破三电平拓扑技术、交错并联技术在中大功率场景的应用难点
(2) 低载高效设计,针对用户负载普遍在20%~60%范围,通过合理设计,把UPS效率最高点在40%~60%范围,并实现20%负载94.5%以上的效率,最大限度降低实际用户的用电量;
(3) 模块休眠技术,在用户低负载率时,可以通过该技术休眠一部分模块,提高实际运行模块的负载率到50%左右,通过改变运行系统负载率,改善小负载率效率低的问题,提高UPS实际运行效率,降低用户用电量;
(4) 通过风扇智能调速设计,并结合合理散热布局,实现风扇转速与负载、环境温度实时匹配,最大限度降低系统损耗,提升系统效率,同时通过降低风扇转速降低了系统噪音;
(5) 机架内模块集中控制、机架间分散控制的分层控制并联架构(专利公开号: CN102570884B),机架内通信线故障检测技术(专利公开号: CN102608456B),已实现160个功率模块的可靠并联运行,多模块并联技术世界领先;
(6) 通过功率模块内PCB单板上下对扣的布局设计、自然风道设计实现了空间合理利用,做到功率模块的高密度,50kW功率模块尺寸为442*630*131mm,功率密度世界第一;
上下对扣的两半模块
(7) UPS各功能单元完全模块化设计,热插拔操作,实现了功率模块、旁路模块、主控模块、监控模块、干节点模块、监控模块的热插拔功能;
(8) 逆变器三电平拓扑应用,解决了输出电压在正负半周切换时的驱动逻辑问题(专利公开号: CN102412749B)、逆变输出限流逻辑问题(专利公开号: CN102624237B)、逆变器开关管耐压的均压问题,降低了功率模块损耗及功率电感体积,有效地支撑了高效率高功率密度的功率模块设计;
(9) 通过应用驱动占空比前馈、母线电压快环与慢环、负载前馈等软件控制算法的设计,实现了降低母线电容容值情况下的母线电压的稳定.
(10) 通过电感绕组立绕在电感磁芯上的设计,增强了散热能力,实现了电感整体温度降低30~40℃,有效地支撑了高功率密度的功率模块设计;
(11) 通过全面测量与精确计算电容内阻、电容容量以及电容使用时间,实时显示电容寿命,实现电容寿命预警
五、主要节能减排指标
数据中心能源消耗主要由IT设备系统、制冷系统、UPS供电系统、照明构成。由输入变压器和ATS开关所组成的UPS输入供电系统,以及由UPS及其相应的输入和输出配电柜所组成的UPS供电系统,它们的功耗约占数据中心机房所需总功耗的10%左右。其中7%左右的功耗来源于UPS供电系统,3%左右来源于UPS输入供电系统。1台400kVA的UPS效率每提高1%,在其10年的寿命周期内节省的电费将 = 400*0.01*24*365*10 = 350400元,这些白白损耗的电能将产生热耗散发出来,还要消耗制冷系统的功率。目前本项目UPS比业界传统低效UPS效率点高10%,比业界高效UPS高1~2%。
六、应用实例
1. 技术应用方式
应用于大型数据中心,IDC机房,互联网数据中心,金融、通信、交通、能源、电力、政府等企事业机构总部数据中心与容灾中心。
2、具体应用实例
克拉玛依市政府云服务数据中心作为国家级灾备数据中心和云服务中心,该项目采用了数十台华为模块化UPS5000大机组建Tier3+等级的供配电系统。相比传统UPS,模块化UPS的冗余热插拔设计理念:可有效提升系统可靠性,降低供配电系统运维难度,在可靠性提升2个数量级的同时,维护时间及维护成本降低80%以上,确保克拉玛依政府“云服务”实时在线。并且华为模块化UPS轻载高效的特性,契合数据中心业务实质,在数据中心最常用的20%至40%负载率段,效率高达95%以上,保证克拉玛依云数据中心高效、节能。
克拉玛依云数据中心UPS应用证明模块化UPS凭借模块热插拔易扩容、易维护等优点赢得了客户的信任,更符合现代绿色数据中心的建设需求。据赛迪顾问分析,伴随云计算数据中心、智慧城市建设、轨道交通的持续火热,模块化UPS将在未来取得长足增长。
七、技术应用现状和推广前景
目前模块化高效UPS在电信、交通、电力、金融、工业制造等领域均有广泛应用,根据第三方权威资讯机构赛迪顾问先后发布了2015-2016中国市场UPS年度报告。华为在模块化UPS以23%的市场份额位列第一,持续领先中国UPS市场。在数据中心建设方式上,模块化理念已经逐渐被接受,随着数据中心规模越来越大,信息消费政策引导各种新兴应用不断出现,各类需求的层出不穷,高能耗和高运营成本成为数据中心面临的重要问题,高效、智能、按需部署及快速扩容的模块化UPS成为新的市场增长点。华为高效模块化UPS在互联网、运营商行业的大规模应用,并开始在金融、政府、医疗教育等行业快速推广,预计未来5年市场占有率可达约50%。
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责任编辑:DJ编辑