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)中心中的應用。在數(shù)據(jù)中心中,UPS供電系統(tǒng)的一個主要功能是為負載提供不間斷供電(由于電網(wǎng)已具有很高的供電質量,UPS改善電能質量的功能已顯得不那么重要了)。經(jīng)過多年的實踐,業(yè)界相繼推出了多種供電方案。

1 單機供電方案

單機供電方案是UPS供電方案中結構最為簡單的一種,其原理圖如圖1所示。系統(tǒng)由UPS主機、電池組、油機、輸入/輸出屏等組成。該方案不需要專門的配電設計和工程施工,安裝快捷。缺點是可靠性較低。一般用于小型網(wǎng)絡、單獨服務器、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用較早、簡單而成熟的供電方案,它被廣泛地應用于各個領域。UPS串聯(lián)的特點是,主機UPS和備份機UPS均為完整的、具有獨立旁路的在線式UPS單機。在市電正常情況下,主機UPS給負載提供100%的電能,備份機UPS不為負載提供電能;在主機UPS發(fā)生故障時,切換到備份機UPS為負載提供100%的電能,也可切換到維修旁路1,由市電直接為負載供電;當市電發(fā)生故障時,由電池組提供備用時間,轉由油機供電。由兩臺UPS構成的串聯(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UPS構成的串聯(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UPS構成的串聯(lián)熱備份冗余供電方案為例,一般是選用兩臺具有相同容量的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)開關的輸入端上,從UPS1的輸出給負載供電。當市電正常時,由UPS1的逆變器輸送電能給負載,UPS2處于空載運行狀態(tài);當UPS1中的逆變器出現(xiàn)故障時,負載才由UPS2的逆變器輸送電能。此種冗余供電方式的優(yōu)點是,對UPS單機的鎖相同步跟蹤控制技術要求不高(僅在兩臺UPS進行切換瞬間有所要求),熱備份冗余供電系統(tǒng)構成容易、簡單,主機和備份機可以采用不同生產(chǎn)廠家和不同容量的UPS產(chǎn)品。缺點為長期空載運行的其中一臺UPS的配套蓄電池壽命縮短;由于一臺UPS帶全載,另一臺空載,造成平均無故障時間下降;要求單機具有帶“階躍性負載”的能力,以保障主機出故障后,能將全部負載立即加到空載運行的備份機上。由于備份機長期處于空載運行狀態(tài),一旦出現(xiàn)切換過程,負載量將由0突變至100%負載,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同型號、同容量的UPS通過并機柜、并機模塊或并機板把輸出端并接而成。目的是共同分擔負載功率�；驹硎�:在正常情況下,多臺UPS均有逆變器輸出,平分負載和電流。當一臺UPS故障時,由剩下的UPS承擔全部負荷。并聯(lián)冗余的本質是UPS均分負荷。實現(xiàn)組網(wǎng)形式多,有N+1或者N+X.實現(xiàn)并聯(lián)冗余的前提是必須要解決以下技術問題:

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

②各并聯(lián)的UPS應均分負載;

③USP故障時能快速脫機。

并聯(lián)熱備份冗余供電方案的優(yōu)點:多臺UPS均分負荷,可靠性大大提高;擴容方便;系統(tǒng)壽命和可維護性大大提高。

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

圖4所示的并聯(lián)熱備份冗余供電方案的原理圖是一個N+1型冗余并機系統(tǒng)。要求N臺UPS的輸出必須具有同相位、同頻率、同輸出電壓幅值,技術要求高。但多臺UPS共同均衡的給負載供電,若一臺UPS發(fā)生故障,會自動將有故障的UPS自動脫機,負載由其它的UPS共同均衡供電,提高了此種并機方式的性能,使平均無故障時間得到了提高,設備的運行更加穩(wěn)定。圖4實際上是通過并機板并聯(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,負載由另一套供電系統(tǒng)來保障,大大加強了供電的安全性。但成本較高。

早期應用于數(shù)據(jù)中心的UPS供電方案輸出的配電系統(tǒng)往往出現(xiàn)開關跳閘、保險燒毀、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)。

該方案的特點是:

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

②將其中的一套單機系統(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。

�0�2負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,先設定任意一套UPS并機系統(tǒng)為主機,LBS同時監(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,LBS激活,內(nèi)部控制對預先定義為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Master進行跟蹤,從而實現(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,雙電源負載因為有一根輸出母線仍然有電,所以會繼續(xù)正常工作。而關鍵的單電源負載會通過STS零切換到另外一根輸出母線,也會正常工作。

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)以后的擴容升級和維護也十分方便。因為在任何時候均可將其中的一套系統(tǒng)完全下電進行處理以解決維護或者擴容問題。

雙總線系統(tǒng)真正實現(xiàn)了系統(tǒng)的在線維護、在線擴容、在線升級;提供了更大的配電靈活性,滿足了服務器的雙電源輸入要求;解決了供電回路中的“單點故障”問題;做到了點對點的冗余;極大地增加了整個系統(tǒng)的可靠性和安全性;提高了輸出電源供電系統(tǒng)的“容錯”能力。但是,該方案的建設成本相對較高,在實際建設的過程中,需要在提高可靠性和降低成本兩者之間適當權衡。

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)展趨勢之一。雖然單機模塊化UPS的可靠性與單機高頻機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、可維護性以及智能化方面的指標更有顯著的提高。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,并且均分負載。由獨立的監(jiān)測、報警、通信模塊和系統(tǒng)保護用的靜態(tài)開關模塊等幾部分組成,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,只需要購買相應的功率模塊,即可實現(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。因為模塊的規(guī)格統(tǒng)一,具體實施很簡單,更換時間極短,幾分鐘內(nèi)便可完成。相比之下,傳統(tǒng)UPS發(fā)生故障時,從判斷故障現(xiàn)象到更換完成、排除故障、設備正常運行,根據(jù)技術人員水平的高低,需要幾小時甚至幾天不等。絕大部分情況下,需要生產(chǎn)廠家派出技術人員進行檢修。模塊化UPS供電系統(tǒng)提高了系統(tǒng)可用性,使維護更為便捷,同時提升了使用人員對系統(tǒng)的維護能力,降低了設備的故障隱患,確保負載得到最佳的保護。

③安裝簡單、擴容方便、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)機型有大幅度改進,為用戶節(jié)省大量的機房面積和承重加固等方面的投資。當需要擴容時,傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)就必須更換一臺更大容量的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,只需增加模塊數(shù)量即可輕松擴容,有效地降低了初期購置和日后的擴容成本,并且可以動態(tài)地滿足業(yè)務發(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)架構的優(yōu)勢,整機效率比傳統(tǒng)機型有了突破性的進展。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,極大地降低了對電網(wǎng)的污染,有效地減少電網(wǎng)負荷和電源損耗,逆變效率一般為95%。

模塊并聯(lián)方案實質上就是上述的并聯(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)個整機架并聯(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、在線擴容的特性(見圖6),所以通過模塊化UPS的組合應用可以實現(xiàn)高保障等級的不間斷供電系統(tǒng),對核心、關鍵性的信息網(wǎng)絡機房可構成模塊化UPS雙總線供電方案。每路各由一臺模塊化UPS系統(tǒng)供電,既能確保重要設備切換裝置電源的無擾動切換,又能確保對不具備兩路供電的設備,在一路UPS系統(tǒng)故障時,另一路實現(xiàn)緊急恢復供電功能,確保重要設備的正常運行。模塊化UPS供電系統(tǒng)可實現(xiàn)對UPS系統(tǒng)持續(xù)地并聯(lián)擴容或冗余備份,滿足了后期設備的隨需擴展,并且實現(xiàn)了UPS輸入的高效節(jié)能,其整機效率高、發(fā)熱量小、運行損耗小,能大大提高電能利用率,實現(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,顯然對資源是一種浪費,而冗余量過小,就要求系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性相對要很高,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置上,需要結合實際需求,進一步發(fā)展和完善。模塊化UPS技術將傳統(tǒng)系統(tǒng)級冗余改變?yōu)槟K級冗余。

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

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利用概念基礎上,將供熱(采暖和供熱水),制冷及發(fā)電過程有機結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,對環(huán)境負面影響小,有利于局部電網(wǎng)安全,對燃氣和電網(wǎng)有削峰填谷的作用,因此很多發(fā)達國家將其作為國家能源體系的重要組成部分。從經(jīng)濟性考慮,數(shù)據(jù)中心用電和用冷負荷波動小,且常年需要供冷,符合三聯(lián)供系統(tǒng)的功能特點。

CCHP的基本原理是溫度對口、梯級利用,如圖7所示。首先潔凈的天然氣在燃氣發(fā)電設備內(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。通過對能源的梯級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

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

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,減少了能源輸運過程的損失。應用了能量梯級利用原理,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,保護環(huán)境

據(jù)測算,在滿足同樣電熱負荷條件下,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的發(fā)展可以使CCHP系統(tǒng)供能系統(tǒng)滿足各種嚴格的環(huán)保標準。

③良好的經(jīng)濟性

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)了高價值的電力,又將余熱用于供冷、供熱或工業(yè)蒸汽負荷,創(chuàng)造了比前者更加顯著的經(jīng)濟效益。

�0�2�0�2 ④提高能源供應的安全性CCHP類型的分布式能源在大電網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)事件時,可以維持當?shù)乩^續(xù)供電,減緩了地方對集中供電系統(tǒng)的過分依賴,還可以根據(jù)用戶負荷的特殊需求采用調(diào)節(jié)手段提高供電質量。

⑤改善能源使用結構

CCHP系統(tǒng)對電力與燃氣供應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,冬季用燃氣鍋爐供熱,電力及燃氣供應存在很大的季節(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,又填補了燃氣供應在夏季的低谷,緩解了各自的峰谷差,是供能需求側管理的有效手段,有利于能源供應的可持續(xù)發(fā)展。

(2)CCHP系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應用

CCHP系統(tǒng)是冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng),是建立在能量的梯級利用概念基礎上的,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)中心負荷波動較小,用電和用冷量大,常年需要供冷,符合CCHP系統(tǒng)的運行特點,能夠提高CCHP的經(jīng)濟性。

數(shù)據(jù)中心使用CCHP系統(tǒng),應以用電負荷的容量作為設計的依據(jù)。通過合理的設計,CCHP系統(tǒng)可滿足數(shù)據(jù)中心機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量。冷熱電三聯(lián)供在數(shù)據(jù)中心應用的原理框圖如圖8所示。

6 結束語

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)的設計與規(guī)劃越來越受到業(yè)界的重視。為了順應數(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、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)方案必將應運而生。