(七)直流UPS供电系统研究-技术推广讲话稿--精简板.ppt

直流UPS供电系统研究 -传统UPS供电系统的重大变革,2010年10月,UPS 供电系统和产业的重大变革 涉及单位和部门：用户(几乎涉及所有行业) 电源设备厂商 IT 设备厂商 是个渐进的过程：设计理念研究、产品研究 应用试点、市场推广 标准（电源设备、IT设备） 交直流新老制式共存（5-10年） 几种直流电压共存并逐渐形成统一标准 国内国际同步,产品名称定位 是对传统交流输出UPS 的改革， 直流 UPS-DC UPS 电压不高 等于在交流输入时计算机设备开关电源的直流母线电压,内容 一、IT设备对输入电压要求的变化 二、对UPS供电系统技术发展的探讨-UPS直流化变革的趋势 三、直流UPS的系统设计和和性能指标 四、直流UPS的系统可用性分析 五、国内外直流UPS 研究与应用情况,科学发展的历史性：在一定的历史阶段,技术发展被人们的传统意识、行业规范、行业标准束缚着，因而会延缓技术变革的过程,科学发展和技术进步最终会遵照它自身的规律,中心思想：应用型科学技术发展和进步的规律,一、IT设备对输入电压要求的变化,二、对UPS供电系统技术发展的探讨 -UPS直流化变革的趋势,（一），UPS供电系统现状和值得思考的问题 （二）、对提高UPS供电系统可用性的探讨 （三）、新的直流输出设计方案的实践基础 （四）、全新的IDC机房UPS供电系统,1、能源两次变换 2、两个谐波电流源 3、备用能源-电池不能直接保护负载 4、负载供电可靠性取决于UPS系统可靠性,（一），UPS供电系统现状和值得思考的问题,基本状态： 系统不断复杂化； 设备堆积、结构臃肿； 成本不断攀升； 效率难以再有效提高； 五花八门，难以标准化。,传统交流输出UPS的困境,当前UPS供电系统运行中存在的问题,（1）系统可靠性问题； 系统复杂、单路经故障点多、维护难度大等。,（2）系统电流谐波干扰问题； 系统中存在两个谐波源,对电网和系统本身形成干扰、降低输入功率因数和能源 利用率、对地线系统提出苛刻要求等。,（3）系统成本和能源消耗问题； 能源两次转换降低了效率、系统复杂性提高了购置成本和运行成本、电流谐波 的存在增加了滤波设备、输入功率因数的低下降低了系统设备容量利用率。,（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，缩短了生命周期。,（6）系统使用维护难度问题。 要求较高的维护水平，多供应商和非标准化使故障修复困难。,值得思考的问题：,传统的UPS供电系统方案已经走过了50年 IDC供电系统设计建造的现状和趋势是： 系统不断复杂化； 设备堆积、结构臃肿； 成本不断攀升； 效率难以再有效提高； 五花八门，难以标准化。 系统可靠性差是造成以上现象的根本原因,值得思考的问题之一：可靠性问题,用户感觉到UPS系统故障的频率不亚于市电掉电故障的频率， 平均每年一次市电掉电有UPS系统保护， 而UPS系统故障由谁保护呢？,负载对系统可靠性要求提高，是因为UPS系统本身的可靠性不高,在系统正常的情况下，市电掉电时可保护负载不间断地继续供电 市电掉电和系统故障发生在同一时刻是不大可能的 但市电正常，系统本身故障却没有确有把握的保护,值得思考的问题之二：谐波源治理问题,系统中的谐波是负载和UPS设备自身产生的， 而不是电网带来的， 供电系统为治理电流谐波付出的代价是巨大的， 有没有更有效的消除电流谐波源的办法呢？,值得思考的问题之三：建造成本,系统建造和运行成本还要继续升高吗？,治理谐波电流要增加有源或无源滤波器； 要提高设备可靠性，冗余并机使UPS设备购置成本加倍； 要提高系统可靠性，双总线冗余配置使设备购置成本再加倍； 要降低零地电压差，需要再配置隔离变压器，提高电缆规格；,值得思考的问题之四：能源效率,系统运行的能源效率还有提升的余地吗？,提高设备工作效率、降低系统中电流谐波形成的无功 功率，对提高系统能源效率起到了一定的作用，但设 备轻载工作、UPS冗余配置、系统双总线配置等提高 可靠性的措施，又明显地提高了系统消耗的功率,系统复杂性本身造成了系统能源效率不断降低的趋势 大多数系统效率为75%左右,传统UPS在系统中实际的工作效率在85%左右,值得思考的问题之五：维护使用难度,系统维护难度大的原因是： 系统复杂； 可靠性差； 没有标准化,系统故障总数中的50%以上是由于系统中各环节和设备的安装 问题、人为操作和维护问题引起的,值得思考的问题之六：适应性,系统的适应性有多大讨论的空间呢？,适应性差是造成系统效率低和生命周期短的根本原因 当经济环境的变化周期小于设备的生命周期时，就会对设备的适应性提出要求。由于技术发展和经济环境的不确定性和不可预测性，要求一台设备能够自动而有准备地适应新的需求是根本不可能的。,值得思考的问题之七：标准化问题,难道系统标准化永远是句口号吗？,其他行业中标准化的观念已上升到一个新的高度，成为了一种 富有创造性并具有突出战略意义的企业哲学。,IDC机房的标准几乎没有什么进展。还停留在手工行业阶段：将来自不同 供应商的不兼容的设备进行定制化设计，组合成一个独特的大型基础设施 系统。因而产生了难以设计、部署、维护和管理的系统（鲁伯哥德堡效应）,所有应用技术和产品最终 都是用商业价值决定优劣的,标准化对提高可用性、提高适 应性和降低总拥有成本起着重 要的作用,1) 结论 可靠性的提高将越来越困难，需要的资金越来越庞大 使用传统设计，不可能兼得高可用性和高效率 这些问题难以解决，因为产生问题的原因始终都存在,（二）、对提高UPS供电系统可用性的探讨 (1) 对备用能源配置方法的检讨 （2）电池的故障特征及不同配置方法对可靠性的影响 （3）供电方案变革的实践基础 （4）新的数据中心UPS供电方案,提高可用性是UPS 直流输出变革的根本原因,备用能源的可靠性：12V单体电池的可靠度为R=0.999 25节串联电池组的可靠性在0.975左右，DC/AC逆变器的可靠性只有0.9（UPS整机可靠性0.99，包括了处于冗余并联的静态旁路系统）输出静态转换开关的可靠性R3在0.99左右，则： R=0.9750.90.99=0 .867,（1）、对备用能源配置方法的检讨 传统UPS供电系统备用能源串联型配置 -系统功能设计策略的误区,市电掉电时，电池要通过UPS 主机设备中最不可靠的环节-逆变器和静态转换 开关向负载供电。 备用能源供电路径的同样不可靠是造成传统UPS供电系统不断复杂化、设备堆 积、结构臃肿、成本迅速攀升、效率低下、可靠性难以有效提高的根本原因。,IT 负载,电池,电池 R1,DC/AC R2,STS R3,STS (静态旁路),直流UPS系统对负载供电的可靠性实 际上等于备用电池供电的可靠性,为什么用电池直接对负载供电，可靠 性就会大幅度提高呢？,（2）电池的故障特征 及不同配置方法对其可靠性的影响,电池组并联配置提高电池可靠性的效果,R=1-(1-R1)x(1-R2) =1-（1-0.975）2=0.99938 电池系统本身的不可靠性提高了（ 1-0.975）/ （1-0.99938）=40,在系统中，将电池组配置成端电压相同的两组（或多组）,作用有二： 1，可在不影响系统运行的情况下维护更换存在故障隐患的电池 2，在电池容量有裕量的情况下，相当冗余配置，可靠性大大提高,假定：12V单体电池的可靠度为R=0.999 （Emerson,North Americon,Canada ） 25节串联时，电池组的可靠度为0.99925=0.975 在总容量不变的情况下，分为独立的两组并联，可靠性为：,在传统交流输出 UPS中电池并联配置供电的效果,在直流输出 UPS中电池冗余配置供电的效果,两者的不可靠度差 （1-0.8904）/（1-0.99938）=0.1096/0.00062=176倍,电池对UPS 供电系统故障的隔离作用,市电,油机,ATS,输入配电,交流UPS系统,输出配电,负载,交流输入系统,UPS 供电系统,典型的交流输出UPS框图,电池是UPS设备的一部分， 市电掉电时电池能否向负载供电和工作可靠性都取决于UPS设备,典型的直流输出UPS框图,市电,油机,ATS,输入配电,直流UPS系统,输出配电,负载,交流输入系统,UPS 供电系统,电池独立向负载供电 电池隔离了交流输入和UPS供电系统的故障对负载的影响 电池与UPS 供电系统形成了冗余配置,对“可预见非突发性故障”和“不可预见 突发性故障”可靠性和可用性的讨论,可预见非突发性故障 例如电池 基本特点： 一是故障现象诸如：电池槽变形、电池漏液、电池容量不足、电池浮充电压均匀性差、排气阀失效等，是直观可见的，或者是很容易被测量到的； 二是所有这些故障都有发生过程长、有渐变过程、且发生故障不是突发性的的特点。对于这种类型的设备，通过维护很容易发现故障隐患，也有充裕的时间在不影响系统运行的情况下排除故障隐患，或者安排计划停电进行维护。,不可预见突发性故障 例如供电系统中的UPS主机、ATS和STS开关等设备 基本特点： 一是系统管理和监控只能判定其工作状态，而硬件失效、控制电路板焊点的隐患、系统对控制电路的干扰等，却是不可预见的，也很难检测到的； 二是故障发生的时间是不可预测的，随机性的，突发性的。对于这种类型的设备，很难在故障前发现它，一但故障发生，必然使系统瘫痪。,电池可预见非突发性故障特征对可靠性的影响,电池可预见非突发性故障特征使维护工作提高可靠性成为现实 只有在交流输入或UPS 系统故障期间电池才是不可维护的，反 之，也可认为只要UPS 供电系统正常，电池组就不会故障 维护工作对可靠性的影响可用电池组的可靠性和UPS供电系统 的可靠性等效地冗余关系表示出来,只要UPS 供电系 统正常，电池组 就不会故障,结论,1、可靠性的研究通常是忽略人为因素的，因为人为 因素是很难量化的,2、在直流UPS系统中，对负载的供电可靠性完全取 决于备用电池,3、而电池故障具备可预见非突发性特征 维护工作对系统可靠性的提高起着决定性的作用,4、直流UPS 对负载供电的可用性是传统交流输出UPS 不可能达到的， 所以提高可用性是UPS 直流输出变革的根本原因,IT设备开关电源输入电路,问题的关键是，计算机可以用直流供电吗？,输入电流成为平滑的直流，消除了高次谐波电流，输入不再需要无功功率； 电流峰值降低到原来的1/3， 直流电容电压不再有纹波电压，改善了直流电容工作环境，也有利于改善后面 DC/DC变换器的工作，对延长直流电容和DC/DC变换器的寿命是有益的。,（三）、新的直流输出设计方案的实践基础,计算机能用不稳定的电池电压供电吗？,答案是肯定地。 根据之一：电信设备和IT设备的输入端都是开关电源，后面 接的都是DC/DC变换器； 根据之二：大量的PC机在市电掉电时是用不稳定的电池电压 供电的； 根据之三：计算机对输入电源变化范围的要求是20%；,方波输出后备式UPS电池-逆变工作输出波形,电池浮充电压,(b)电池放电结束时的整流波形,电池放电电压下限,（a）电池放电开始时的整流波形,整流后直流电压,计算机能用不稳定的电池电压供电吗？,在UPS设备中，方波输出的后备式UPS占有相当大的比例， 被人长期忽视的一个事实是，市电掉电后，方波输出的后备式UPS并没有稳压功能，实际上是变 化的电池电压经输出变压器按不变的匝比升压后向负载供电的； UPS 厂家以障眼法使用户误以为方波输出后备式UPS在电池逆 变时是稳压的。方波输出后备式UPS在电池逆变时是稳压精度 典型值是11.25%,（四）、全新的IDC机房UPS供电系统,三、直流UPS的系统设计和性能指标,(一)、系统设计原则 (二)、输出电压的确定 (三)、供电系统方案与性能指标 (四)、新的IDC机房供电系统的优点,(一)、系统设计原则,1，产品定位：集成一体化系统解决方案， 不是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 技术性要求，这对今后产品的顺利迅速推广应用 是至关重要的 3，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，要做到负载对两种制 式的兼容,(二)、输出电压的确定,1，原则上不要求IT设备输入开关电源做明显的变化 IT设备即可在交流电源输入下运行，也可在直流电源输入下运行。 关键是使UPS 的AC/DC变换输出的直流电压值等于开关电源的DC/DC变换的 输入直流母线电压值。 2， 简化设备结构和系统配置 解决输入电源两次重复变换的问题，有效地提高设备可靠性和节省能源。 3，在IT设备允许的输入电压范围内，使电池容量得 到充分的利用 采用直流UPS供电后，给IT设备开关电源供电的是电池电压，电压变化范围 （11.25%）必须在IT 设备输入开关电源允许的输入电压范围内。 4， 最终由电池电压决定输出电压的额定值 电池电压是12V的倍数，市电正常时，UPS输出给负载供电的同时要给电池浮充， 5， 节能与安全 提高电压可提高效率，有利于节能，而电压过高时应考虑元器件承受能力，,IT设备输入开关电源直流母线电压,380Vdc,开关电源输入PFC整流,300Vdc,开关电源输入桥式整流,实际电压测量(中国电信盐城分公司 赵长煦提供),全波整流后的直流母线电压（ IT设备铭牌标明工作电压范围ac180-240V ）,输出电压的确定,IT设备对输入电压要求 及允许变化范围,+15%, AC253V=DC357V(峰值),-20%,AC176V=DC249V (峰值),25节12V电池 浮充电压DC 334V(+11.25%),25节12V电池放 电下限电压 DC267V(-1125%),直流UPS提供电压及变化范围,25节12V 电池额定 电压300V,电池放电曲线,电池供电时间,15%,75%,15%,AC220V=DC310V (峰值),开关电源DC/DC变换输入额定电压的+15%=DC-UPS输出电压,DC-300V 电池放电曲线,DC-336V 电池放电曲线,(三)、供电系统方案与性能指标 高度集成化模块化系统(中达电通设计),市电,油机,市电输入系统,配电1 交流输入配电,空调照明等交流用电,ATS,其它用电设备,配电2 隔离 与电 压适 配,AC/DC N+1冗 余并机 模块,配电3 输出总配电,DC-UPS系统,负载,机 架 P D U,IT机架,负载,配电4 列头 柜,系统 旁路,备用电 池组,主能源输入,插入负载设备,接入其它用电设备,高度模块化设计(中达电通设计),监控模块,功率模块,直流配电模块,交流输入 配电柜,DC-UPS 系统,直流输出 配电柜,监控、功率模块、 智能配电控制板等， 都具有模块热插 拔功能； 重要部件冗余配置； 设备容量利用率高，效 率高； 边成长边投资,电气性能,(四)、新的IDC机房供电系统的优点 （1）备用能源的功能得到充分地发挥 电池供电路径可靠性大幅度提高； 彻底隔离供电系统中不可预见突发性的故障对负载的威胁； 电池供电不需经过DC/AC转换，电池能量利用率提高10%； （2）从根本上消除了谐波电流对系统和电网的污染： 负载电流成为稳定的直流，谐波成分从30-50%降到零； 输入谐波电流降到5%，输入功率因数提高到0.99； 最大限度地减少了谐波电流对系统和电网的污染； 可降低上游设备和传输线的容量，可去掉各环节滤波设备；,新的IDC机房供电系统的优点 （3）简化主机设计、降低成本、提高效率和可靠性： 去掉DC/AC逆变器和静态旁路开关，器件数量和成本去掉40-50%； 设备工作效率高，降低运行能耗6-8%(在满载情况下比较)； 不再有频率同步问题，不存在环流问题，冗余并机简单可靠， 可方便地组成n+1模块化系统； UPS输入电压范围可达+20%，-25%，不再有转旁路10%的限制； 主机输出能力KW=KVA； （4）提高系统可用性： 系统结构简化、系统设备和元器件减少，有利于提高可靠性； 电池与负载之间消除了UPS逆变器，不仅可在市电掉电时向负 载供电，当市电正常而供电而系统发生故障时，也可保证负载 的正常运行。 充分利用电池“可预见非突发性故障”的特点，把系统可用性提高到1；,新的IDC机房供电系统的优点 （5）提高整个供电系统效率： 主机提高6-7% (在满载情况下比较)； 去掉各级滤波器损耗2-3%； 与基本传统系统结构比，总效率提高10-12%； 与冗余并机传统系统结构比，总效率提高18-25%； （6）降低设备成本： UPS主机（去掉AC/DC）降低30%； 去掉各级滤波器、负载前端STS、简化线缆等； 系统总成本（购置成本和运营成本）基本结构可降低20-30%， 冗余结构可降低30-50%；,新的IDC机房供电系统的优点 （7）改善系统配置 输出都不再有三相电流不平衡的问题； 负载机架电源线缆数量减少50%； 不再有负载平衡分配的问题； 负载端没有电流谐波，所以不再有零地电压差的问题； 系统简化，制式规范，对单相输入负载和三相输入负载都可 供电； 不存在UPS规格中3/3、3/1和1/1的区别； （8） 有利于系统模块化、标准化进程。 功率转换设备标准化，机架标准化 主机规格由几十种减少到几种，可复盖5KW-400KW； 电池组电压规格由十几种减少到1种； 电池配置和结构标准化；,效率= 98% 97% 90% 98% 89% 86% = 0.641 =0.838,传统UPS系统（最佳设计的简单的传统交流输出UPS 系统）,380V 3/AC,交流配电隔离,谐波治理,冗余并机系统 设备轻载运行,供电系统效率,整个系统效率,系统效率比较与最佳设计的简单的传统交流输出UPS 系统,四、直流UPS的系统可用性分析,典型的直流UPS供电系统方案配置框图 (中达电通设计),说明： 配置方案：一般系统配置，AC/DC 为N+1模块化系统 ATS：输入市电与备用油机之间的转换，后级配有隔离变压器时，ATS可用三级，后级没有隔离变压器 时，ATS应该用4级，但要先接零线后接火线和先断火线后断零线，可靠性差且价格昂贵； 配电1：输入总配电，一路输入，输出多路，通常包括对空调等其它用电的配电，需要配置变 压器解决 ATS切换零线的问题； 配电2： AC/DC模块化系统组合件，一路输入，多路路输出，在结构上与AC/DC模块在同一 机架中）； AC/DC： N+1可拔插修复模块化系统； 配电3： AC/DC输出配电，多路输出； 配电4：机房分级配电（列头柜），一路输入多路输出； PDU：机架终极配电，一路输入多路输出 维护旁路：因为不影响正常运行时的可靠性，分析时不考虑,配电1,UPS1,UPS2,市电,油机,配电1,配电2,配电2,谐波 抑制,谐波 抑制,配电3,PDU,配电4,配电3,配电4,PDU,负 载,ATS1,ATS2,STS1,STS2,空调等其它 设备用电,ATS3,总线控制,典型的交流输出UPS 供电系统方案配置框图 -可用级别最高的双总线系统,电池,电池,说明： 配置方案：最高可靠性级别的双总线系统，从ATS 到负载形成完全隔离的两路UPS供电系统 两路之间同步工作，不考虑单电源负载，这里没有考虑同步总线控制对可靠性的 不利影响 ATS：输入市电与备用油机之间的转换，后级配有隔离变压器时，ATS可用三级，后级没有隔离变压器 时，ATS应该用4级，但要先接零线后接火线和先断火线后断零线，可靠性差且价格昂贵； 配电1：输入总配电，输出多路，通常包括对空调等其它用电的配电，需要配置变压器解决ATS 切换零线的问题； 谐波抑制：无源滤波器或有源滤波器； 配电2：UPS输入配电； UPS：在每路中单机配置； 配电3：UPS 输出配电； STS：双路静态转换开关 配电4：机房分级配电（列头柜）； PDU：机架终极配电 维护旁路：因为不影响正常运行时的可靠性，分析时不考虑,典型的交流输出UPS 供电系统可靠性模型,参看“数据中心UPS供电系统设计与应用”第三章第4节,可用性计算数据,AC/DC模块化系统可用性,假定：21个模块组成（20+1）冗余系统 已