数据中心的环境设计与供电系统选型

1、数据中心的环境设计与供电系统选型文章来源：2.1数据中心的环境设计中的可靠性分配如上所述，一个数据中心机房包括好多分系统，每一个分系统又包括好多单元，每个单元又包括好多部件，等等。因此，简单说每个分系统都有一个基于所有单元的可靠性指标，比如一个UPS供电系统可以包括好多台UPS单机并联系统，甚至带有STS的双总线系统，并联系统或双总线系统内包括好多子系统，比如单机UPS、电池组、输入输出配电柜、静态开关STS、电缆布线、防雷子系统、接地子系统等。UPS供电分系统的可靠性则由构成它的子系统决定，而这些子系统的可靠性是参差不齐的，因此UPS供电分系统的可靠性取决于可靠性最低的那个子系统，而可靠性最

2、低的那个子系统的可靠性又取决于可靠性最低的那个单元或部件。由此类推，数据中心环境的可靠性则取决于可靠性最低的那个分系统。这样一来，数据中心环境的可靠性计算将是一件既麻烦又细致的工作。用户开始对数据中心环境的可靠性R总有一个期望值，比如R=0.999，如果将其换算成在三年运行中的平均无故障时间MTBF，可根据公式：(1)式中R是可靠性，R=0.999 e是自然对数的底，约为2.73 t是三年运行时间的小时数，t=8760h3=26280h将上述数据代入式(1)得：(2)为了简化问题，举例说，如图5所示有5个分系统：热负载(IT)、精密空调机、UPS和发电机系统和UPS系统。为了保证数据中心在三年

3、的运行时间内有MTBF=2.628107 h的可靠性，如果对该5个分系统提出相同的可靠性指标MTBFo，那么每个分系统的可靠性MTBFo=就应当是MTBFo=MTBF5=13.14107 h=1.314108 h，比系统的可靠性MTBF提高了一个数量级。当然这样分配最简单，但缺乏合理性，应根据各分系统的实际情况具体制定指标。这里的目的是强调在数据中心设计中是需要对各分系统提出可靠性要求的。图5由5个分系统构成的数据中心举例2.2高可用性机房建设2.2.1概述高可用性这个词对于IT机房来说似乎是一个新概念。概念虽然新，但问题却早已存在了。因为以往的机房有很多是由普通办公室改装，或者是直接借用普通

4、的办公室、学校教室、工厂厂房甚至居民平房等，由此也带来了许多麻烦而影响了可用性。比如屋顶的漏雨进入机器，屋顶的石膏板因受潮变形而坠落砸坏机器，夏季由于通风不良而使机器过热，由于防尘措施不力而使电源的绝缘变坏，湿度太大使机器霉烂和锈蚀，湿度太小产生静电，从而损坏MOS器件，在雷雨天气由于接地防雷措施不力而损坏机器，无关人员的闯入和非法电器用电会造成供电中断，等等。这一些看起来似乎和机器没有直接关系的因素都实实在在地影响着系统的可用性。由此看来，机房的基础建设实际上也应当看成是数据系统可用性的一个组成部分。尤其是在IT技术飞速发展的今天，对于整体机房的高可用性不仅仅是建立在高可用性供电系统的基础上

5、，作为一个整体系统，场地系统的合理设计与施工，设备的可扩展性、可管理性和可维护性方面也应具有先进的设计理念。同时对机房场地中的建筑装修、电力配置、空调安装、新风补充、消防配置、防雷接地、弱电安装调试、门禁设置、保安监控、环境监测和综合布线等，都需要全系统一体化设计。这样可使用户在整体机房工程项目上省时省力省投资。在施工中精心施工，并对现场各专业交叉施工实施全方位协调，这样不但建设一个多快好省的优质机房，同时，也能得到一个完美的高可用性的机房。NT：PAGE=数据中心的环境设计$2.2.2机房对场地的基本要求1.)机房高度对中大型机房而言，其机房建筑高度H应做到H4m。这样才可以获得机房的净高度

6、H02.4m(一般是2.43.2 m)。因为机房的结构梁高度一般为ht1=0.60.8 m，活动地板床下送风空间高度hb0.3m，顶内回风梁下空间高度ht20.2m。如果去掉下列数据：ht1=0.8m，hb=0.3m，ht2=0.2m，因此，这些附加总高度h=ht1+hb+ht2=0.8m+0.3m+0.2m=1.3m则机房的净高度为H0=H-h=4m-1.3m=2.7m若机房建筑标高3.6m,则机房净高度就将2.4m。这样不仅会因为顶棚太低、影响视角而使人感到一种压抑感，同时还会影响精密空调机的热交换效果。2.)地板承重对于IT机房而言，它由很多机柜组成。其中有19英寸标准机柜、UPS电源机

7、柜、蓄电池机柜、直流屏及精密空调机等，有些机柜的实际单位重量都在1000kg/m2以上。因此，一般要求机房楼板的承重如下：一般机房300kg/m2中心机房400kg/m2局部部位700kg/m2对于那些300kg/m2的机房，则只能作为中小型机房。对于那些更重的设备，如单位重量都在1000kg/m2以上的设备，就应该采用特殊的加固措施，比如采用散力架。散力架一般用角钢或工字梁焊接而成，其两端搭在大楼的承重横梁上，然后将重物置于散力架之上，如图6(a)散力架的规格就是根据承重梁之间的跨度而定的。在条件不具备的地方也可以采用均重板。比如一个800mm厚、1000mm宽的电池柜，内装32只100AH

8、的电池，约1000kg重。那么其单位面积上的重量就是P=1000kg(0.8m1.0m)=1250kg/m2如果楼板承重只有400kg/m2，又没有条件安装散力架，则可将该电池柜置于4m2的均重板上，如图6(b)所示。这样一来，加上均重板的自重也不会超过原来楼板400kg/m2的承重能力。一般这种方法多用于中小型IT机房。对于一些重要的机房，在楼板承重达不到要求的情况下，还应对整个机房的楼层进行加固。图6散力架和均重板示意图3.)机房装修吊顶：吊顶分基层吊顶和装饰吊顶。基层吊顶又称为二次吊顶。当顶棚内梁下空间0.6m时可做基层吊顶，基层吊顶就是紧贴大梁的下面做一层石膏板吊顶。基层吊顶可使回风静

9、压室气流阻力减小，回风系统净化。保温节能效果好。装饰吊顶一般选择铝合金微孔d0.2mm方板或条形板，具有装饰、吸音效果。若吊顶内不做回风系统，铝合金板背面可贴一层防火绵纸，这样不但可以隔热和防尘，也比原来的吸音效果更好。隔断：计算机房内部隔断一般都采用轻质材料，主机系统一般都采用不锈钢大玻璃隔断。大玻璃通透性强，可使工作人员视线开阔，从而减小压抑感。但是否符合消防要求，须经消防部门鉴定。墙体：一般计算机系统都是一年四季都使用空调，所以外围结构墙体厚度最好是在240mm左右，然后在内壁加一层厚度50mm的保温层，使墙体热阻系数1.0W/.。另外，由于主机房系统多是人工采光，所以不宜多留窗户，若留

10、有窗户也应做双层密闭处理。墙体装饰材料一般采用铝塑板贴面，若采用50mm厚的双面彩板作为保温墙体，则一般都不留窗户。这样不仅保温效果好，而且内墙面不需要再贴装饰面层，且整体结构平整、一次性装饰效果好。地面：有的计算机机房地面敷设了抗静电活动地板，一般采用60060040 mm无黑边框复合地板和60060034 mm无黑边框钢地板。若下送风，其敷设高度应300mm，若地板下不送风，高度可150mm。抗静电地板主要技术参数为：系统电阻值105108，集中载荷(地板中心直径50mm)440/50mm，均布载荷1400/，表面平整色差小，对角线误差0.2mm。IT机房除上述基础建设外，主要还包括供电系

11、统、接地与防雷系统、精密空调系统、数据布线系统、保安系统或楼宇管理系统，对于大的机房还应有大屏幕讲解系统以及透明的参观隔离走廊等。现代参观走廊墙体采用的是一种电化玻璃材料。不加电时，作为隔离墙的玻璃是不透明的，加电后，就会变成透明的隔离体，这样使参观者既清楚地看到系统工作的全貌，又不影响系统的正常工作。由于计算机机房高可用性的核心是电力供应和空调系统，所以在这里对其作为机房的基础设施进行介绍，如供电系统、接地与防雷系统以及精密空调系统等。2.3UPS供电系统选型要点供电系统是数据中心的心脏和血管，是一切能量的来源。现代数据中心的电源系统几乎无一例外地采用了UPS供电，但在选择UPS系统时由于某

12、些概念不清，也出现了一些问题：有的在容量上出现了很大偏差，比如有的容量过大或过小；也有在类型上出现了偏差，比如有的过分强调三进单出结构，结果在UPS转旁路时导致整个中心断电；有的过分强调低价格，结果由于质量问题而出现冒烟甚至起火；有的不了解UPS的发展情况，把正在淘汰或已经淘汰的机型采购回来，而导致故障时无备件可换的尴尬局面；如此等等，造成了不应有的损失。尤其是一个大型数据中心如果选型不当就会导致更大的损失。NT：PAGE=机房对场地的基本要求$2.3.1UPS发展趋势概述不了解UPS的发展趋势和现状，若想合理地选择供电设备将无从下手。UPS的发展趋势是高频化、模块化、智能化和环保化。1)UP

13、S的高频化UPS的高频化可以使它的体积减小，其体积比原来工频工作时的体积小50%以上；重量轻，比如原来重约1000kg的200kVA工频机UPS，其输出变压器就重达600kg以上，由于高频机结构UPS取消了这个变压器，使重量显著减轻；功耗降低，功耗降低意味着温升降低，使可靠性提高。那么功耗能比工频机结构的少多少呢?比如同样要求二者的输入功率因数都大于0.98时，200kVA工频机UPS比同功率的200kVA高频机UPS每年多耗电100,000度；价格降低，这是显然的，高频机UPS由于采用了数字技术，将电路结构简化了很多，同时也将价格降到了目前的比较低的水平。2)UPS的模块化随着数据中心重要性

14、的增加，中心的可靠供电问题又提到了一个新的高度。单台UPS供电不但在很多情况下不能满足功率容量的要求，而且也不能解决高可靠性的问题，于是UPS单机的并联冗余问题被提了出来。以后这种冗余概念被扩充到在一个机柜中做到N+X(其中N为一个机柜中对应实用功率时UPS模块的数量，X为冗余的数量)冗余连接。在小功率范围中UPS模块可以是1kVA30kVA，一个机柜中可装34个模块；在大功率范围中目前一个模块可做到300kVA，一个机柜中可装2个模块，而且机柜与机柜还可并联连接。这就为大规模数据中心的供电可靠性问题提供了方便。模块化的另一个可贵之处就是可以在线升级、在线更换。所谓在线就是不停电的意思。这一点

15、对核心数据中心尤为重要，这些中心都是长年运行而不允许停电的。但UPS的寿命一般都在10年左右，到期必须更换，否则将会导致严重损失。香港汇丰银行就因为忽略了这一点而导致停电2h的严重故障。以往更换UPS时必须停电，而模块化冗余后就解决了这个问题，在中心的正常运行中就可在不停电的情况下，按计划将到期的UPS逐一更换成新品。由于目前绝大部分模块化UPS都是高频结构，所有高频机UPS的功能也全都具备。3.)UPS的智能化.智能化是当前一切电子产品的统一目标。因为这是一项提高产品可靠性和保障人身安全的有力措施。UPS智能化的含义就更深一层，比如目前很多数据中心UPS供电系统的维保人员都是一人多岗位，人少

16、事多自顾不暇。为此，UPS制造商和供应商就设立了监控中心，用户可以委托这些监控中心来管理。达成协议后，用户只需提供一个地址就可以了，监控中心就通过互联网对这些UPS实时监控，定期向用户提供运行报告或预警，一般故障还可以远程修复。省去了用户的很多麻烦。4)UPS的环保化作为电子产品的UPS设备，以往也含有大量的铅、汞和几种6价有害元素。这些有害物质严重地污染了环境，损害了工作人员的健康。由于它的危害越来越大，为了立法，在2003年2月，欧盟通过了关于报废电气电子设备指令(WEEE)和关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令称为RoHS(RestrictionsOfHazardousSubst

17、ances)指令。按照RoHS指令，到2006年7月1日，凡投放欧盟市场的包括UPS在内的电器不得含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚等6种有害物质。我国政府也正式出台了电子信息产品污染控制管理办法，管理办法中明确规定在制造过程中应当减少、甚至避免使用对铅、汞等有毒物质的使用。2007年1月起，我国电子产品污染控制的相关政策将开始实施。我国也将于从2007年3月1日起，同RoHS指令一样含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯醚(PBDEs)和多溴联苯(PBDs)等6种有害物质的电子信息产品禁止在我国市场上流通。2.3.2当前UPS选型的基本要点概括地来说，当前UPS选型应遵循五性三原则：1)

18、五性的含义先进性：很显然，先进的产品要比落后的产品寿命长，对UPS而言，如前所述高频机结构的产品由于在各项性能上都优越于原来带变压器结构的老产品，新产品代替老产品已成定局，如果因为感情或惰性问题而不敢或拒绝使用新品，一旦老产品停产，备件就是一个大问题，到时只有被迫采用新产品而忍痛丢掉花费好大人力和财力才购置不久的老产品。浪费了资金，耽误了时间。稳妥性：包括可靠性与可用性。可靠性是指硬件产品平均多长时间不出故障，一旦出了故障如何办?当然要修复，多长时间修好?这已不属于可靠性范畴，也许时间很短，也许时间很长或根本无法修复，这将给用户带来很多麻烦。而可用性就弥补了这个问题，可用性指的是在指定运行时间

19、内，UPS的有效供电时间占整个运行时间的百分数。比如指定运行时间是一年(8760h)。如果用户向供应商提出要求在这一年中UPS的有效供电时间占整个运行时间的99999%，那么，不能供电的时间：t=8760h(1-99999%)=0.0876 h每小时60min，那么就是t=0.0876 h60=5.256min。这就对产品的可靠性提出了限制指标，从此就保证了用户运行时间，维护了用户的利益。措施稳妥了，用户也就踏实了。灵活性：增减容量、便于移动和更换等。如上所述，采用模块化结构是一个不错的选择。可管理性：方便监控、维修和保养。经济性：最好的性价比。这里的性价比指的是在同样价格下有更多更好的功能，

20、或在同样功能的条件下，有着更好的价格。在目前市场竞争异常激烈的情况下，这个分寸不好掌握，用户应当多咨询真正的专家。一旦把关失当，就会造成难以弥补的损失。某人寿保险公司就因贪图价格便宜，机器安装不到半年就造成了整个中心因UPS爆炸而崩溃。2)三原则：节能减排是当前的一项基本国策，任何行为都应当不打折扣地贯穿这个精神。节能以负载功率因数为0.8的100kVAUPS为例：工频机UPS与高频机UPS相比，在相同性能的情况下，由于工频机UPS多了变压器和谐波滤波器，每年多消耗电能50,000度。某中心供电容量为5000kVA，如果选高频机UPS结构，每年即可节约电能2,500,000度，折合成煤炭约2,

21、500,000kg，这些煤将对环境造成多大污染，又将会向大气中排放多少有害气体！环保环境污染的三个方面：可闻噪声污染、电噪声污染和大气污染。由于高频机结构的UPS工作在20kHz或20kHz以上，这个频率已超出了人的听觉范围，所以可闻噪声的污染就没有了；又由于高频机结构的UPS工作在20kHz或20kHz以上，前面的输入电路以做到输入电压和电流基本同相，消除了脉冲电流对电网的污染，也就将电噪声污染降低到最低限度；如果再按照RoHS指令选择产品，那么大气污染也可基本消除。省面积节约原材料、减轻重量、节约成本和能量。如前所述，高频机结构的UPS在保证或高于工频机UPS性能的情况下已将电路简化到很低

22、，所以占地面积已几乎最小，这对机房的扩容和保证环境优越提供了有利条件。由此可见，高频机结构的UPS是节能减排典范，又由于其性能远远高于工频机UPS，所以会很快成为主流产品，更值得注意的是高频机结构的UPS在容量上已突破了1200kVA大关，而且又是模块结构(一个机柜中有4个300kVA的UPS模块)这对于大型数据中心是一个福音。综上所述，当前的UPS选型应以高频机结构和模块化为先。需要说明的是，高频机和高频机结构的含义是不同的。高频机UPS是指输入和输出主电路的调制频率在20kHz和以上者；而高频机结构的UPS输入和输出主电路的调制频率低于20kHz者。目前有些制造商在大功率范围内还不能完全采

23、用20kHz和以上的频率，一般都低于15kHz，在10kHz以下者为多数。但它的输入电路采用了高频机结构的Boost升压电路、高频整流器和Delta变换器，同样在不外加谐波滤波器和谐波抑制器的情况下将输入功率因数做到0.98以上；其输出电路也采用了半桥逆变器，取消了输出隔离变压器。这种工作频率高于50Hz而低于20kHz的情况一般称为中频机，就是中间频率的意思。又比如目前市场上400Hz和1000Hz的发电机就称为中频发电机。NT：PAGE=UPS发展趋势概述$2.4UPS供电系统的容量指标选择由于不了解IT设备的变化，不少用户在更新设备后不断出现烧毁UPS电源的事故而找不到原因，今后这将是主

24、要问题。2.4.1基本概念回顾由于IT设备发展很快，数据机房中的设备更新也比较频繁，由于作为供电设备UPS的更新换代周期较长，于是在IT设备更新换代中就出现了不匹配现象：UPS的功率器件烧毁现象频频发生。于是人们就提出了这样的问题：更新后的IT设备功率并未增加，而且UPS指示的输出功率并未过载，看起来和未更新设备前没有两样，为什么UPS就开始出故障了呢?这的确是一个值得注意的问题，而且随着现代IT设备的发展，这种现象会越来越普遍。为了解决这个问题不得不对一些基本概念来一个简单回顾，否则，以后选型时还会重复这种现象。在电子电器负载中有两种性质的载：线性负载和非线性负载。这两种不同性质的负载就表现

25、出了不同的影响。1)线性负载所谓线性负载是指在这个负载上的电流和电压的增量比值关系是线性的，即是一条直线，如图7(a)所示，式(3)从数学上表示出了这种关系。从式(3)可以看出，在这个负载上的电流和电压的关系永远是一个定值。图7线性负载的特性(3)若DI1=DI2，则DU1=DU2，反之亦然。图7(b)示出了在线性负载上电流和电压的动态关系。由此可以看出线性负载的特点是：电压和电流成固定比例、电流电压不突变、输出波形和输入波形一样，不失真。电阻是典型的线性负载。电容也是线性负载，对于这一点长期以来不少用户都有相反的观点，即认为容性负载是非线性的，也由此导致了选型的误区。既然线性负载的特点是在阻

26、抗值一旦定下来后，它自己在任何时候都是不变的，如果电容的容抗值也符合这个条件，那么它就是线性的，否则就是非线性的。电容的容抗XC数学表达式为：(4)式中：=3.1416 f是电源频率，单位赫兹(Hz)，在我国就是f=50Hz，是一个不变的定值。C是电容的容量值，单位法拉(F)，一旦选定后也是一个不变的定值。其特性曲线如图8所示。图8容性负载的特性曲线2)非线性负载所谓非线性负载是指在这个负载上的电流和电压的关系不是线性的，换句话说电压和电流的增量比值不是常数，如图9(a)所示，电流和电压的关系曲线随着电流的增加而开始弯曲，越来越变得平坦。从该图中可以看出，这里的DI1DI2，但却DU1=DU2

27、；又如图9(b)图9非线性负载的特性所示动态电压电流波形特性可以看出，如果工作在非线性区就出现了波形失真，电压出现了突变。从此可以看出非线性负载的特点：电压和电流不成固定比例、电流电压可以突变、输出波形在一定时候出现失真。属于这种负载的器件是电感类的磁器件。通过对上面的讨论可以看出这么几点：a.电阻性和电容性负载是线性的，输入输出波形无失真；b.电感性负载是非线性的，在离开线性区后，输入和输出不成正比，而且出现失真；c.只有感性负载才是非线性的，也只有感性负载才会造成失真。由于整流负载的突变脉冲电流可以造成电压波形失真，所以整流负载是电感性的、非线性的，单相电源的输入功率因数一般为0.60.7

28、；包括计算机在内的电子设备内部电源对输入电压而言都是整流负载，所以这些设备都是感性的。近年来由于环保和绿色的要求，这些整流负载都在进行补偿，使其输入功率因数尽量向1靠拢，大部分已做到了0.95以上，一些较大的设备甚至做到了0.98。也有的由于某些原因出现了过补偿，个别的表现出了容性特点，这对供电电源而言并不是什么好事。3)包括计算机在内的IT负载性质不少厂家和用户的技术人员有一个这样的概念：UPS输出的有功功率就是视在功率乘上负载功率因数，而且经过这样计算后得出的有功功率在任何性质的负载下，都可向负载提供该值。于是就造成了频频烧毁电源的故障。实际上在不同负载性质下，UPS送到负载的有功功率有很

29、大的差别，不了解这一点就会在设计机房供电时埋下隐患，下面将进行分析。NT：PAGE=UPS供电系统的容量指标选择$2.4.2UPS为不同性质负载供电时的容量变化1)UPS为感性负载供电时从前面的分析中可以看出，UPS输出的无功功率是电容性的，换言之，电容器C上的电容性无功功率是为了补偿负载的电感性无功功率而设的。不言而喻，负载是电感性的，就是说一般UPS就是为电感性负载设计的。这就决定了UPS对负载的选择性。为了有一个定性的和定量的概念，借用举例的方法进行说明。例：一台负载功率因数为F=0.8的S=10kVAUPS，带功率因数为F=0.8的10kVA负载，这时候UPS的有功功率和无功功率是如何

30、分配的?图10UPS带感性负载时的能量关系从前面的讨论中可以知道，目前一般UPS的有功功率和无功功率是由两个支路环节分别提供的。这种情况表示在图10(a)中。图中灰色箭头表示的是有功功率流动的路线，而空心箭头表示的则是无功功率行动的路线。由于UPS逆变器的输出电压是固定的，所以在一定的功率下，逆变器就像自来水管一样可以看成是电流通道，如图10(b)所示的那样，有功电流和无功电流分别从两个管道中流出，汇合后提供给负载。这种汇合不是简单地算术相加，而是一种矢量相加的关系，如图10(c)所示。他们之间的数学关系如式(9)所示。(5)以上介绍的是一种完全匹配的理想情况。在这种情况下，UPS可以提供出全

31、部的有用能量。但如果UPS所带的负载并不是完全匹配，比如用一台负载功率因数为F=0.8的S=10kVAUPS，带功率因数为F=0.7的10kVA负载时，这时候UPS的有功功率和无功功率是如何分配的?有的厂家一再强调说这时的UPS可以提供比负载功率因数为F=0.7的UPS多10%的有功功率，由此得出的结论是：负载功率因数为F=0.8的UPS比负载功率因数为F=0.7的UPS强。是不是这样呢?还是让数据来说话。对于功率因数为F=0.7的10kVA负载而言，已知所需有功功率为P=7kW，而所需的无功功率是：(6)从前面的讨论可知，此时UPS提供的无功功率只有6kVAr。也即尚缺1.14kVAr的无功

32、功率，为了能量守恒，不足的这一部分无功功率只能由逆变器提供，所以这时需逆变器提供的视在功率SL1：(7)这个计算说明负载功率因数为F=0.8，S=10kVA的UPS，带功率因数为F=0.7的10kVA负载时没有问题。是不是可以多带10%的这样负载呢?先来计算一下，如果此时提供P=8kW，按照功率因数为F=0.7负载的有功功率和无功功率比例基本为11来算，此时UPS也应提供8kVAr的无功功率，此时就需要该UPS提供的视在功率SL2：(8)这个计算说明，如果多带10%负载，UPS就过载了。所以那种可多带10%有功负载的说法是没有根据的，至于多带多少?可以通过计算确定。显然F=0.8比F=0.7U

33、PS多10%有功功率的说法是值得商榷的，因为它误把功率因数看成了百分数。NT：PAGE=UPS为不同性质负载供电时的容量变化$2.)UPS为容性负载供电时有不少人所以将整流滤波电路看成是电容性负载，就是因为整流电路中有电容滤波器。当然，其实它不是电容性的而是电感性的负载。那么真正的电容性负载会对UPS造成什么影响呢?为了容易讨论起见，仍然以实际例子说明。例：若选用负载功率因数F=0.8，功率S=10kVA的UPS，所带用电设备是功率因数为+0.8的容性负载，此时UPS是一个什么情况呢?由于负载是电容性的，而UPS的负载功率因数是负值，即输出端也是电容性的。为了分析的方便，就可以将电容性负载人为

34、地分解成两部分：纯电容部分和电阻部分，如图11(a)所示。这样一来就可清楚地看出，UPS逆变器后面的并联电容器和负载的电容器容量可以直接算术相加。从前面的计算可知，UPS输出可提供的容性无功功率Q=6kVAr，负载满负荷时应被平衡的容性无功功率也是Q=6kVAr，那么如果带满负荷，此时逆变器必须提供的功率为：(9)图11UPS带容性负载时的能量关系这样一来，造成的结果就是逆变器过载。此时逆变器过载量为：(10)为什么会这样呢?这从物理概念上如何解释呢?这可用图11(b)来说明，当负载为电感性且匹配时，逆变器给出全功率P，因为UPS就是按感性负载设计的，所以逆变器后面的电容器就和匹配负载中的电感

35、分量形成了完全互补的关系，自成回路，和作为电流通道的逆变器不发生关系。但带了功率因数绝对值相同的容性负载后，使逆变器后面的电容器容量成倍增加，这就导致了无功电流也成倍增加。可想而知，两倍的无功电流涌向逆变器，这就要求逆变器必须给出比原来视在功率还要大得多的功率。换言之，就好比一个只有一个车道的单向公路此时有三列汽车要求同时行驶在上面。可想而知，要么加宽车道，要么有的汽车就被挤下车道，造成事故！这从图11(c)的向量图可以看出，负载功率因数为0.8，功率为10kVA的UPS逆变器在带同值容性负载时所提供的电流必须由原来的有功分量36.4A增加到当前的视在值ISO时：(11)电流通道在电路定型后已

36、无力变得多么庞大！这就严重地过载了！所以，按照当前一般UPS的设计，只要带容性负载，不论带大还是带小，都要过载。NT：PAGE=UPS为容性负载供电时$3)UPS为线性负载供电时线性负载不一定只限于电阻负载，比如电容器就是线性负载，是功率因数不为1的线性负载；只有功率因数为1的线性负载才是电阻负载。但在这里有一个误区，有的认为UPS在带纯电阻负载时，只要用UPS的视在功率乘上功率因数，带载能力就没问题了。但往往这样做了以后，得到的结果是过载。什么原因呢?这可以用图12进行说明。例：总功率为10kVA的计算机机房，若选用负载功率因数为0.8的10kVAUPS，在用电设备是功率因数为1的电阻负载时

37、，UPS可否仍能给出8kW的功率?当负载功率因数为1即为电阻负载时，负载端再也不需要无功功率的补偿，但逆变器后面的补偿电容器C依然存在，计算得出，这时电容器的容抗XC=6.8，所以为了在输出端建立起220V的电压，必须给电容器提供的电流IC为：(12)图12UPS电阻性负载时的能量关系这时逆变器提供的电流不但给电阻负载，还得流过电容器以建立220V，所以此时的电流是视在值IS，为：(13)原来应当流入负载的36.4A的电流IR就只有：(14)所以在此情况下，UPS向负载提供的有功功率p=17.35A220V=3.82kW。图12(a)示出了两种功率的流经途径。从图中可以看出，电容器上的交流电流

38、是通过逆变器提供的。从物理概念上说，电容器上的交流电流占用了一部分原来有功电流的通道，如图12(b)所示。这样一来，原来有功电流的通道由于被占用了一部分，它不得不以减少送往负载的流量来满足整个电路的要求。当然这种有功电流和无功电流的相减也不是像算术的加减法那样直接，而仍然以矢量和的方式按勾股弦定理计算。这三个量的矢量关系如图12(c)所示。NT：PAGE=UPS为线性负载供电时$实际上在这种情况下，电容器C变成了逆变器的负载，通过逆变器提供的交流功率由后面的电阻和电容进行分配。由于电容分去一部分功率，剩下来的有功功率当然比逆变器原来送给的功率要小得多。4)负载更新后造成UPS故障的机制通过上面

39、的讨论就可以回答在本节开始时提出的问题了：为什么负载设备更新后会导致UPS烧毁功率管呢?这里仍以负载功率因数为0.8的10kVAUPS为例。假如更新IT设备的功率因数为1(这和实际情况接近)。如图13所示，一般UPS测量负载的电流传感器都安装在输出端，电流传感器担负着向逆变器控制电路传送负载信息的任务。一般UPS的过载能力大都是120%10min。当过载现象超过10min时传感器就向逆变器控制电路发出过载信号，控制逆变器关机并将负载切换到旁路。但这里线性负载的加入已超出了原设计的设定，由于负载现在已变成线性，意味着已不需要6kVAr的无功功率，但电容的容抗仍然存在，人需要用32A的无功电流来建

40、立220V。该电流只有来自逆变器，按额定值说逆变器只能输出36.4A，被电容分去一部分后，留给负载的只有17.35A,见式(14)。但此时负载需要的电流I是：(15)和原来匹配负载时的电流一样大，如果再加上20%的过载能力就是54A。就是说负载端的电流小于54A的任何时候，传感器都不会去干预逆变器的工作。换言之，负载端的电流只要在54A以下，逆变器就一直向外输送电流，这个电流Im有多大呢?(16)这样一来就使逆变器过载到63/36.4=172%，即过载70%以上。当然有的逆变器功率管上装有温度传感器开关，就可及时过热跳闸关机，保护了机器；如果逆变器功率管上没有安装温度传感器开关，那就只有等着过

41、热烧毁一个结果。NT：PAGE=负载更新后造成UPS故障的机制$。2.4.3当前数据中心设备对供电设备参数的选择1)数据中心负载功率的计算数据中心负载功率的计算分两个部分：一部分是不用UPS供电的部分，比如精密孔调机CRAC，照明等；一部分是完全由UPS供电的设备。这里主要讨论由UPS供电的设备。式(17)给出了计算机房负荷的表达式：(17)Sn：数据中心系统总功率si：每个单台设备的标定功率i：自然数字n：负载设备总台数应当注意的是，数据中心的设备是由好多个厂家的产品集合而成的，所以不同厂家对其产品功率的标注有着不同的习惯，但在选择UPS容量时必须要统一计量单位。比如UPS的计量单位多是采用

42、VA，负载的计量单位也要统一成VA。例：一个机房配置有：*PC机500台，每台消耗功率170VA，(一般这类负载的功率因数也是0.65)；*两台中心计算机，名牌上写着功率为2300W，已知该计算机是新产品，输入功率因数0.95*5台服务器，每台标称功率1300W，因是老服务器，其输入功率因数是0.65*2台交换机，名牌上写着电压220V，电流5A(一般这类负载的功率因数也是0.65)如果将这些设备的总容量Sn统一成VA计量，就可用下式计算：就可根据上述结果选择100kVA容量的UPS。但需要验算一下当前负载功率因数为0.8的这台UPS能不能供出所需的有功功率。a.上述设备所需的有功功率P为：P

43、=1705000.65+23002+13005+220520.65=67780(W)小于但接近UPS可以提供的80kW。b.上述设备所需的无功功率Q为：而这台UPS只能提供60kVAr的无功功率。比需要值小了很多，尽管有功功率那边尚有富余，但也微乎其微。从验算的结果看，负载功率因数为0.8的100kVAUPS选小了，为了保险起见，应当选150kVA的容量2)UPS功率参数的选择目前对大型机房和新建数据中心机房而言，如果都是新购设备，此时的设备功率因数几乎都大于0.95这时的UPS功率参数选择就需要特别注意。现仍举例说明。例：某银行新建数据中心机房面积约8000m2，IT负载均为重新购置，需UP

44、S供电功率约4000kVA，按照目前新购IT设备的输入功率因数，厂家提供的数据为0.950.98。如果以0.95计算，将需要有功功率P和无功功率Q：P=4000kVA0.95=3800kW a.选负载功率因数为0.8的400kVAUPS根据目前多数厂家的UPS尽管最大容量是400kVA，尽管号称可做到800kVA，也不过是将两台400kVA单机芯装入一个壳内。所以目前以选400kVA者居多。一个400kVA可向功率因数为0.95的负载提供多少有功功率呢?按照设计功率因数为0.8的400kVAUPS可输出无功功率Q0.8=240kVAr，而一个400kVA负载的需要量QL1是：比需要量多出了Q=240-124=116(kVAr)，这时它必须将多余的无功功率吸收掉，这样一来逆变器可以输出给负载的容量S0.8就变成了：负载功率因数为0.8的400kVAUPS面对功率因数为0.95的负载就变成了298kVA。那么4000kVA