现代通信机房IDCUPS及供电系统现状

1、现代通信机房（IDC)UPS及供电系统现状主讲人：杜秋 12022/7/28一、IDC机房中UPS供电系统现状和值得思考的问题二、当前UPS供电系统设计和配置中存在的若干问题目录22022/7/28市电1市电2ATS柴油发电机ATS交流输入系统UPS主机；输入输出配电；输入输出滤波器；输出STS转换开关；线缆传输；变压器；电池阻；UPS供电系统 负载一、UPS供电系统现状和值得思考的问题32022/7/28当前UPS供电系统典型结构示意图逆变器工作波形 AC/DC（6脉冲） 5、7次无源滤波 配电 DC/AC全桥或半桥PWC控制 配电滤波器变压器UPS输出电压AC220V/50HZ负载电流PF

2、=0.6CF3UPS输入电流PF=0.7THDI30%直流母线电压DC300V20%计算机负载器件电压：全桥380V半桥760V传统UPS系统结构电池组42022/7/28（1）系统可靠性问题：系统复杂、单路经故障点多、设备可靠性差、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-负载开关电源和UPS。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波设备、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

3、：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。当前UPS供电系统存在的问题52022/7/28与安全有关的两大问题决定了传统UPS技术的发展系统的可用性：可靠性低，造成系统不可预见的突发性故障；谐波干扰：造成系统隐性故障；62022/7/28谐波电流对系统和电网的污染1、谐波电流是UPS输入功率因数低的主要原因：2、输入功率因数低是降低电能利用率和系统工作效率低的原因之一： 在电压是正弦波的情况下，所有的谐波

4、电流形成的功率都是无功的3、谐波是中线电流大的主要原因： 所有的3次及3的整数倍3n次谐波电流在中线上都是同相位迭加的 ； 4、电流峰值因数对供电设备和传输导线容量的影响： 增大传输损耗；5、谐波电流对供电系统的污染：1）、使设备和元件产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电效率；2）、加速电缆绝缘老化，缩短使用寿命；3）、干扰由同一电网供电的其它电气设备的正常工作；4）、引起局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大；5）、导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确；6）、对通信和计算机系统产生干扰；72022/7/28 UPS供电系统的谐波治理：谐波治理是UPS设备性能改进和供电

5、系统配置研究的重要的课题。治理措施：增大电力系统的供电容量和传输电缆、开关等设备容量；改变变压器的配置和不同的方式联接方式； 在系统中和设备内部配置无源滤波器； 在UPS设备输入端采用输入功率因数校正电路-PFC 在系统或设备输入端配置有源滤波器82022/7/28降低和治理系统谐波电流方法之一：12脉冲整流+无源滤波器逆变器工作波形 配电 DC/AC全桥或半桥PWC控制 配电滤波器变压器UPS输出电压AC220V/50HZ负载电流PF=0.6CF3直流母线电压AC/DC12脉冲整流11次无源滤波PF=0.95THDI10%DC300V15%计算机负载器件电压：全桥380V半桥760V电池组存

6、在问题：1，增加系统成本；2，负载减轻时，无源滤波效果不好92022/7/28降低治理系统谐波电流方法之二：PFC高频整流逆变器工作波形 配电 DC/AC全桥或半桥PWC控制 配电滤波器变压器UPS输出电压AC220V/50HZ负载电流PF=0.6CF3直流母线电压 PFC整流PF=0.99THDI5%DC300V15%计算机负载器件电压：全桥380V半桥760V电池组1，与UPS配套2，当前的器件水平可做到120KVA102022/7/28降低治理系统谐波电流方法之三：混合型有源滤波器逆变器工作波形 AC/DC（6脉冲）有源滤波 配电 DC/AC全桥或半桥PWC控制 配电滤波器变压器UPS输

7、出电压AC220V/50HZ负载电流PF=0.6CF3UPS输入电流PF=0.7THDI30%直流母线电压PF=0.99THDI5%DC300V15%计算机负载器件电压：全桥380V半桥760VAPF电池组可放在UPS前端，也可放在整个系统前端112022/7/28提高系统可用性方法之一：单机冗余并机系统 AC/DC（6脉冲） 5、7次无源滤波 DC/AC全桥或半桥PWC控制 配电 配电滤波器变压器计算机负载 AC/DC（6脉冲） 5、7次无源滤波 DC/AC全桥或半桥PWC控制并机控制电池组电池组122022/7/28 配电 配电滤波器变压器计算机负载 AC/DC（6脉冲） 5、7次无源滤波

8、 DC/AC全桥或半桥PWC控制 配电 配电滤波器变压器 AC/DC（6脉冲） 5、7次无源滤波 DC/AC全桥或半桥PWC控制并机控制STS电池组电池组提高系统可用性方法之二：双总线冗余并机系统132022/7/28提高系统可用性方法之三：单机模块化UPSN+1冗余配置可在线热插拔，最大限度降低故障修复时间可用性=MTBFMTBF+MTTR142022/7/28提高系统可用性方法之四：集成化UPS供电系统结构框图 ATS1柴油发电机ATS2市电1市电2模块热插拔冗余n+1UPS模块热插拔冗余n+1UPSSTS变压器变压器输出配电服务器服务器单电源负载ATSPDU输入配电ATS输入配电ATSS

9、TS双电源负载PDU输出配电供电设备制造和供应渠道的统一化；设备结构的一体化和连接的规范化；各设备和环节状态管理的集中化；各设备和环节结构的模块化、冗余配置和连接的热插拔功能。152022/7/28提高系统可用性方法之五：智能监控与管理：是提高管理水平的辅助手段，可提前发现故障隐患，减少故障发生的概率，防患于未然。自检功能：定期的自检功能，以防患于未然；UPS远程诊断与维护功能：远程检查UPS状态、查询预警信息； 自动关机功能：UPS执行定制化的数椐保护功能；自动报警功能：UPS系统故障时，通过电子邮件、寻呼、弹出式信息等方式实时通知系统管理员。162022/7/28当前UPS供电系统结构图逆

10、变器工作波形 AC/DC（6脉冲）AC/DC12脉冲 PFC整流11次无源滤波 5、7次无源滤波有源滤波 配电 DC/AC全桥或半桥PWC控制 配电滤波器变压器UPS输出电压AC220V/50HZ负载电流PF=0.6CF3UPS输入电流PF=0.7THDI30%直流母线电压PF=0.99THDI5%PF=0.99THDI5%PF=0.95THDI10%DC300V15%计算机负载主机模块化系统冗余结构-STS智能管理集成化系统器件电压：全桥380V半桥760V电池组172022/7/28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

11、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。运维难度越来越大系统可靠性差是造成以上现象的根本原因182022/7/28值得思考的问题之一：可靠性问题3、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？！1、负载对系统可靠性要求提高，是因为UPS系统的可靠性不高2、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的可能性不大； 但市电正常，系统本身故障却没有确有把握的保护！192022/7/28值得思考的问题之二：谐波源治理问题系统中的谐

12、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？17202022/7/28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；212022/7/28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；

13、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消耗不断增大的趋势222022/7/28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！232022/7/28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？！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。但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

14、能的。242022/7/28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 ； 所有应用技术和产品最终都是用商业价值决定优劣的；价值可用性适应性总拥有成本 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；252022/7/28值得思考的问题之八：正确地选用配置UPS根据需要确定选用标准；计算机

15、对UPS电性能指标要求并不高；任何高指标都是要以提高成本和降低可靠性为代价的；屏蔽和排除厂家的误导；262022/7/28一、IDC机房中UPS供电系统现状和值得思考的问题二、当前UPS供电系统设计和配置中存在的若干问题目录272022/7/28二、UPS系统设计和应用中存在的若干问题计算机类负载对UPS电性能指标要求不高；先进UPS 的性能指标是什么；如何衡量设备的可靠性；可靠性与可用性的区别；系统的模块化与标准化；关于系统模块化的概念讨论；隔离变压器在供电系统中的功能-无输出变压器UPS的优缺点；系统零地电压差的产生与治理；UPS 供电系统方案的选择；282022/7/28二、UPS系统设

16、计和应用中存在的若干问题双输入电源负载特性；双总线系统的单路径故障点与新的配置方法；高可用级别的双总线系统；冗余系统中再冗余对可用性的影响；低成本的双总线系统；油机再冗余对可用性的影响；UPS输出功率因数与实际带载能力；关于UPS输入阻抗性质（PF1、容性还是感性）； UPS输入电流谐波污染与抑制方法；292022/7/28二、UPS系统设计和应用中存在的若干问题机房接地问题；油机与不停电系统；关于UPS输入电压变化范围；数据中心输入消耗能源分布与节能问题；IT系统交流输入环节不能加漏电保护器；隔离变压器启动短路问题；关于参数稳压器在系统中的配置问题；302022/7/281、计算机类负载对电

17、性能指标要求不高性能指标 计算机类负载的要求电压稳定精度 +15%，-20% +20%，-35%波形失真度 有效值峰值变化=稳压精度范围三相电压不平衡度 5%频率变化范围 +200%/-10%市电掉电时转换时间（ms） 20312022/7/28上部轨迹：电源低电压 DC 输出中间轨迹：输入电压和电流断开 AC 后，承担大容量负载的计算机电源输出延迟一段时间后才开始下降。输入掉电后，计算机内部直流电压变化情况322022/7/28允许在与 SMPS 设备连接的 UPS 输出中出现大小和持续时间位于绿色“区域”中的电压扰动（“瞬变电压”）； 摘自 IEC 标准 62040-3：SMPS 负载兼容

18、的可接受 AC 电压异常的大小和持续时间计算机输入电压变化与持续时间的关系332022/7/28后备式方波输出UPS是不稳压的稳压精度：额定值11.25%有效值220V直流母线电压342022/7/28UPS输出电压的稳频问题一、计算机负载对频率范围的要求：-10%，频率过低时，会使整流滤波后的纹波加大，影响计算机直流电源的工作；+200%，在低频整流滤波正常工作范围内二、市电输入正常时，UPS输出频率必须跟踪市电频率：当输出过载或逆变器故障时，可保证逆变旁路正常转换；在并机系统中，可保证所并各台UPS逆变器同步，减少因不同步而形成的各台之间的环流，提高并机均流度和系统可靠性。三、只有在电池逆

19、变时才有输出电压稳频问题：352022/7/28可靠性和输出能力成为最重要的指标； 输入功率因数是否做到0.99和输入电流谐波成分是否小于5%；在系统配置能力上它必须有多台输出均流冗余并机的能力；为了提高系统的可用性，它必须是可修复和可快速修复的设备,因此在体系结构上采用模块化可在线热插拔技术；UPS具有更强大的智能管理功能，将电源管理系统与企业信息管理系统集成开始成为最重要的技术内容之一；UPS的性能要求和评估选用标准发生了明显的变化2、先进UPS的性能指标362022/7/283、如何衡量设备的可靠性MTBF是科学的，但由于不可测量而不可信；可量化的设备可靠性指标： 工作效率； 过载能力；

20、 输出功率因数； 输出电流峰值系数； 输出不平衡能力；372022/7/28失效率：式中：ns试验开始时正常工作的样品数；n在运行（t1-t2）时间间隔内出现故障的样品数；可靠度： 平均无故障时间：MTBF= =当考察的工作时间 t UB时的电流负载1负载二B相D1D2D3D4A相C相N592022/7/28说明:两台IT设备分别接在三相电源的两相上，每个IT设备的输入都是220V,而两相之间的电压差是380V；负载由两相分别供电，输入电压都是220V，互不影响。在交流输入线电压正常的情况下，断开零线，UAUB时，电流的途径是： UA-D1-负载1-D2-D3-负载2-D4UB于是，UAB 3

21、80V电压加在负载1和负载2上，结果：1、负载1和负载2相等，分别加电压380V/2= 190V ；2、负载1和负载2不相等，380V按阻抗比分配电压；3、负载1和2极端不平衡， 380V加在一路负载上，直流母线电压由310V升高至540V，此路可能因过压烧毁。602022/7/28零地电压的产生：不平衡负载基波电流；高次谐波电流：主要是3次和3的整数倍谐波；零地电压的测量： 有效值，包括不平衡基波电流和高次谐波电流峰值，是有效值的3-4倍；零地电压标准限值： 有效值1V或2V，是衡量零线是否接好的方法，而非是否影响负载正常工作的限值，1V可能有问题，5V也许没有问题；零地电压治理：平衡三相负

22、载；降低谐波电流；降低零线传输阻抗：加大导线截面、减小节点阻抗、缩短零线传输距离；加隔离变压器(位置)；线路阻抗：Z=L/S =22.5mm/mL：mS：m21819612022/7/28如果零地电压主要是系统谐波电流造成的，那么较大的谐波电流可能会在形成谐波电压后再通过滤波器增大注入地线的电流,而零地电压差并不直接影响负载工作，因为机内开关电源的输入输出是通过高频变压器隔离的。DCACACDCDC5VA输入IT负载机内开关电源的输入输出是通过高频变压器隔离的622022/7/28UPS输入端，UPS工作正常UPS输入端，UPS转静态旁路UPS输入端，UPS电池逆变UPS输出端，UPS工作正常

23、UPS输出端，UPS转静态旁路UPS输入端，UPS电池逆变(平衡负载下的UPS输入输出谐波电压)632022/7/289、UPS 供电系统方案的选择选择配置方案的原则：“N”系统串联“N+1 ”冗余系统并联“N+1”系统分布式（Distributed）冗余双总线冗余系统2(N+1)、2N+2、(N+1) + (N+1)、(N+1)+AC (STS)配置双总线系统应注意的其它问题642022/7/28等级 I等级 II等级 III等级 IV基本型部分冗余型可同时维护型故障容错型可得到的通路数量 只有一路 只有一路主和被动各一路 二路主路冗余N实际量N+1实际量+一路N+1实际量+一路S+S or

24、 2(N+1)双系统（实际量+一路）区域划分无无无有同时可维修性不能不能能能对最坏的事件的容错无无无有关键的负荷可用度100% N100% N90% N90% N初始用电总量（瓦/每平方英尺）20-3040-5040-6050-80最终用电总量（瓦/每平方英尺）20-3040-50100-150150+150以上连续冷却没有没有或许是的场地空间中架高活动地板的比率20%30%80%-90%100%架高活动地板的高度(典型值)30CM45CM75-90CM75-90CM地板荷载 磅/每平方英尺(典型值)85100150150单点故障多+人为错误多+人为错误部分+人为错误一个没有+人为错误每年场地

25、引起的IT停机(实际值)28.8个小时22.0个小时1.6个小时0.4个小时场地的可用性99.671%99.749%99.982%99.995%实现累计月份数33-615-2015-20实际的可用性数值的分类等级属性（TIA-942标准）652022/7/28第I等级：基本型配有电力分配和冷却系统，有或不一定有活动地板、UPS 、发电机。在这些系统上的关键负荷能达到N的100%。设备是单模块的系统，有很多的“单点故障”点。预防性检修和修理时需要停机。器件故障、操作错误，以及自然灾害等都会造成系统中断。电力和冷却都是单通路，没有冗余，可用性99.671%市电市电浪涌保护和/或交流稳压PDULOA

26、D第1级硬件保护662022/7/28第 II等级：部件冗余型场地内有活动地板；一台UPS 和发电机，供电的能力设计是N+1，全部有单一的分配路径。关键负荷能达到N的100%。关键线路的维修需要一次处理性的中断停机。供电路径上的故障可能引起系统停机电力和冷却分配都是单通路，有部分冗余，可用性99.741%第2级硬件保护市电市电浪涌保护和/或交流稳压PDULOADUPS672022/7/28第III等级：可同时维护型系统结构是冗余的；有计划的维护活动不会影响系统的运行。无计划的活动，可能会引起数据中心的运行中断。在一个系统上的关键负荷不超过N的90%。具备“同时可维护性”功能，由多条电力和冷却通

27、路组成冗余功能，可用性99.982%市电+油机+ATSUPS1UPS2PDULOAD市电+油机+ATSUPS1UPS(N+1)PDULOADBYPASSN+1冗余1+1冗余等级3：增加系统可用性682022/7/28第IV等级: 故障容错型故障容错功能，通常是针对双电源输入系统配置。无计划的故障或者事件不影响关键的负荷。电力系统供应为每个有N+1冗余的两个单独的UPS 系统。 严格的故障容错监测，无计划故障停机或者运行错误时不会发生计算机程序中断的能力。由多条电力和冷却分配路径组成，具有各个部分的冗余，并且是故障容错的，可用性99.995%。市电1+油机+ATSups1市电2+油机+ATSup

28、s2LBS双输入PDULOADSTSPDULOADLOADSTSPDUPDULOADPDUPDU等级四:负载从不停电692022/7/28选择配置方案的原则停机成本的影响 ：每分钟的流动现金有多少？故障后系统恢复时间？停机成本（直接成本：设备更换和损失的处理时间；间接成本：事故处理人员、会议、规划等）；风险承受能力：风险承受能力越弱，要求可靠性更高、故障恢复能力更强；可用性要求：一年内能忍受的停机的时间？可能要求决不能停机，或每天晚上 10 点之后以及大多数周末可以停机。每年计划在维护方面所花的时间越少，系统需要的冗余设计组件就越多；负载类型：单电源负载与双电源负载；使用环境：电网环境、负载环

29、境、物理环境；成本预算：702022/7/28（1）、“N”系统N 系统定义：1、与关键负载规划容量相等的单台UPS 模块或一组并联 UPS 模块构成的系统；2、N 配置是关键负载供电的最低要求；3、为了系统维护,需要外部维护旁路；优点：1、设计概念简单，硬件配置成本低廉；2、由于 UPS 工作在设计满负荷条件下，因而其效率最高；3、具备高于市电的可用性；4、可进行并机扩展增容（并联多个额定值相同的 UPS 模块）；缺点：1、可用性有限，因为如果 UPS 模块出现故障，负载将转换到旁路供电，从而处于无保护电源下；2、UPS、电池或下游设备维护期间，负载处于无保护电源下（持续 2-4 小时）；3

30、、缺乏冗余，限制了在 UPS 发生故障时对负载的保护能力；4、存在多个单故障点，这意味着系统的可靠性由其最薄弱的环节决定。市电油机ATSbypass2UPS2维修旁路bypass1UPS1配电LOAD712022/7/28（2）、串联“N+1 ”冗余系统定义：串联冗余 “N+1”系统，正常情况下由 “主”模块供电。“串联” 的 UPS 模块为“主” UPS 模块的静态旁路供电。该配置要求“主” UPS 模块的静态旁路具有单独的输入电路。输出仍存在单故障点，因此，维护旁路是一项重要的设计功能。优点：1、产品选择灵活，可以混用不同制造商不同型号不同容量的产品（系统能力取决于小容量的UPS ）；2、

31、不存在要求两台UPS均分负载的问题，对UPS单机的频率同步跟踪特性要求不高； 3、具备 UPS 容错功能；4、对于双模块系统（1+1）而言，相对比较经济。缺点： 1、依赖于主模块静态旁路是否能从冗余模块正确接收瞬变负载； 2、如果电流超出逆变器容量，则要求两个 UPS 的静态旁路都必须能正常运行；3、辅UPS 必须能够处理突然的负载变化；4、开关装置及相关控制部件不仅复杂，而且昂贵；5、“辅助” UPS 工作于 0% 负载情况下，运营成本高；6、每个系统一条负载总线，因而存在单故障点；7、空载运行的UPS蓄电池一直处于“浮充”状态，缩短寿命和实际使用容量；8、没有扩容功能；722022/7/2

32、8定义：输出直接并机，“备用的”电量至少等于一个系统模块的容量；要求采用同一制造商生产的相同容量的 UPS 模块。优点：可用性要高于“N”配置；可根据需求的增长进行扩展。硬件布置不仅设计概念简单，而且成本低廉；缺点：并联模块必须采用相同的设计、相同的制造商、相同的额定值以及相同的技术与配置；UPS 系统的上游与下游仍存在单故障点；在 UPS、电池或下游设备维护期间，负载处于无保护电源下；由于各个 UPS 设备的利用率均低于额定用量，因此运营效率较低；所并各台需要一个逻辑控制总线，因而存在单路经故障点；并机台数增多时，需要外部静态开关和并机控制柜，系统仍需要一个公共的外部维修旁路。（3）、并联“

33、N+1”系统市电油机ATS配电市电维修旁路UPS1UPS2配电LOAD并联冗余（N+1)UPS配置732022/7/28（4）、分布式（Distributed）冗余分布式冗余设计和双总线系统设计相似。将单路径故障点减至最少。可同步维护 ；区别在于，UPS 模块的数量不同，以及从 UPS 到关键负载的配电结构不同。此方案可解决双总线同步的问题优点：1、可同步维护（如果所有负载均为双电源负载）；2、与 2(N+1) 设计相比，UPS 模块较少，因而成本较低；3、对于双电源负载，两条独立的供电线路自入口处便提供了冗余；4、无需将负载转换到旁路模式（负载将处于无保护电源下），即可对 UPS 模块、开关

34、装置和其他配电设备进行维护。所以不需要维护旁路电路；缺点：1、大量采用开关装置，因此成本相对比较高；2、采用 STS 设备即意味着存在单路径故障点以及复杂的故障模式；3、配置方案复杂。要保证各个 UPS 系统均分负载并了解哪些系统为哪些负载供电，是一项艰巨的管理任务；4、无法预计运行模式。各UPS 系统之间存在多种可能的转换模式。要在预先定好的条件和故障条件下对所有这些模式进行测试，以检验控制策略和故障清除、设备是否正常运行，是不切实际的；5、由于未达到满负荷工作状态，UPS运行 效率低下。742022/7/28STS1UPS1UPS2UPS3市电1市电2ATS1油机ATS2ATS3ATS4S

35、TS2配电1配电2单电源负载单电源负载双电源负载分布式冗余UPS 配置（一）分布式冗余UPS 配置（二）单电源负载单电源负载双电源负载单电源负载双电源负载STS1STS2UPS1UPS2UPS3市电1市电2ATS1油机ATS2ATS3ATS4STS3配电3配电1配电2752022/7/28（5）、双总线系统冗余定义：双总线系统、多路并联总线、双输入、2(N+1)、2N+2、(N+1) + (N+1) 以及 2N 等都指的是该配置的变体。其基本设计概念，是允许每一个电气设备都可以在无需将负载转换到市电的条件下出现故障或手动关闭。优点：1、两条独立的供电线路，无单路径故障点，容错性极强；2、该配置

36、为从电力入口到关键负载的所有线路提供了全方位的冗余；3、在 2(N+1) 设计中，即使在同步维护过程中，也仍存在 UPS 冗余；4、无需将负载转换到旁路模式，即可同步维护；5、更容易使各 UPS 系统均分负载，并了解哪些系统为哪些负载供电；6、在设计中无需再面对 STS 设备及其复杂的故障模式，从而使系统可用性得到了显著提高。缺点：1、冗余组件数量多，成本高；2、由于未达到满负荷工作状态，UPS 效率低下；3、一般的建筑物不太适合采用可用性极高的双总线系统，因为这种系统需要对冗余组件进行分开放置(实现更高级别的隔离)。市电1市电2油机ATS1ATS2ATS3UPS1-1UPS1-2UPS2-1

37、UPS2-2配电1配电2双电源负载双电源负载单电源负载机架STS2(N+1) UPS 配置762022/7/28更关心配置是否具备高可用性，而不是其实现成本；位于专门设计的独立建筑物中，基础设施（包括 UPS、电池、制冷系统、发电机、市电和配电室）占据与数据中心设备同样大小的空间，同时要考虑以下几个因素：物理加固问题：能抵挡自然破坏，能免受电力系统中可能发生的故障影响，建筑物能够隔离并控制住故障。例如，两个 UPS 系统不应放置在同一个房间内，电池与 UPS 模块也不应位于同一房间中。电路断路器的匹配问题： 建筑物加固：建筑物可抵抗飓风、龙卷风和洪水的破坏，应当让建筑物远离 100 年的洪泛平

38、原、建筑物上空应避开航线、采用厚实的墙壁以及无窗 户设计；去掉静态转换开关 (STS)：应避免STS 设备及其复杂的故障模式，对于可能存在的单电源负载 ，要充分利用双总线系统设计方案的冗余优势，应当将为单电源负载供电的转换开关（小功率ATS）配置在机架中。配置双总线系统应注意的其它问题772022/7/28内 容可用性可维护性可升级性故障扩散现场操作UPS单机99.99790*-*1 + 1直接并联99.99947*1 + 1隔离冗余99.99970*N + 1直接并联99.99947*N + 1公共旁路并联99.99968*单母排输出隔离的 公共旁路并联99.99968*双母排输出隔离的 双

39、公共旁路并联99.99968*带STS和智能配电的 分布式冗余并联99.99970*各种供电方案系统功能比较782022/7/2810、双输入电源的负载特性Dell PE6650服务器双电源测试结果:顺序动作电源A视在电流电源B视在电流1A,B同时接通 2A 1A2切断B 2A 0A3再接通B 2A 1A4切断A 0A 2A5再接通A 2A 1ADCACACDCDCACACDCDC5VA输入B输入IT负载双电源IT设备792022/7/2811、双总线系统单路径故障点与新的配置方法市电1市电2油机ATS1ATS2配电1配电2UPS1UPS2配电3配电4双电源STS单电源总线同步器配电1 R1U

40、PS1 R2UPS1.2 R2.1配电2 R1UPS2 R2UPS1.2 R1.2配电3 R4总线同步器R3配电4 R4802022/7/28市电1市电2油机ATS2ATS3配电1配电2UPS1UPS2配电3配电4双电源90%机架ATS单电源10%完全隔离12、高可用级别的双总线系统防火、防灾、防战争ATS1812022/7/28（a）配电1 A1配电2 A1配电3 A1配电4 A1UPS1 AUUPS2 AUSTS As电网输入系统包括ATS, At（b）UPS2.1 AUUPS1.2 AUUPS2.2 AUUPS1.1 AU配电1 A1配电2 A1配电3 A1配电4 A1电网输入系统包括A

41、TS, AtSTS As13、冗余系统中再冗余对可用性的影响UPS再冗余对可用性的影响Aa=At1-(1-A1AuA1)2As=0.9999799857Ab=At1-1-A11-(1-Au)2A12As=0.99997999949输入输出配电柜1-4，A1=0.99999；UPS，AU =0.9999，（MTBF=10万小时， MTTR=8小时）；STS,As=0.99999电网输入冗余系统，At=0.99999；822022/7/2814、低成本的双总线系统（可用于旧系统改造）优缺点：？832022/7/28ATS ： At=0.99999；油机 ：Ay=0.999；市电：Ai=0.999；

42、（在电网环境较好的地区）；15、油机再冗余对可用性的影响(a)(b)市电1市电2ATS1油机ATS2市电1市电2ATS1ATS3油机1油机2ATS2Aa=*At2=0.99998998901Ab=*At3 =0.99998999989842022/7/2816、UPS输出功率因数与实际带载能力UPS的实际输出功率因数完全由负载功率因数决定，当UPS的设计输出功率因数PF1与负载功率因数PF2不匹配时：PF1 PF2 UPS输出能力由负载无功功率决定；PF1 PF2 UPS输出能力由负载有功功率决定；UPS可在与负载功率因数不匹配情况下工作，但逆变器脱离最佳工作状态，可靠性降低；UPS带单台负载

43、时，负载功率因数低，带多台负载时，负载功率因数高；22852022/7/28 在不同实际负载功率因数下UPS的输出计算容量 负载功率因数UPS额定功率100KVAUPS最佳负载功率因数0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.6 有功功率（KW)6053.354532.620无功功率（KVAR)8071.46043.50UPS输出功率（KVA）10089.137554.3700.7 有功功率（KW)607058.842.60无功功率（KVAR)61.271.46043.50UPS输出功率（KVA）85.71008460.900.8 有功功率（KW)607080580无功功率（KVAR)455

44、2.56043.50UPS输出功率（KVA）7587.510072.500.9 有功功率（KW)607080900无功功率（KVAR)607080900UPS输出功率（KVA）66.6777.7888.8910001.0 有功功率（KW)60708090100无功功率（KVAR)00000UPS输出功率（KVA）862022/7/28UPS的实际带载能力输出功率因数传统表达形式： 输出功率因数完全是由负载电压与电流的相移决定的； 对输出100KVA、PF=0.8的UPS，可带80KW 纯电组性负载；对计算机类型的负载，输入为整流滤波电路，功率因数的表达形式为： 输出电流不是正弦波，而是脉冲波；

45、 输出电压与电流相移不明显，COS接近1； 输出电流波形严重失真，富含高次谐波成份； 在电压为正弦波的情况下，无功功率主要由高次电流谐波形成； 电流峰值系数为3-5，而正弦波峰值系数为1.41； UPS输出能力主要由过载能力决定，高峰值系数可能造成逆变器过载； 所以，输出100KVA、PF=0.8的UPS，不保证可带有功功率80KW、PF=0.8的 计算机负载 ；872022/7/28瞬时状态下的起动电流必须知道每个负载的起动电流及其持续时间。如果所有负载有同时起动的可能，则必须将所有的起动电流相加，以此来确定UPS的过载能力（幅值和延时时间）注意：负载应该一个一个地起动，或者按功能区域或以机

46、架 为单元启动，尽量避免起动电流的叠加； 负载配电的顺序是：先上游后下游计算机系统 : 起动电流为 8 In； 持续时间 80毫秒；变频调速器 起动电流为4 In 持续时间100毫秒；隔离变压器 起动电流为2-15 In 持续10-200 毫秒。23882022/7/2817、关于UPS输入阻抗性质（PF1、容性还是感性）；功率因数定义：线性电路：功率因数降低是由于基波电压与基波电流产生相移造成的，电容性负载产生超前电流，电感性负载产生滞后电流，有功功率与视在功率的夹角等于有功电流与视在电流的夹角，用表示，则功率因数表达式为：非线性电路：电路中，除了与基波电流之外，还存在大量高次谐波电流，在电

47、压为正弦波的情况下，所有高次谐波电流产生的功率都是无功的，如果以表示基波电流与基波电压之间的相移，则电路的功率因数表达式为：式中，r定义为电流因数，在UPS输入整流电路中，基波电流相移很小，cos 1，低功率因数主要是由r 造成 的；结论：在低功率因数UPS电路中，讨论是容性还是感性是没有意义的。892022/7/2818、UPS输入电流谐波污染与抑制方法谐波的类型:单相输入整流器输入电流市电输入（a）单相输入整流电流波形输入电流6脉冲 整流器市电输入（b）6脉冲输入整流电流波形12脉冲整流器市电输入输入电流（c）12脉冲输入整流电流波形PFC校正输入电流市电输入（d）PFC（高频）输入整流电

48、流波形902022/7/28谐波的问题:1、谐波形成无功功率2、谐波电流是UPS输入功率因数低的主要原因。对计算机类型的负载，输入为整流滤波电路，功率因数的表达形式为：(输入电压为正弦波)912022/7/28基波三次谐波0 2 0 /3 2 /3 4 /3 5/3 2 L1 L2 L3三相的三次谐波在零线中叠加 3、三次谐波在零线中叠加（形成零序电流）922022/7/284、输入功率因数低是降低电能利用率和系统工作效率低的原因之一PI2R CSC2(CSC是COS的倒数）5、电流峰值因数对供电设备和传输导线容量的影响 对UPS容量的影响 对传输线和开关触点的影响 I=10AI=20A100

49、R 200R932022/7/28非线性负载谐波源谐波失真阻性分量谐波失真感性分量电源主低压开关柜第2级分开关柜末级开关柜系统输入变压器、发电机类设备电缆电缆、开关电缆、开关电缆、开关6、系统自污染，系统污染有两个途径：1、经滤波器形成地电流而形成地线污染；2、谐波电流通过传输阻抗形成谐波电压污染；铜线阻抗：Z=L/S =0.01707mm/m（）L：mS：mm2942022/7/28当前UPS供电系统谐波抑制措施 AC/DC（6脉冲） 5、7次无源滤波 配电UPS输入电流PF=0.95THDI10% 配电AC/DC12脉冲整流11次无源滤波PF=0.95THDI10% 配电 PFC整流PF=

50、0.99THDI5% AC/DC（6脉冲）有源滤波 配电PF=0.99THDI5%无源无源有源有源952022/7/28设置输入滤波器是为整流器添加一个谐波陷阱，使UPS输入电流中的谐波成分在这里分流。调节电感L2和电容C使该分路的谐振频率与待取消的谐波频率相同。L1用于换向目的，并确保市电基波电流不被分流，以防止由于陷阱设计而引发其他电路设计问题。一个被调至6次谐波频率的陷阱电路可用于削弱6脉冲整流器电路中的5次和7次谐波成分，从而可使THD从34%降至10%。典型的无源滤波器962022/7/28半波交流电压电流反馈特点与功能采用升压开关电路（Boost）补偿输入功率因数到0.99稳定输出

51、直流电压功率强度为100%负载功率功率因数校正电路-PFC（Power Factor Correction）即“功率因数校正”）输出电压反馈驱动电路 PFC控制VI L D VO 972022/7/28Delta变换器的功率因数校正等效电路形式PWM电压发生器控制主逆变器电池电路输出电压反馈电流反馈交流电压输入特点与功能采用降压开关电路(buck)补偿输入功率因数到0.99稳定输出交流电压（通过主逆变器和电池电路， 实际上是稳定电池直流电压）功率强度为20%负载功率982022/7/28Delta变换技术UPS基本组成原理图1、输入输出滤波器：抑制电网尖波传至负载，或负载高频干扰反输电网。属典

52、型的抗共模、差模干扰滤波电路；2、主电路静态开关：2个单向SCR反向并联，正负半周分别导通防止电池逆变时逆变输出反向馈电；（静态旁路类似，导通关断靠信号控制）；3、Delta变换器：可双向传输功率的4象限高频（15khz）半桥变换器，输出变压器传入主电路，输出对主电路电压补偿，控制输入电流和电压同相位、同幅值的正选波（功能：无功补偿达0.99、谐波隔离30%时，其UPS输入的THDI5%，使UPS具有良好的双向抗干扰功能；3、在Delta变换器的控制下，主逆变器完成对电池的充电功能，抑制输入、输出电压突变，具有输入电压幅值和波形畸变的补偿功能15%，使输出稳压精度1%； 串联有源滤波 混合式串联有源滤波串并联有源滤波1012022/7/28混合型并联有源滤波器标配UPS并联有源滤波器Sineware市电输入无源滤波器1022022/7/28用途：服务于配电网，可较全面综合地提高配电网的供电质量；功能：补偿负载侧无功和谐波电流， 使网侧输入功率因数接近1；在网侧电压变动（电压幅值和波形）情况下，