CN101127453A - 一种idc机房d-ups供电系统 - Google Patents

Abstract

一种IDC机房D－UPS供电系统，包括主供电电源(1)、电池组组成的备用供电电源(4)、PFC整流器(2)，其特征在于：所述的备用供电电源(4)并联在由PFC整流器(2)通往计算机负载(3)的供电途径中，并通过拔插熔断器直接接计算机负载(3)的输入端；所述的主供电电源(1)取自于市电，并经配置的隔离变压器变压处理后送入后级PFC整流器(2)；其中主供电电源(1)的输出电压为：三相线电压190V±25％；单相相电压190V±25％；由PFC整流器(2)的输出电压为DC337V；所述备用供电电源(4)由25节12V电池组成。不仅彻底改变传统的IDC UPS供电系统传统设计理念，解决传统IDC UPS供电系统存在的问题，也为该供电系统的标准化设计和维护提供了强有力的技术支持。

Description

一种IDC机房D-UPS供电系统

技术领域

本发明涉及一种计算机供电系统，尤其是指一种IDC机房D-UPS供电系统。

背景技术

目前使用的IDC供电系统的模式产生于五十年前，UPS供电系统环节则是IDC供电系统的核心组成。它完成了系统中最重要的两个基本功能：改善供电质量和实现不停电功能。虽然随着IT技术的快速进步，对供电系统的要求在不断地提高，但是目前广泛使用的IDC机房D-UPS供电系统依然是由AC/DC转换器、DC/AC逆变器、各级配电柜、各级滤波器、STS转换开关(双路供电系统用)、电池组、变压器等设备和环节组成。在实现以上两个基本功能的同时，UPS供电系统本身又带来了新的问题。

图5、6是当前UPS供电系统的基本结构形式。从它的基本结构和存在的问题可以看出其发展趋势。同时也可看出这种系统存在以下诸多问题：

(1)系统可靠性存在问题；

系统复杂、单路经故障点多、设备可靠性差、维护难度大等。

(2)系统电流存在谐波干扰问题；

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)存在系统成本和能源消耗高的问题；

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)系统缺乏应有的灵活性和可扩展性、给后期改造、变更带来问题；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)存在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。

当前要解决的问题归纳起来有三点

提高系统可用性；

解决系统中谐波电流的产生和治理问题

提高系统的适应性

(1)抑制系统中谐波电流的产生和治理问题

加大零线规格和前端设备(变压器、油机、配电开关、转换开关等)容量，以便降低谐波电流影响；

改为12脉冲整流+11次无源滤波器，PF＝0.95，THDI≤10％；

6脉冲整流前加有源滤波器，输入电流成正弦波PF＝0.99，THDI≤5％；

改为PFC高频整流，PF＝0.99，THDI≤5％；

要求负载IT设备输入开关电源采用PFC高频整流。

(2)提高系统可用性：

提高设备可靠性；

设备降容使用，提高可靠性，并延长使用寿命；

增大成本，对设备采用冗余配置，使其有容错功能；

对系统采用双总线冗余配置，不但有容错功能，还可最大限度地减少整个系统的单路经故障点；

配置模块化UPS，有冗余功能，并大幅度降低故障修复时间；

提高设备智能监测和管理功能，便于维护，并可把潜在的故障隐患消除在故障发生之前；

采用集成化系统设计，解决系统中各类设备阻抗和连接方式的匹配问题，提高系统运行的可靠性和集中管理问题，并最大限度地减少安装和维护过程中的人为错误。

(3)提高系统的适应性：

采用模块化设计，局部系统有扩容功能，减少系统运行初期设备购置成本和运行成本；

采用标准化设计，简化系统设计和建造流程，为系统安装和可能的变更、移动和扩容提供可能性；

发明内容

本发明的目的：旨在提出一种全新的IDC机房D-UPS供电系统，改变传统的IDC UPS供电系统传统设计理念，解决传统IDC UPS供电系统存在的问题，突破IDC UPS供电系统技术进步中的举步为艰的尴尬境界；达到既大幅度降低建造和维护成本，同时又提高可靠性、降低能源损耗的目的。

这种IDC机房D-UPS供电系统，包括主供电电源1、电池组组成的备用供电电源4、PFC整流器2，其特征在于：

A、所述的备用供电电源4并联在由PFC整流器2通往计算机负载3的供电途径中，并通过拔插熔断器直接接计算机负载3的输入端；

B、所述的主供电电源1取自于市电，并经配置的隔离变压器变压处理后送入后级PFC整流器2。

经隔离变压器处理后的主供电电源1的输出电压为：三相线电压190V±25％；单相相电压190V±25％。

由PFC整流器2的输出电压为DC337V。

所述备用供电电源4由25节12V电池组成。

根据以上技术方案提出的这种全新IDC机房D-UPS供电系统，不仅彻底改变了传统的IDC UPS供电系统传统设计理念，解决传统IDC UPS供电系统存在的问题，突破IDC UPS供电系统技术进步中的举步为艰的尴尬境界；既达到大幅度降低建造和维护成本，同时又提高可靠性、降低能源损耗的目的；同时也为该供电系统的标准化设计和维护提供了强有力的技术支持。

附图说明

附图1为本发明的D-UPS系统结构原理示意图；

附图2为本发明D-UPS系统电性参数设置要求图；

附图3为本发明D-UPS系统结构示意图；

附图4为本发明的D-UPSPEC整流器电路原理图；

附图5为不包括交流输入环节的传统UPS供电系统示意图；

附图6为传统UPS供电系统结构示意图；

附图7为UPS供电系统备用能源串联型配置框图；

附图8为UPS供电系统备用能源串联型配置的可靠性模型图；

附图9为UPS供电系统备用能源并联型配置框图；

附图10为UPS供电系统备用能源并联型配置的可靠性模型图；

附图11为可预见非突发性故障设备的可靠性模型分析图。

图中：1-主供电电源(市电)  2-PFC整流器  3-计算机负载  4-备用供电电源(电池组)

具体实施方式

如附图1~4给出的这种IDC机房UPS供电系统，本发明人将其称之为：IDC机房D-UPS供电系统，它是对现有传统型IDC机房D-UPS供电系统的一种开拓性创新。

这种IDC机房D-UPS供电系统，包括主供电电源1、电池组组成的备用供电电源4、PFC整流器2，其特征在于：

A、所述的备用供电电源4并联在由PFC整流器2通往计算机负载3的供电途径中，并通过拔插熔断器直接接计算机负载3的输入端；

B、所述的主供电电源1取自于市电，并经配置的隔离变压器变压处理后送入后级PFC整流器2。

经隔离变压器处理后的主供电电源1的输出电压为：三相线电压190V±25％；单相相电压190V±25％。

由PFC整流器2的输出电压为DC337V。

所述备用供电电源4由25节12V电池组成。

以下本发明人结合附图进一步阐述对已有技术的分析理解，并在对比的基础上进一步介绍这种全新的IDC机房D-UPS供电系统。

根据本发明人多年来对现有IDC UPS供电系统传统的应用和理解，发明人认为：

1、现在的IDC供电系统模式产生于50年前，随着IT技术的进步和对供电系统要求的不断提高，传统的系统出现不断复杂化、臃肿、成本迅速攀升、效率低下、可靠性难以有效提高的趋势。

2、系统中存在的问题大多是系统设计不当产生的；系统中的谐波电流不是外界影响的，负载谐波电流是供电不当产生的，UPS输入谐波是UPS自己产生的。

3、系统设计本身造成了系统的复杂性，可靠性低下，在IDC传统供电系统的使用中，使用者最担心的是系统设备本身发生故障，为了可应付平均每年一次市电故障掉电，使用者不得不投入巨大的人力物力以应付系统本身随时可能发生的故障；

4、投入成倍的成本搞冗于并机系统，双总线系统，是设备和系统可靠性不高而采取的不得已行为，并非不停电功能的需要。

正是基于对传统IDC UPS供电系统的上述认识，本发明人提出了建立在可靠性理论基础上的这种全新理念的IDC机房D-UPS供电系统。

本发明人认为：1、传统技术方案之所以存在可靠性低下的根本原因，在于原方案的系统功能设计策略进入了认识上的误区。

机房不停电供电系统实现其功能的最基本的条件是必须有两路能源：一路主供电电源(市电)，一路备用供电电源(电池组)。主供电电源(市电)是可能故障掉电的，这是建立UPS供电系统的初衷；其中的备用供电电源(电池组)应该是实现不停电连续供电的底线，是保险。

电池设备的故障是可预见性的，并且故障发生是缓慢渐变的，非突发性的，只要维护好，定期检测更换故障隐患，就可以做到万无一失，因此电池具备了“底线”、“保险”的后备能源的条件。

但遗憾的是，传统UPS设计方案并没有给电池组(备用供电电源)发挥作用的充分条件，电池组并没有直接放在负载的前面为负载“保驾”，而是把它放到了UPS主机设备中。因此在市电掉电时，电池组却要通过UPS主机设备中最不可靠的环节-逆变器向负载供电。正是最不可靠的环节-逆变器造成了备用供电电源的不可靠。因此多年以来，本领域的技术人员一直在为解决UPS主机设备的可靠性而积极努力，从而造成传统的UPS供电系统不断复杂化、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。

上述问题出现的根源在于系统设计方案的设计指导思想的认知上：即不停电供电的主角究竟是主能源？是由UPS设备组成的供电系统？还是备用能源？。传统UPS供电系统的主角是UPS组成的供电系统，因为市电和备用电池都要经过UPS设备组成的供电系统才能像浮在供电。

显然，本发明人认为主角应是备用电源。

因此本发明人力主把备用能源直接放在负载前面，市电掉电时由高可靠地备用能源直接给负载供电，那末备用能源不仅可在市电掉电时向负载供电，当市电正常而供电系统发生故障时，也可保证负载的正常运行。

2、关于可靠性理论与系统的配置

保证IT负载连续可靠工作的关键在于主供电电源(市电)和备用供电电源(电池组)的配置方法。在附图6给出的传统UPS供电系统中，配置了两路能源：

市电输入+UPS系统；备用电池+逆变器。

作为可靠性的判断：应该是保证IDC不停电，即当主供电一路电源断电时，另一路备用电源能否不间断的可靠地持续向负载供电。

备用电源配置方法有两种：串联型和直接型

A、串联型

传统的UPS供电系统的备用能源配置方法是串联型的，如图7、所示。主供电电源(市电)(电网+UPS双变换系统)是直接对负载供电的，而电网掉电或系统故障时，备用供电电源(电池组)可不间断的投入，但是电池要经过UPS设备中的DC/AC逆变换环节才能向负载供电。此时备用供电电源(电池组)的可靠性模型如图8所示。

根据当前设备可靠性水平，电池组系统的可靠性R₁在0.99左右，而UPSDC/AC逆变器的可靠性只有0.9(UPS整机可靠性可达到0.99，包括了处于冗余并联的静态旁路系统)，根据串联可靠性模型可计算出备用供电电源的可靠性：R＝0.99×0.9＝0.891

显然，此时备用供电电源在系统中的可靠性比设备本来具备的可靠性降低了10倍。

B、直接型(也可称为并联型)

由备用供电电源(电池组)直接对负载供电，可组成主供电电源(市电)与备用供电电源(电池组)的并联型供电系统，如图9、所示。此时主主供电电源(电网+UPS双变换系统)是直接对负载供电的，而电网掉电或系统故障时，备用供电电源(电池组)也是直接向负载供电的，并且可不间断的投入。备用供电电源(电池组)的可靠性模型如图10所示。

显然，此时备用供电电源的可靠性保持了电池组本身的原来所具备可靠性R₁＝0.99。

比较上述两种配置方式，其可靠性程度相差10倍。

3、关于对“可预见非突发性故障”和“不可预见性突发故障”可靠性问题的探讨

本发明人之所以说备用能源(电池组)可靠性高，是因为它的故障具有“可预见和非突发性”特点

在任意一个系统中设备可能发生的故障有两种类型：可预见非突发性故障和不可预见突发性故障。

在可靠性研究中，一个产品的可靠性数据通常是根据产品生命周期内的失效率参数或运行数据计算的，而设备在使用维护过程中可能进行的局部更换，则不作为可靠性计算的因素。实际上对只存在可预见非突发性故障的设备，定期的维护并对有故障隐患的另部件进行更换，这无异于系统的更新。从可靠性模型的角度看，这相当于在原设备的可靠性基础上冗余并联上一个连续工作时间等于设备维护周期的可靠性环节。以电池组为例，假定电池组的平均故障时间MTBF＝10万小时，平均三年一次通过维修更换部分有质量问题的电池，这个等效的可靠性环节的连续工作时间是3年，26280小时，MTBF也是26280小时，则可靠性模型如附图5所示。

根据公式 $R\left(t\right)\≈1-\frac{t}{\mathrm{MTBF}}=1-\mathrm{\λt}$ 得出：

原电池组年可靠度：R₁＝0.9124

等效环节年可靠度：R₂＝0.66712

图11系统的可靠度：R＝1-(1-R₁)×(1-R₂)＝0.97

可见，对可预见非突发性故障的电池组来说，定期的维护和更新有故障隐患的个别电池，可使其可靠性提高三倍。

4、对“可预见非突发性故障”和“不可预见突发性故障”可用性的讨论

越来越多的厂商和用户已经形成这样一个共识：UPS系统经过多年发展，在其性能指标已完全满足计算机网络设备要求的情况下，真正能为用户带来价值的是其可用性。

可用性定义为：系统在使用过程中，可以正常使用的时间与总时间之比。

可用性用平均无故障工作时间MTBF和平均修复时间MTTR表示：

$A=\frac{\mathrm{MTBF}}{\mathrm{MTTR}+\mathrm{MTBF}}$

可用性高意味着给用户更多的正常使用时间，把故障后不可用时间降到最低限度。

由于电池具备“可预见非突发性故障”的特点，使系统消除了“突发性故障”。对于电池质量和性能的变化，使用者有充分的时间发现它，并在不影响系统正常运行的前提下维护更换，或者安排“计划停电时间”排除故障。这相当于把故障停电时间缩短到0，把系统的可用性提高到1。

新的IDC机房D-UPS供电系统的组成特点及优点

在讨论了以上的问题后，自然地就得出了一种全新的更具实用意义本发的IDC机房供电系统。

1、新的IDC机房D-UPS供电系统结构

本发明人新的供电方案的根本特点是：把高可靠的备用能源直接配置在被保护负载的前面，在市电掉电和系统故障的两种情况下都可保护负载持续不停电供电。系统结构如附图1所示。

A、新的IDC机房供电系统的优点

比较一下图6(传统UPS供电系统)和图1(新的IDC机房D-UPS供电系统)，可非常明显地看出两者在降低成本、降低能耗、降低污染、提高系统可靠性、提高适应性等多方面地重大区别：

(1)备用能源的功能得到充分地发挥

备用能源本身的可靠性比在传统系统中提高30(10×3)倍，可用性达到顶级“1”；

备用能源彻底隔离了供电系统中不可预见、突发性的故障(UPS、STS、ATS等关键设备)对负载的威胁，对负载的影响。

(2)从根本上消除了谐波电流对系统和电网的污染

使负载电流成为稳定地直流，谐波成分从30-70％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(动力变压器、各级配电开关、油机等)和传输线的容量，可去掉各环节谐波滤波设备。

(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60％；

工作效率高，降低运行能源损耗6-8％；

不再有输入与输出电压的频率同步问题，不存在环流问题，大大降低了冗余并机技术难度，冗余并机简单可靠，可很方便地组成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；

单相和三相输入都可对系统供电，不存在UPS规格中3/3、3/1和1/1的区别，对各种供电环境和使用环境都适用。

(4)提高整个供电系统效率：

使主机功率(例如10KVA)提高6-8％；去掉各级滤波器损耗3-5％；将系统总效率提高8-10％。

(5)降低系统建造设备成本：

使主机AC/DC配置成本降低60％；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)传统典型结构可降低20-30％，传统冗余结构可降低30-50％；；

(6)统一电池组(12V，25节)

由于电池组供电不需经过DC/AC转换，电池能量利用率提高10％；而且统一电池组电压规格，可独立配置，便于标准化和集中维护管理；

(7)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；

备用供电电源(电池组)与负载之间消除了低可靠环节-UPS逆变器，彻底隔离了不可预见突发性故障(UPS、ATS等前端设备)与负载的联系，可使对负载供电的可靠性提高到理想的高度；

电池直接配置在负载前面，新的配置方法把电池的可靠性与传统配置方法相比提高30倍；

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；真正实现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。

(8)改善系统配置

使UPS输入和输出都不再有三相电流不平衡的问题，负载机架电源线缆减少50％，不再有负载平衡分配的问题。同时，由于负载端没有电流谐波，所以不再有零地电压差的问题；并使系统简化，制式规范，对单相输入负载和三相输入负载都可供电；单相和三相输入都可对系统供电，不存在UPS规格中3/3、3/1和1/1的区别，对各种供电环境和使用环境都适用；

(9)有利于系统模块化、标准化进程。

最终可使功率转换设备标准化，机架标准化；并使主机规格由几十种减少到6种，可复盖3KW-640KW；电池组电压规格由十几种减少到1种；为电池配置和结构标准化提供切实可行的技术支持。

Claims (4)

1.一种IDC机房D-UPS供电系统，包括主供电电源(1)、电池组组成的备用供电电源(4)、PFC整流器(2)，其特征在于：

A、所述的备用供电电源(4)并联在由PFC整流器(2)通往计算机负载(3)的供电途径中，并通过拔插熔断器直接接计算机负载(3)的输入端；

B、所述的主供电电源(1)取自于市电，并经配置的隔离变压器变压处理后送入后级PFC整流器(2)。

2.如权利要求1所述的一种IDC机房D-UPS供电系统，其特征在于：经隔离变压器处理后的主供电电源(1)的输出电压为：三相线电压190V±25％；单相相电压190V±25％。

3.如权利要求1所述的一种IDC机房D-UPS供电系统，其特征在于：由PFC整流器(2)的输出电压为DC337V。

4.如权利要求1所述的一种IDC机房D-UPS供电系统，其特征在于：所述备用供电电源(4)由25节12V电池组成。

Images