某數(shù)據(jù)中心的UPS配電設(shè)計(jì)及運(yùn)行分析

鄒皖峰， 張秋宏

(中郵信息科技(北京)有限公司，北京 100808)

0 引言

數(shù)據(jù)中心作為大型企業(yè)、政府、銀行等行業(yè)的信息化建設(shè)內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、集中化的重要支撐，尤其是供配電系統(tǒng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、綠色運(yùn)行，是設(shè)計(jì)和運(yùn)維工作的重中之重。而UPS作為供配電系統(tǒng)的主要配電設(shè)備，其系統(tǒng)架構(gòu)、產(chǎn)品性能直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果。本文通過(guò)對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)中心UPS的設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行分析，診斷供配電系統(tǒng)的“健康”情況，為數(shù)據(jù)中心從業(yè)人員提供參考。

1 項(xiàng)目概況

本數(shù)據(jù)中心位于北方地區(qū)，海拔52m，年平均氣溫為11.6℃，溫濕度適宜，電器使用條件屬于一般環(huán)境。機(jī)房主要功能如表1所示。

機(jī)房主要功能分布表 表1

從表1可知，建筑6層，高度35m。其中，2～5層為主要生產(chǎn)機(jī)房，層高約為5m。每層6個(gè)模塊，每個(gè)模塊約容納140個(gè)機(jī)柜，機(jī)柜按3kW估算。模塊機(jī)房分期建設(shè)，現(xiàn)已全部投入運(yùn)行。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本工程機(jī)房等級(jí)按A級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì)，服務(wù)器機(jī)柜、空調(diào)等為一級(jí)負(fù)荷的特別重要負(fù)荷，按文獻(xiàn)[1]要求，UPS配電系統(tǒng)采用了2+2雙總線冗余并機(jī)模式，帶維修旁路，圖1為某個(gè)機(jī)房模塊的UPS供電系統(tǒng)。

圖1 UPS配電系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

從圖1可知，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)為2N，N表示基本需求。當(dāng)其中任一條總線的UPS系統(tǒng)故障或需要檢修時(shí)，由另一條總線的UPS為所有負(fù)載供電。在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載低于25%時(shí)為2(1+1)，任一條總線UPS系統(tǒng)中的一臺(tái)UPS發(fā)生故障或檢修時(shí)，仍然可以由該總線內(nèi)另一臺(tái)UPS為該總線UPS承擔(dān)負(fù)載供電，而無(wú)需由另一條總線UPS為其供電；當(dāng)負(fù)載率為25%～50%時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)?N架構(gòu)。

因模塊機(jī)房?jī)?nèi)的服務(wù)器等均為雙電源設(shè)備，每排服務(wù)器機(jī)柜可采用雙列頭柜電源配電，列頭柜電源進(jìn)線由UPS出線柜配出電源。此方式消除了系統(tǒng)末端配電的單點(diǎn)故障。

3 配電柜及區(qū)域分布

配電系統(tǒng)架構(gòu)建立后，下一步便是對(duì)系統(tǒng)的配電房間以及配電裝置進(jìn)行規(guī)劃布置。本工程從電源側(cè)到負(fù)載末端可以分為4個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)設(shè)置的配電設(shè)備如圖2所示。

圖2 配電系統(tǒng)空間區(qū)域分布

在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，有以下幾點(diǎn)需要注意。首先，高低壓變配電室的設(shè)置級(jí)數(shù)多少的原則。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的4.0.6要求，系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)單可靠，同一電壓等級(jí)的配電級(jí)數(shù)高壓不宜多于兩級(jí)；低壓不宜多于三級(jí)；配電室設(shè)置級(jí)數(shù)多，配電靈活性會(huì)好，停電范圍小。配電級(jí)數(shù)少，運(yùn)維方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。其次，高低壓配電室的空間預(yù)留。很多數(shù)據(jù)中心的機(jī)房模塊不是一次建成，而是分期進(jìn)行建設(shè)。在進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)，每個(gè)區(qū)域的空間都有可能增加設(shè)備或回路。比如，變配電室區(qū)可能會(huì)因增加機(jī)房模塊而增設(shè)變壓器及低壓配電柜，如果一期空間條件不足，將會(huì)對(duì)后期的設(shè)計(jì)和運(yùn)維造成困難和不便。有時(shí)是因?yàn)榻ㄔO(shè)方基建和工藝分屬兩個(gè)部門(mén)，兩者的需求對(duì)接不夠?qū)е?。因此，在設(shè)計(jì)前期應(yīng)仔細(xì)收集兩部門(mén)的需求，整體考慮，科學(xué)規(guī)劃。

現(xiàn)對(duì)UPS供配電系統(tǒng)的樓層配電區(qū)進(jìn)行介紹。該區(qū)域包括總配電柜進(jìn)線柜、UPS進(jìn)線柜、UPS主機(jī)、UPS出線并機(jī)柜、UPS出線柜及配套蓄電池等。每個(gè)機(jī)房模塊的2N配電由1個(gè)層配電室、2個(gè)UPS室、2個(gè)蓄電池室組成，圖3為該區(qū)的平面示意圖。

圖3 樓層配電區(qū)平面示意圖

機(jī)房模塊內(nèi)每排服務(wù)器機(jī)柜配置2個(gè)列頭柜，電源分別由2個(gè)UPS室的UPS出線柜提供。蓄電池室和UPS室也考慮物理隔離，分別設(shè)了2間。通過(guò)這樣的空間布局，保證了雙電源系統(tǒng)不但在系統(tǒng)上進(jìn)行了隔離，而且在空間上也進(jìn)行了隔離，提高了供電的安全可靠性。

4 UPS運(yùn)行特性

UPS參數(shù)主要包括輸入電壓、輸入功率因數(shù)、輸入電流諧波成分、輸入/出頻率、過(guò)載能力、峰值系數(shù)、并機(jī)不均衡度等多個(gè)指標(biāo)，具體要求可參考文獻(xiàn)[3]。不同UPS機(jī)型、負(fù)載特性對(duì)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)都會(huì)有影響。本文結(jié)合運(yùn)行情況，對(duì)UPS電網(wǎng)特性進(jìn)行分析。

4.1 容量計(jì)算

通過(guò)對(duì)服務(wù)器機(jī)柜的實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)基本達(dá)到0.93以上，但出線回路多呈容性。這主要由于服務(wù)器等電子設(shè)備的開(kāi)關(guān)電源多采用單相功率因數(shù)校正電路PFC，該電路雖然提高了功率因數(shù)，但也因PFC配備的電容導(dǎo)致服務(wù)器負(fù)載偏容性。這直接影響了UPS的帶載能力。因?yàn)橛行︰PS在被生產(chǎn)時(shí)，其輸出側(cè)的濾波電容器按感性功率因數(shù)0.8設(shè)計(jì)，部分產(chǎn)品的帶容性負(fù)載能力達(dá)不到設(shè)計(jì)容量。因此，在UPS容量參數(shù)選型時(shí)，除了按照規(guī)范要求，采用1.2倍電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷計(jì)算，建議在設(shè)計(jì)說(shuō)明中，注明功率因數(shù)為容性0.8時(shí)UPS的設(shè)計(jì)容量。

4.2 工頻機(jī)和高頻機(jī)的選擇

目前，市場(chǎng)上的UPS使用以工頻機(jī)和高頻機(jī)為主。本工程工頻機(jī)和高頻機(jī)均有使用，每臺(tái)容量為300kVA，其中，工頻機(jī)采用6脈沖、12脈沖工頻機(jī)兩種。通過(guò)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，同樣UPS負(fù)載率，300kVA工頻機(jī)負(fù)載損耗較大，效率約90%，而高頻機(jī)的損耗非常小，效率約94%，如表2所示。

工頻機(jī)與高頻機(jī)效率對(duì)比 表2

從節(jié)能方面考慮，許多地方已出臺(tái)對(duì)PUE的限制要求，高頻機(jī)不論在功率因數(shù)還是在自身?yè)p耗上，都要比工頻機(jī)要節(jié)能。

但從穩(wěn)定性上看，工頻機(jī)采用隔離變壓器和SCR，耐沖擊度較好；但相比高頻機(jī)，因?yàn)楣ゎl機(jī)中性點(diǎn)與地線在隔離變壓器后重新建立連接點(diǎn)，零地電壓低。另外，高頻機(jī)控制電路復(fù)雜，尤其是帶APF功率校正電路的UPS，雖然在單相小容量的計(jì)算機(jī)負(fù)載上運(yùn)行穩(wěn)定，但在三相電源UPS治理上有待提升。從目前運(yùn)維情況看，因負(fù)載率較低，不論UPS帶半載還是全載，兩種UPS的運(yùn)行穩(wěn)定性均較好。當(dāng)下針對(duì)數(shù)據(jù)中心用UPS的生產(chǎn)廠商，基本以生產(chǎn)高頻機(jī)為主。再次，工頻機(jī)和高頻機(jī)在功率因數(shù)和諧波特性上，有著明顯不同。本工程采用了3種UPS(ABC)，表3截取了某一月的平均運(yùn)行數(shù)據(jù)。

UPS輸入側(cè)電力運(yùn)行參數(shù)表 表3

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，在負(fù)載率相差不多的情況下，A比B的諧波電流畸變率大，功率因數(shù)低；而高頻機(jī)C的輸入、輸出功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上，諧波電流畸變率也較工頻機(jī)要好。這主要是因?yàn)楣ゎl機(jī)采用晶閘管整流，產(chǎn)生的諧波比較大，而高頻機(jī)輸入側(cè)因采用IGBT整流方式，諧波的抑制較好。因此，從電能質(zhì)量特性上看，高頻UPS明顯優(yōu)于低頻機(jī)。依據(jù)文獻(xiàn)[6]的6.3.5、6.3.6要求，滿載負(fù)荷時(shí)，輸入電流畸變率宜小于5%，輸入功率因數(shù)應(yīng)大于0.93；半載負(fù)荷時(shí)，輸入電流畸變率宜小于7%，輸入功率因數(shù)應(yīng)大于0.9。從表2情況可知，高頻機(jī)的參數(shù)特性滿足規(guī)范要求，而工頻機(jī)的功率因數(shù)和輸入電流畸變率未達(dá)到要求，需要采取相應(yīng)措施。

4.3 工頻機(jī)UPS諧波及功率因數(shù)治理

事實(shí)上，工頻機(jī)功率因數(shù)低，部分原因是由于工頻機(jī)中的大量諧波導(dǎo)致。從理論上說(shuō)，諧波是無(wú)功負(fù)載，間接影響功率因數(shù)。功率因數(shù)和諧波之間的關(guān)系，通過(guò)式(1)～(3)可推導(dǎo)式(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中，cosφ為功率因數(shù)；THD2為總電流諧波畸變含量；cosφ1為基波相位差；THDI為3次以上諧波總電流和基波電流的比值。可見(jiàn)，THDI越大，功率因數(shù)PF越小。從表3的6脈沖和12脈沖工頻機(jī)的THD和功率因數(shù)對(duì)比，也反應(yīng)了此情況。治標(biāo)治本，諧波治理好，功率因數(shù)自然可提高。

諧波的治理主要有兩個(gè)措施：(1)通過(guò)UPS產(chǎn)品配套的輸入、輸出端的無(wú)源濾波器，進(jìn)行諧波治理；(2)通過(guò)在UPS進(jìn)線側(cè)的并機(jī)母線上，配置有源電力濾波器APF進(jìn)行治理。對(duì)于上述兩個(gè)措施，是否有必要同時(shí)使用？通過(guò)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，雖然UPS正常運(yùn)行時(shí)諧波得以治理，但是在UPS過(guò)載轉(zhuǎn)旁路情況時(shí)，該回路上無(wú)諧波治理裝置，其諧波并不能得到治理。因此，對(duì)于重要機(jī)房宜在UPS電源側(cè)設(shè)置APF。

通過(guò)上述措施，其諧波及功率因數(shù)的得到了一定優(yōu)化。但是，在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)同為工頻機(jī)，其輸入側(cè)確呈容性和感性區(qū)別。下面對(duì)此種情況進(jìn)行分析。

4.4 UPS的容性感性情況分析

從表4中可以看出3個(gè)現(xiàn)象：(1)工頻機(jī)A呈容性，而工頻機(jī)B呈感性；(2)工頻機(jī)A的容性越大，輸入電壓越大，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)過(guò)電壓報(bào)警。(3)工頻機(jī)A的負(fù)載率越大，功率因數(shù)越高；工頻機(jī)B的負(fù)載率越大，功率因數(shù)反而越低。A、B機(jī)型在半載以下，功率因數(shù)均未達(dá)到規(guī)范要求的0.9。

工頻機(jī)UPS輸入側(cè)電力運(yùn)行參數(shù)表 表4

對(duì)于6脈沖工頻機(jī)呈容性且電壓高的現(xiàn)象，主要由于工頻UPS配套的濾波電容柜按滿載容量設(shè)計(jì)，現(xiàn)階段UPS處于輕載狀態(tài)，其濾波電容過(guò)大導(dǎo)致。當(dāng)負(fù)載率提升后，線路上的感性電流升高，與容性抵消，提高了功率因數(shù)。

而正因?yàn)槿菪赃^(guò)高，將會(huì)導(dǎo)致UPS電源側(cè)的電壓升高。電壓和電容容量的關(guān)系可參考式(5)

(5)

式中，ΔU為母線電壓升高值，V；Ub為電容器投入前的母線電壓，kV；Sk為電容器安裝處的母線短路容量,kVA；Q為母線上運(yùn)行的所有電容器容量,Kvar。可見(jiàn)，并聯(lián)的電容越大，母線電壓的升高值越高。而過(guò)高的電壓會(huì)導(dǎo)致電容器長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行，使其內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生局部放電，造成損害;也會(huì)因?yàn)椴癜l(fā)的帶容性能力較弱，導(dǎo)致在柴發(fā)啟機(jī)困難。

對(duì)于12脈沖工頻機(jī)B呈感性，恰恰相反，由于UPS的輸入側(cè)設(shè)計(jì)的濾波電容器較小引起。當(dāng)負(fù)載率上升，電流增大，隨之通過(guò)電感的感性電流增大，功率因數(shù)降低。

為了達(dá)到規(guī)范要求的半載功率因數(shù)0.9的要求，有兩個(gè)解決方案。(1)在項(xiàng)目運(yùn)行初期，系統(tǒng)多處于輕載狀態(tài)，可通過(guò)切斷UPS前置的濾波電容柜，降低電源側(cè)容性。該濾波電容柜的諧波治理功能，由UPS電源側(cè)母線上的有源濾波器APF承擔(dān)。等到后期負(fù)載率上升時(shí)，再投入濾波器裝置。(2)在變壓器低壓側(cè)母線，并聯(lián)靜止無(wú)功發(fā)生器SVG。SVG與APF都是基于電力電子技術(shù)的有源電能治理裝置，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。APF側(cè)重于諧波的治理；SVG側(cè)重于功率因數(shù)的治理，且既能產(chǎn)生無(wú)功也能吸收無(wú)功。通過(guò)SVG+APF的組合，可實(shí)現(xiàn)UPS電源側(cè)的連續(xù)、動(dòng)態(tài)地功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波電流治理。此時(shí)，在APF的額定電流滿足諧波容量要求的情況下，UPS前端的濾波電容回路可取消。

當(dāng)變壓器只帶為IT服務(wù)器供電的UPS設(shè)備時(shí)，SVG+APF可安裝在變配電室的低壓母線上，也可將APF后置安裝在UPS電源側(cè)的并機(jī)母線上。

5 結(jié)束語(yǔ)