1、2010-09,构建高效、可靠的机房供电解决方案,交 流 提 纲 模块化UPS的设计理念 模块化UPS的结构和工作原理 高压直流与模块UPS供电对比 供电解决方案及应用案例介绍,UPS的发展趋势,模块化UPS的设计理念,Restrictions Of Hazardous Substances,高频化,小型化,数字化,模块化,环保化：ROHS,模块化UPS设计遵循的“五性”、”三原则”五性先进性：延长机器的服务寿命稳妥性：提高可靠性与可用性灵活性：便于增减容量、移动和更换等管理性：监控和维修及保养经济性：最高的性价比产品,三原则 节能 以负载功率因数为0.8的100kVA UPS为例：工频机UP
2、S与高频机UPS相比，由于多了变压器和谐波滤波器，每年多消耗电能折合成煤炭 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 低碳 节约原材料、减轻重量、节约成本和能量,先进性-UPS模块化源于全方位技术突破,从电路结构上解决环流对UPS模块并联的负面影响采用集中旁路的静态开关工作模式，静态开关按照系统最大输出容量配置，并采用冗余设计分散式控制理论，功率模块、监控模块、静态开关模块均可在线插拔，互不影响顺位主从同步控制技术，运行无瓶颈并联运行时，每个模块内部的整流电路、充电电路、逆变电路与其他模块保持均衡全面的高频化和数字化技术应用，代表了现阶段电源产品的最高技术水准,模块化UPS
3、系统是由：机架、UPS功率模块、静态开关模块、显示通信模块以及电池组构成。 1） 功率模块:具备完整的UPS功能，模块内部包括整流电路、逆变电路、充电电路和控制电路。 2） 静态开关模块:当UPS电源处于保护或故障状态时，静态开关模块可不间断的切换到旁路，继续为负载供电，集中式的静态开关模块是按照系统最大输出容量设计的。 3） 显示通信模块:是集中数据显示、通信、报警和远程网络化监控的平台。 4) 机架：具有输入、输出、应急旁路、人工维修支路等配电线路 和连线端子，设有与之对应的电力开关。 5） 电池组：所有模块共享电池组,模块机,塔式机,内置整流器逆变器静态开关控制电路,内置N个UPS模块静
4、态开关模块显示通信模块, 阵列中所有UPS功率模块并联工作，平均负担系统负载； 任何模块发生故障，其余模块会均分负荷； 负载增加时自动降低冗余量,保持系统正常运作； 按需要构成N+1或N+X .系统 旁路静态开关支路只有在开机或过载时导通工作。,UPS电源涉及电力电子和材料等学科，单机平均无故障时间的提高受制于相关学科理论和半导体材料的限制，现阶段难有突破，即UPS技术处于成熟阶段。UPS的可靠性提高单机平均无故障时间冗余,模块化UPS 采用了高频化、数字化技术，使可靠性大幅度提高； 取消了输出隔离变压器，又使可靠性进一步提高； 采用了无主同步并联技术，消除了瓶颈，使可靠性再度提高； 容易实现
5、高可靠的分区供电方案； 功率模块、监控模块、静态开关模块均可在线插拔，互无影响； 具有了使 MTTR=0 的可能性； 为不是专业技术人员的用户带来方便；,稳妥性-UPS模块化带来可靠性和可用性的提高,冗余高可靠性,可实现N+X冗余系统无单点故障瓶颈,多采用1+1冗余系统可靠性较低,UPS冗余配电方案：N+1（塔式机） 或 N+X（模块机） 可靠性的最佳选择：模块化UPS轻松实现X次冗余,灵活性-UPS模块化可轻松解决设备的安装、运输和扩容, 从224个模块在线扩容； 降低初期购置成本； 满足後期设备随需扩展； 实现在线投资； 随业务发展“动态成长”,10KVA200KVA,20KVA240KV
6、A,40KVA480KVA,随需扩展 动态成长,模块级的维修-无需查找故障点修复时间不受人为因素影响-可控一般不需工程师到现场-自主维护无需转旁路、在线热插拔-不影响负载运行,电路板级的维修修复时间受人为因素影响较大需专业工程师到现场需在停电或旁路状态下维护,管理性-UPS模块化可简化维护工作,经济性-UPS模块化为最佳性价比产品,提高性价比 = 降低初期购置成本 = 降低扩容维护成本 = 降低后期运行成本,我国已成为世界第一大通信大国，整个行业年耗电高达200亿度以上，能耗主要集中在通信和数据设备，以及机房环境设备上。,UPS电源,机房空调,直流电源,负载,标称整机效率为100%加载指标实际
7、使用效率由带载量决定,加载100%,加载100%,整机标称效率均可95%,保证冗余前提下最大提高设备实际使用效率,根据负载配置容量,容量相对固定,高效,负载量,效率%,负载50%时整机效率70% 负载60%时整机效率80% UPS实际效率的高低由带载量决定,传统塔式UPS逆变器（IGBT)效率图,IGBT逆变器效率图,高效,三电平正弦波调制电路,采用三电平正弦波调制技术，所有模块共用正负直流母线，从电路结构上克服了环流对UPS并联的负面影响。与二电平正弦波调制技术对比，IGBT和滤波电感的工作电压降低一倍，效率提高2%，使DC/AC逆变器的效率达到98%。,高效,采用三电平正弦波调制技术，可以
8、看出这里的环流路径上处处是障碍，小于2V的电压差根本形不成环流，所有并机模块共用正负直流母线，从电路结构上克服了环流对UPS并联的负面影响。而工频机UPS在此情况下会形成很大的环流 。,如何实现容量与效率的完美平衡？,传统塔式机,1+1冗余 1次冗余每台设备带载50% 效率 60% 能耗比低,模块机（正常运行模式）,可根据实际负载量来配置合理的电源容量，并留2至4个冗余功率模块。,带载量25%时，整机效率92%真正实现“容量与效率”的完美平衡,高效,中国电信集团电源维护技术支撑中心对模块UPS效率测试结果,无污染,SCR6脉冲整流器输入功率因数0.70.9，谐波电流30%SCR12脉冲整流器输
9、入功率因数0.70.9，谐波电流15%,前置发电机容量需为UPS容量的23倍以上,电力污染源真正由公网供电带来的污染不到5 主要污染来自于电力使用者,电流整形整流器控制技术较复杂，但开关峰值电流较低，谐波电流小，且效率较高,整流器采用CCM连续电流模式+三相PFC校正技术,IL（CCM）,Iin,t,UPS输入电流为平滑的正弦波谐波电流THD3%,150KVA 输入电流和电压图,无污染,（塔式机谐波电流THD0.999,高输入功率因数有效改善了电流相位差的关系供电系统无需相位补偿,先控200KVA功率因数曲线图,无污染,（塔式机输入功率因数0.8）,无污染,采用IGBT平均电流控制技术，负载从
10、20%-100%变化，其PF可达到0.99，THDI小于3%，对电网无干扰，是真正的绿色电源。, 提高发电和输电设备的利用率； 减少供电传输和设备的无功损耗； 减少因谐波电流而引起的用电设备误动作； 减少因谐波而产生的电磁干扰； 避免电网局部的并联或串联谐振； 降低电源设备自身噪音；,低馈送谐波电流、高输入功率因数是绿色电源最基本指标,前置发电机容量仅需UPS容量的1.1倍,减小,无功能耗小,低谐波电流,绿色节能,无污染,倡导全社会创建绿色电力能源 是企业及每个用电者应承担社会责任和义务,节能,模块机综合节电效果显著,单机容量200KVA，带载100KVA,例一：传统单机应用,先控模块机比传统
11、塔式机降低12%能耗,例二：传统机1+1冗余方案,模块机（两次冗余）比传统机(一次冗余）降低30%能耗,模块机的使用可很好的提高投资有效性,使用模块化UPS降低综合运行成本的10%-30%,模块UPS与单机UPS的运行成本对比,模块UPS与单机UPS的综合性能对比,高压直流与模块UPS的对比,二者与传统UPS的对比： 可靠性比传统UPS供电系统有显著提高； 可用性比传统UPS供电系统有显著提高； 节能效果比传统UPS供电系统有显著提高； 功率转换设备标准化，机架标准化； 主机规格由传统UPS的几十种减少到几种； 电池组电压规格由传统UPS的十几种减少到几种； 电池配置和结构标准化；,可靠性电池
12、供电不需经过DC/AC转换，隔离了供电系统中不可预见、突发性的故障对负载的威胁；,高压直流与模块UPS的对比,高压直流与模块UPS的对比,高压直流供电系统负载供电的可靠性，实际上等于备用电池供电的可靠性，而备用电池可靠性的提高，很大程度取决于电池组的质量好坏和检测手段，因此人为因素对整个供电系统的可靠性有较大影响。如遇到自然灾害或人为故障影响，造成供电系统损坏，后备电池因容量有限无法继续向负载供电，会造成负载中断，而UPS可以通过旁路选择油机或另外一路市电对负载紧急供电。模块化UPS因为采用了并联冗余设计，每个模块均具备完整的UPS功能，即便任一模块发生不可预见、突发性的故障，也不会对负载供电
13、造成影响。,输入谐波电流及功率因数： 因高压直流的功率模块技术是从电力操作电源延伸而来，模块的功率范围相对较小，从目前国内主流生产高压直流厂商的技术水平来看，输出功率在5KW（240V/20A)以内的单相整流模块，均采用有源PFC校正技术，基本可以达到THDI 小于5%，PF 大于0.99，而输出功率在5KW以上的三相整流模块，大多采用六脉冲无源PFC校正，其THDI基本在25%到35%之间，PF在0.9左右。 而高频UPS因为产品设计起点高，投入研发时间久，无论是功率范围或技术的稳定性，都优于高压直流模块的技术水准，从目前模块机生产商的技术水平看，无论UPS模块的功率大小，都采用了IGBT整
14、流技术， THDI 小于5%，PF 大于0.99已成为普遍的应用指标。,高压直流与模块UPS的对比,工作效率： 目前高频化UPS电源的工作效率基本在93%-96%左右，而高压直流的功率模块工作效率基本在92%-95%之间，这是因为虽然它减少了DC/AC逆变这个环节，但同样存在PFC整流和DC/DC变换两个环节，而DC/DC变换因为有高频变压器的存在，其效率反而比高频UPS的DC/AC变换（无变压器）降低1%3%,高压直流与模块UPS的对比,技术复杂性： 高压直流并联没有频率同步问题，不存在环流问题，冗余并机更简单； 模块化UPS虽然存在上述问题，但数字技术正以人们无法想象的速度在发展着，技术的
15、更新，产品的升级，无时无刻不在重复的发生着，以DSP作为核心的控制技术在UPS的应用已经有十余年的历史了，其稳定性早已得到验证； 而高压直流功率模块，主要采用的模拟技术，在模块机为代表的数字技术面前，其稳定性、离散性差距明显，被淘汰只是时间的问题。 现阶段高压直流供电系统的概率密度较小，占地面积偏大；,高压直流与模块UPS的对比,负载的适应性： 以240V直流供电系统为例，其供电范围从198V292V，再考虑到线路损耗等因素： 负载的正常工作电压范围要求在AC165VAC264V之间； 对于三相输入和有工频变压器的负载不适用； 对负载内置的开关和保险需要按照直流的电压等级来配置； 对服务器机柜
16、内部的风机和部分显示器不适用； 对机房内的通风和应急照明设备不适用； 高压直流供电降低了对负载的供电质量，并提高了负载适用范围 UPS电源可以提供稳压精度为1%，电压谐波小于3%的交流电，不存在负载适应性问题。,高压直流与模块UPS的对比,负载的前端,高压直流模块的后端,分配电系统的安全性： 通信数据机房内的设备数量众多、种类繁杂、线路密集，日常维护、更新、扩容等活动频繁，对配电系统的安全等级要求很高。 因高压直流的输出分配电系统相比于交流分配电系统，对开关和保险的规格等级要求高，对爬电距离和线缆绝缘等级要求高，而相应的规范、标准和器件种类、规格等又比较少，势必会增加设备投资成本和风险成本；
17、高压直流采用悬浮供电模式，但负载输入端和功率模块输出端因为共模接地电容的存在，对地仍存在100V150V的直流电压，并随着模块和负载数量的增加而愈强； 悬浮供电使负载对零地电压的要求无法满足； 对人身的安全防护，完全依赖于对地绝缘监测装置，存在误报或漏报的可能； 因为直流系统不存在电压过零点问题，而且蓄电池自身内阻非常小，当负载或人为操作不慎短路时，所产生的危害会远远大于交流供电方式；,高压直流与模块UPS的对比,直流断路器的选择在电源系统中，断路器（空气开关）、保险（熔断器）、接触器（继电器）大都按照220Vac/380Vac来设计，对于大容量的低压塑壳断路器，可以有限地用到直流环境，不同的
18、交流工作电压有不同的分断能力，它最高可以到690Vac，而用到直流则是1P能到250Vdc，2P能到500Vdc。微型断路器，能工作到250Vac的交流，但工作到60Vdc直流都比较困难，125Vdc/1P直流空开，2P串联能达到250Vdc，而300400Vdc的直流微型断路器，目前而很难找到。目前直流150Vdc/2P微型断路器的报价也高出普通交流用2倍以上，并且市面上采购不是很方便。,高压直流与模块UPS的对比,直流熔断器的选择 1、由于直流电流没有电流的过零点,因此在开断故障电流时,只能依靠电弧在石英 砂填料强迫冷却的作用下，自行迅速熄灭进行开断，熔片的合理设计与焊接 方式，石英砂的纯
19、度与粒度配比、熔点高低、固化方式等因素，都决定着对 直流电弧强迫熄灭的效能和作用； 2、在相同的额定电压下，直流电弧产生的燃弧能量是交流燃弧能量的2倍以上， 为了保证每一段电弧能够被限制在可控制的距离之内同时迅速熄灭，不会出 现各段电弧直接串联导通酿成巨大的能量汇集，导致持续燃弧时间过长发生 熔断器炸裂的事故，直流熔断器的管体一般要比交流熔断器长，否则当故障 电流出现时就会产生严重的后果；3、根据国际熔断器技术组织的推荐数据，直流电压每增加150V，熔断器的管体长 度即应增加10mm，例如直流电压为1000V 时，管体长度应为70mm；,高压直流与模块UPS的对比,直流熔断器的选择4、熔断器在
20、直流回路使用时，必须考虑电感、电容能量存在所产生的复杂影响， 因此时间常数L/R 是不可忽略的重要参数，应根据具体线路系统的短路故 障电流发生和衰减率做准确评估，不是随意选大或选小都可以。由于直流 熔断器时间常数 L/R 大小决定着分断燃弧能量和分断时间及允通电压，所 以管体的粗细与长短必须合理而安全的选择使用；5、当交流熔断器用在直流回路时，应该降压使用。例如西门子公司的1000V AC 交流快熔，限定用在440V DC 回路，法国罗兰的交流700V 熔断器，用于 直流时也遵循1.3-1.4 的降压系数，只用在500V DC 的回路；,高压直流与模块UPS的对比,墨菲法则在技术界道出了一个铁
21、的事实：技术风险能够由可能性变为突发性。它的极端表述是：如果坏事有可能发生，不管这种 可能性有多小，它总会发生，并造成最大可能的破坏。,配电方案设计所遵循的基本点,墨菲法则： “凡事只要有可能出错，那就一定会出错”,供电解决方案及应用案例介绍,1.容量配置的灵活性；2.冗余高可靠性；3.高可用性；4.高效节能、绿色环保性；5.投资有效性。,UPS电源配电解决方案的科学性选择,方案满足以下五点要求：,模块UPS效能集成化特点最大提高系统可靠性和可用性,适合用户的UPS电源解决方案,1) UPS电源结构的科学性？2) 配电方案的科学性？3) 如何提高UPS系统能效比？,集中就近配电优点：1)有效减
22、少功率损耗；2)有效减少配电故障；3）有效减小“零地”电压。,集中就近配电方案实际图,推荐方案一:模块机集中就近供电,适用于中小型数据中心（200KVA以下负载供电），可完全取代传统单机1+1并联的运行方式,模块机单机供电,模块机单机供电示意图,推荐方案二:模块机双回路供电(1),适用于中、小型数据中心（400KVA以下负载供电），可完全替代传统UPS双机双总线工作方式,推荐方案二:模块机双回路供电(2),适用于中、小型数据中心（400KVA以下负载供电），可完全替代传统UPS双机双总线工作方式,UPS2,模块机双回路供电示意图,推荐方案三:模块机交叉双回路供电,适用于800KVA以内中、大型
23、数据中心，可完全替代传统UPS双机双总线供电方案,UPS总输出配电柜3,推荐方案三:单机分区双总线供电,UPS 配电方案可靠性比较表,机型/方案,供电可靠性,停机时间/年,塔式/单机,塔式/1+1,模块/单机,塔式/1+1双总线,模块/单机双总线,99.9999999%,99.999999%,99.9999%,99.9%,99.99%,8小时,53分钟,31秒,318毫秒,31.8毫秒,用户要求：1）具有稳定可靠的输入电源，双市电输入，市电电源质量不低于二类；2）负载集中在二个楼层，其中一层IDC负载有110个机柜，每个机柜按最大用电量14A计算，即每个机柜负载为3.08KW，一层机房总的用电
24、负载为338.8KW，即417.25KVA ；二层IDC负载有317个机柜，每个机柜按最大用电量14A计算，即每个机柜负载为3.08KW，二层机房总的用电负载为976.36KW，即1220.45KVA ；3）后备时间满负荷工作15分钟；5）供电系统为绿色节能型电源，输入电流谐波分量3%，功率因数0.99；6）当整机负载在50%左右，实际使用效率95%；7）供电系统的供配电保护系统应具有“选择性跳闸”功能，任一路分路开关的“故障跳闸”不影响其他开关的正常工作；8）机房采用联合接地系统，接地电阻1，零地电压1V；9）供电系统为模块化结构设计，能够随着投资规划实现”随需扩展”，实现IDC机房的“动态
25、成长”。,上海电信锦华IDC数据机房解决方案,解决方案：1）采用相对集中，分区供电的原则，将一、二层的负载分为三个区域供电，每个区域选用三套先控CMS-320KVA模块化UPS系统，组成模块机输出交叉双回路供电方案；2）根据负载容量和冗余要求，每套模块化UPS系统配置20KVA的功模块11台，在满足负载容量和合理冗余要求的同时，还保留了100KVA的平滑扩容空间；3）为满足二路市电输入的配电要求，我们在模块化UPS系统内配置了ATS（选配）切换装置；4）为满足负载分配电要求，我们在每套UPS的输出端配置了一套智能精密输出分电柜，每个分电柜可提供18*9路共162个分路开关（6A-32A）；5）
26、为满足后备时间要求，每套UPS配置384V/200A电池2组；,上海电信锦华IDC数据机房解决方案,配电方案选择,模块机交叉双回路供电模式,配电方案选择,先控模块化UPS方案优势,先控电源CMS-480模块化不间断电源系统作为模块化UPS的典范，它与先控智能配电系统所构成的双总线供电方案主要有下面几个优势：高可靠性： 先控UPS供电系统采用模块冗余技术，解决了单点瓶颈故障，从根本上提高供电系统的可靠性。由于采用了多级分散式控制技术，使功率模块、静态开关模块、监控模块都可以在线热插拔，使扩容，维修零风险。采用顺位主从同步控制技术，使系统无运行瓶颈。高可用性： 现在越来越多的用户考虑UPS的可用性问题。据专家现场试验，模块化双总线方案的可用性高达99.999999，比传统双总线的99.999高出很多。传统机一旦出现故障，专业工程师在现场要关闭UPS系统，再用大量的时间逐个排查故障，如果问题当场解决不了，还要用更多的时间返厂进行维修和检验。先控电源CMS模块化UPS系统克服了这一点，无需停机等待修复，无需专业技术人员，只需用户把故障模块进行更换即可，修复时间仅为5分钟。,配电方案选择,先控模块化UPS方案优势,高投资有效性： 降低设备初期购置成本； 降低设备运行成本10%12%； 机房固定成本消耗费用8%10%； 降低设备后期扩容和维护成本20%。,谢谢!,
