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1、论UPS供电方案的问题与变革张广明2008年4月内容1、传统UPS供电系统存在的问题2、对UPS供电系统技术发展的探讨科学发展的历史性：在一定的历史阶段,技术发展被人们的 传统意识、行业规范、行业标准束缚着，因而会延缓技术变 革的过程科学发展和技术进步最终会遵照它自身规律中心思想：应用型科学发展和技术进步的规律发展方向和和变革的过程是由技术应用的需要决定的市电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当前UPS供电系统典型结构示意图逆变器工作
2、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=0.6 CF3UPS输入电流 PF=0.7 THDI30%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系统结构电池组找问题： 1、能源的两次变换 2、两个电流谐波源 3、备用能源-电池不能直接保护负载当前UPS供电系统运行中存在的问题（1）系统可靠性问题；系统复杂、单路经故障点多、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,对电网和系统本身形成干扰、增 加滤波设备、降低输入功率
3、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；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。与安全有关的两大问题一, 系统的可用性：设备可靠性低，造成系统不可遇见的突发性故障二，谐波干扰：造成系统隐性故障UPS供电系统的谐波治理谐波
4、治理是UPS设备性能改进和供电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=0.6 CF3直流母线电压AC/DC 12脉冲 整流11次无源滤波PF=0.95 THDI10%DC300V15%计算机负载器件电压： 全桥
5、380V 半桥760V电池组存在问题： 1，增加系统成本； 2，负载减轻时，无源滤波效果不好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=0.6 CF3直流母线电压PFC整流PF=0.99 THDI5%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120KVA降低治理系统谐波电流方法之三： 混合型有源滤波器APF可放在UPS前端，也可放在整个系统前端逆变器工作波形AC/DC （6脉冲）有源滤波配电DC/
6、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=0.6 CF3UPS输入电流 PF=0.7 THDI30%直流母线电压PF=0.99 THDI5%DC300V15%计算机负载器件电压： 全桥380V 半桥760V电池组提高UPS供电系统的可用性方法之一：单机冗余并机系统方法之二：双总线冗余并机系统方法之三：单机模块化UPS方法之四：集成化UPS供电系统结构框图方法之五：提高智能监控与管理功能UPS的可靠性与可用性失效率 ：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：平
7、均维护时间：可用性：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提高系统可用性方法之三： 单机模块化UPSN+1冗余配置 可
8、在线热插拔，最大限度降 低故障修复时间可用性MTBF MTBF+MTTR模块化定义： 系统中，一个子系统、一 台单机设备，或者设备中 的一个功能模块，可在不 影响系统正常运行的情况 下脱机维护。 模块化结构和增强的人类学习 是标准化 NCPI 的两个基本特征标准化NCPI对人提高的价值： 避免出错 预见问题 共享知识 提高效率对设备提高的价 值： 可扩展 可更改 可移植 可插拔提高人类学习的能力构造模块化结构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+1 UPS模块热 插拔冗 余n+1 UPSSTS变 压 器变 压 器输
9、出 配 电服务器服务器单电源负载ATSPDU输入 配电 ATS输入 配电 ATSSTS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。提高系统可用性方法之五：智能监控与管理1，自检功能：定期的自检功能，以防患于未然；2，UPS远程诊断与维护功能：远程检查UPS状态、查询预警信息； 3，自动关机功能：UPS执行定制化的数椐保护功能；4，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。是提高管理水平的辅助手段，可提前发现故
10、 障隐患，减少故障发生的概率，防患于未然逆变器工作波形AC/DC （6脉冲）AC/DC 12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=0.6 CF3UPS输入电流 PF=0.7 THDI30%直流母线电压PF=0.99 THDI5%PF=0.99 THDI5%PF=0.95 THDI10%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总结：当前UPS供电系统结构现状器件电压： 全桥380V 半桥760V电池组值得思考的问题：传统的UPS供电系
11、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。系统可靠性差是造成以上现象的根本原因值得思考的问题之一：可靠性问题用户感觉到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？负载对系统可靠性要求提高，是因为UPS系统的可靠性不高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是不大可能的 但市电正常，系统本身故障却没有确有把握的保护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？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；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，但设备轻载工作、UPS冗余配置、系统双总 线配置等
13、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效率不断降低的趋势UPS供电系统中的工作效率0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%Load % of full power ratingUPS EfficiencyUPS额定 容量100%负载实际 容量70%70%53%26%13%UPS选用 余量75%1+1冗 余配置2（1+1） 冗余配置系统配置 是系统效 率低下的 主要原因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
14、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？适应性差是造成系统效率低和生命周期短的根本原因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。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 本不可能的。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
15、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（鲁伯哥德堡效应） 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1)结论可用时间的价值比网络本身的成本更具经济价值可靠性的提高将越来越困难，需要的资金越来越庞大电力和制冷问题将会阻碍在IT基建上的投资使用传统设计，不可能兼得高可用性和高效率这些问题难以解决，因为产生问题的原因始终都存在二、对高可用性供电系统变革的探讨1、对备用能源配置方法的检讨2、对“可预见非突发性故障”和“不可预见突发性故障 ”可靠性
16、和可用性的讨论3、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4、供电方案变革的实践基础5、新的数据中心UPS供电方案 1、对备用能源配置方法的检讨UPS供电系统备用能源串联型配置 -系统功能设计策略的误区能源1主供电 电网+双变换 UPS系统UPSDC/AC逆变能源2 电池备 用供电负载（a）系统配置框图电池R1DC/AC R2（b）备用电池可靠性模型市电掉电时，电池要通过UPS 主机设备中最不可靠的环节-逆变器向负载供电。 备用能源供电的同样不可靠是造成传统UPS供电系统不断复杂化、设备堆积、 结构臃肿、成本迅速攀升、效率低下、可靠性难以有效提高的根本原因。UPS供电系统备用能源传统供电配置的可靠性（a）系统配置框图（b）备用电池可靠性模型电池系统的可靠性R1在0.99左右， DC/AC逆变器的可靠性R2只有0.9（UPS整机可靠性0.99，包括了处于冗余并联 的静态旁路系统） 输出静态转换开关的可靠性R3在0.99左右 则：
