江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 王明皓 王久海 陸曉宇

動(dòng)態(tài)不間斷電源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心行業(yè)應(yīng)用研究

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 王明皓 王久海 陸曉宇

介紹了動(dòng)態(tài)UPS（不間斷電源）的工作原理，并對(duì)比了動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)與傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)+柴油發(fā)電機(jī)組在不同標(biāo)準(zhǔn)下的配置情況，對(duì)動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并展望了其在DC（數(shù)據(jù)中心）行業(yè)具備替代傳統(tǒng)UPS加柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)展前景。

動(dòng)態(tài)不間斷電源；數(shù)據(jù)中心中；柴油發(fā)電機(jī)組；節(jié)能減排

如何合理整合UPS（不間斷電源）、蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)組已經(jīng)成為DC（數(shù)據(jù)中心）電源行業(yè)關(guān)注的問題，如何提高DC能耗利用率，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約成為行業(yè)有待解決的迫切問題。動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)的出現(xiàn)，有效地解決了這些問題。

1 動(dòng)態(tài)UPS發(fā)展歷程

從UPS（不間斷電源）的發(fā)展歷史來說，經(jīng)歷了兩個(gè)階段：旋轉(zhuǎn)式UPS和動(dòng)態(tài)UPS。

早期的UPS被稱為旋轉(zhuǎn)式UPS，是由整流器、電池、直流電動(dòng)機(jī)、柴（汽）油機(jī)、飛輪和發(fā)電機(jī)組成。近期出現(xiàn)了新型的動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)具備柴油發(fā)電機(jī)組與UPS系統(tǒng)的雙重功能，有效整合了UPS、蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)組。系統(tǒng)的配置更加合理、科學(xué)，并且系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。

2 動(dòng)態(tài)UPS的結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)同時(shí)具備柴油發(fā)電機(jī)組與UPS系統(tǒng)的雙重功能，系統(tǒng)有效整合了UPS、蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)組。其典型的結(jié)構(gòu)見圖1。

該系統(tǒng)主要由5個(gè)核心部分組成：

1）同步交流發(fā)電機(jī)：在市電模式下，發(fā)電機(jī)的作用就相當(dāng)于一個(gè)同步電容器，它能保持感應(yīng)耦合器外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。它與電抗器結(jié)合作為有源濾波器使用，為負(fù)載提供無功功率。

2）感應(yīng)耦合器：感應(yīng)耦合器是UPS系統(tǒng)的核心。外轉(zhuǎn)子包含一個(gè)兩極三相線圈，在市電模式下，它能加快自由轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。市電斷電時(shí)，UPS使外轉(zhuǎn)子的直流線圈通電，從而取出內(nèi)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的動(dòng)能。柴油機(jī)啟動(dòng)并加速到全速運(yùn)轉(zhuǎn)或者全功率需要些許時(shí)間，而由內(nèi)轉(zhuǎn)子取出的能量足夠滿足這段時(shí)間的能量需求。

3）自由輪離合器：是感應(yīng)耦合器/發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)之間能量傳遞的橋梁。

4）柴油機(jī)：柴油機(jī)在市電模式下是待機(jī)狀態(tài)。為確保柴油機(jī)能夠迅速可靠地啟動(dòng)，柴油機(jī)始終處于預(yù)熱與潤(rùn)滑狀態(tài)。只要市電斷電，柴油機(jī)就會(huì)立即啟動(dòng)，并加速至全速運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油機(jī)啟動(dòng)期間即由感應(yīng)耦合器提供緊急負(fù)載所需能量。整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為5～10 s。

5）電抗器：電抗器將市電與負(fù)載分開。電抗器與發(fā)電機(jī)相連，它相當(dāng)于一個(gè)濾波器，UPS系統(tǒng)將輸出電壓控制在嚴(yán)格的規(guī)定范圍內(nèi)。

3 動(dòng)態(tài)UPS工作原理及在DC的使用

3.1 動(dòng)態(tài)UPS工作原理

1）市電供電模式：電抗器和發(fā)電機(jī)的作用就相當(dāng)于一個(gè)有源濾波器，保證設(shè)備側(cè)用電質(zhì)量。發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子以一定速度旋轉(zhuǎn)，也就是電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過程。

2）內(nèi)轉(zhuǎn)子供電模式：當(dāng)市電停電時(shí)，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為關(guān)鍵性負(fù)載設(shè)備供電，并同時(shí)啟動(dòng)柴油機(jī)，內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低。

3）柴油機(jī)加內(nèi)轉(zhuǎn)子供電模式：當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，自由輪離合器自動(dòng)地結(jié)合。柴油機(jī)與感應(yīng)耦合器共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，確保對(duì)緊急負(fù)載正常供電，內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低。

4）柴油機(jī)單獨(dú)供電機(jī)模式：柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為設(shè)備供電，同時(shí)驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子重新加速至額定轉(zhuǎn)速。柴油機(jī)的速度會(huì)被監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行數(shù)字化控制，以確保輸出頻率穩(wěn)定不變。

5）返回市電模式：當(dāng)市電穩(wěn)定后，動(dòng)態(tài)UPS會(huì)自動(dòng)與市電同步。柴油機(jī)將減速至一定轉(zhuǎn)速，自由輪離合器斷開。發(fā)電機(jī)返回到發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，并將感應(yīng)耦合器的外轉(zhuǎn)子速度保持在額定轉(zhuǎn)速。這時(shí)，柴油機(jī)還將在空載狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一些時(shí)間以進(jìn)行冷機(jī)。完成冷機(jī)后，柴油機(jī)會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，返回待機(jī)模式。

3.2 動(dòng)態(tài)UPS在DC中的使用

動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)以柴油發(fā)電機(jī)組加UPS加蓄電池組的功能在DC得到使用，使用動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)的DC電源系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)見圖2，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在國外使用較為普遍。

將負(fù)載區(qū)分為關(guān)鍵性負(fù)載和非關(guān)鍵性負(fù)載，當(dāng)市電斷電油機(jī)未完全帶載之前，由儲(chǔ)能單元供電期間，切斷非關(guān)鍵性負(fù)載，僅保留關(guān)鍵性負(fù)載，可以有效減少對(duì)于飛輪儲(chǔ)能單元容量的需求，并能為油機(jī)啟動(dòng)爭(zhēng)取更長(zhǎng)的時(shí)間。

4 動(dòng)態(tài)UPS與傳統(tǒng)油機(jī)加UPS應(yīng)用

動(dòng)態(tài)UPS由于同時(shí)集成了傳統(tǒng)模式下的柴油發(fā)電機(jī)組、UPS、蓄電池等功能，各部分功能配置固定，不能進(jìn)行拆分?？紤]到動(dòng)態(tài)UPS的特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)UPS開展DC電源系統(tǒng)建設(shè)時(shí)與采用傳統(tǒng)模式開展建設(shè)，根據(jù)建設(shè)采用的標(biāo)準(zhǔn)與等級(jí)，其特點(diǎn)有很大不同，見表1。

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由于動(dòng)態(tài)UPS自身的高度集成的特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)行的主要標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)不同的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，利用動(dòng)態(tài)UPS開展建設(shè)時(shí)與傳統(tǒng)模式有較大差異，比如采用國A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)時(shí)，兩種模式在柴油發(fā)電機(jī)功能配置上有較大差異，對(duì)于采用動(dòng)態(tài)UPS模式，存在油機(jī)過度建設(shè)的情況。采用Uptime 4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)時(shí)，兩種模式整體功能配置一致，可對(duì)比性較強(qiáng)。采用Uptime 4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的機(jī)房比采用國A標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的機(jī)房，利用動(dòng)態(tài)UPS更具有優(yōu)勢(shì)。

5 動(dòng)態(tài)UPS的優(yōu)缺點(diǎn)分析

5.1 優(yōu)點(diǎn)

1）動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)安全可靠性高。設(shè)備主要由機(jī)械、電機(jī)組成，并未使用大功率電子器件，安全可靠性較高，整機(jī)壽命達(dá)25年，單機(jī)可靠性較高。

2）節(jié)能效果顯著。在市電正常時(shí)，系統(tǒng)作為有源濾波器使用，較傳統(tǒng)UPS的雙變換，效率大大提高，由傳統(tǒng)UPS的90%效率提升至96%。

3）建設(shè)、使用期總成本低。結(jié)合國外采用動(dòng)態(tài)UPS開展DC電氣系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，采用動(dòng)態(tài)UPS的建設(shè)、使用費(fèi)用較低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

4）設(shè)備不需要空調(diào)制冷。傳統(tǒng)的UPS主機(jī)需要設(shè)置空調(diào)設(shè)備進(jìn)行制冷，蓄電池組由于對(duì)溫度要求較為苛刻也需要設(shè)置空調(diào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，而動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)不需要設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，僅開啟通風(fēng)即能滿足運(yùn)行環(huán)境的要求，節(jié)省了空調(diào)設(shè)備的投資，并節(jié)省了空調(diào)設(shè)備的能耗。

5）占用DC機(jī)房面積大大減少。由于系統(tǒng)的集成度較高，節(jié)省了UPS、蓄電池組占用的機(jī)房面積，占地面積大大減少。

6）具備無功功率調(diào)節(jié)功能。動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)中的同步電動(dòng)機(jī)一個(gè)突出的特性就是改變勵(lì)磁可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。如果將運(yùn)行在電網(wǎng)上的同步電動(dòng)機(jī)工作在過勵(lì)狀態(tài)，它們就會(huì)從電網(wǎng)上吸收無功功率。

7）維護(hù)簡(jiǎn)單、維護(hù)量減少。DC供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，傳統(tǒng)DC供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中包含蓄電池組、UPS、備用發(fā)電機(jī)等設(shè)備，而動(dòng)態(tài)UPS有效集成了蓄電池組、UPS、備用發(fā)電機(jī)3部分功能，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，維護(hù)更加方便、簡(jiǎn)單；減少了維護(hù)工作量，系統(tǒng)由從前維護(hù)柴油發(fā)電機(jī)組、UPS、蓄電池組，改為僅維護(hù)動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)1套設(shè)備，大大減少了維護(hù)工作量。

8）無污染。系統(tǒng)不使用蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能，沒有鉛酸蓄電池組生產(chǎn)和回收過程的鉛、硫酸污染。

5.2 缺點(diǎn)

1）國內(nèi)DC行業(yè)使用較少，建設(shè)、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)缺少。

2）使用中噪音較大，需要進(jìn)行特殊處理。

6 動(dòng)態(tài)UPS在DC行業(yè)的使用展望

動(dòng)態(tài)UPS主要由機(jī)械、電機(jī)組成。動(dòng)態(tài)UPS可靠性大大提高，并使得DC機(jī)房供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性，減少了系統(tǒng)的維護(hù)工作量。

動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)較傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)減少了2個(gè)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，系統(tǒng)效率大大提高，節(jié)能效果顯著，并且系統(tǒng)不需要空調(diào)制冷，又節(jié)約了空調(diào)能耗。系統(tǒng)占地面積大大減少，節(jié)約了機(jī)房空間。

鑒于動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，有利于推動(dòng)該系統(tǒng)的規(guī)模推廣與使用，并考慮到該系統(tǒng)同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，在建設(shè)方對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入了解后，該系統(tǒng)的規(guī)模推廣將更具有優(yōu)勢(shì)。

任何新技術(shù)都有其培養(yǎng)與接受期，相信當(dāng)動(dòng)態(tài)UPS技術(shù)在國內(nèi)有一定量案例并為DC建設(shè)方接受時(shí)，憑借其良好的性能與優(yōu)勢(shì)，并由于該系統(tǒng)同時(shí)具有良好的節(jié)能效果，在“十八大”努力倡導(dǎo)資源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)的今天，有著良好的政策支持，該系統(tǒng)將擁有廣闊的市場(chǎng)前景與發(fā)展空間，具備取代傳統(tǒng)UPS加柴油發(fā)電機(jī)組建設(shè)模式的潛力與優(yōu)勢(shì)。