1 大數據時代對供電系統的要求及解決方法
　　
(1)容量更大、壽命更長、可靠性更高

現在已進入信息高度發展的時代,信息中心已成為人們日常生活中的重要部分。數據中心的規模已越來越大,而且對可靠性與壽命的要求也越來越高,只有這樣才可以維持數據中心對網絡的強大支撐。作為數據中心心臟的供電系統又是支撐數據中心和網絡的第一要素,它的工作狀態直接影響著數據中心和網絡的可靠性。

節能是數據中心的首要指標,節能就是降低功耗,只有降低功耗才可以維持設備低溫運行,才能提高可靠性和延長壽命,降低PUE也就是這個目的。根據阿雷紐斯定律,電子設備(包括電池)每升高10℃其壽命減半。換言之,溫度按10℃的梯度增加就會使設備壽命按1/2n規律縮短。目前UPS系統中大量應用電解電容器和液流鉛酸電池(如圖1所示),它們是嚴重地影響設備和系統壽命的主要因素,因此在一些環境惡劣的條件下,比如通信中無人值守的野外基站和軍事用途的地方,就急切需要改變這種現狀。燃料電池的出現曾一度給人們帶來了希望,但由于某些客觀原因,時至今日在UPS中尚未應用。

鋰離子電池的出現也為UPS供電系統的可靠性開辟了道路,而且這種電池也已在電動汽車中得到了成功地利用:電池的供電電壓范圍48～500V,覆蓋了整個UPS的應用范圍,放電電流比UPS要大,而且環境比UPS惡劣,因為汽車并不像UPS那樣一直待在恒溫無振動的的環境中。從原理上講完全可替代液體鉛酸蓄電池,但也由于某些原因,使用戶望而卻步。目前還僅僅在個別地方做試驗。

①螺旋卷繞式鉛酸蓄電池的問世使鉛酸蓄電池煥發了青春

以前人們認為鉛酸蓄電池只能是液流結構,再加之生產和使用中對環境的污染,不得不對這種設備的制造和使用有所限制。螺旋卷繞式結構鉛酸蓄電池的出現開闊了人們的視野,也為提高UPS供電系統的可靠性打開了希望之門。因為根據有關資料統計,UPS供電系統70%以上的故障來源于電池。而五年設計壽命的鉛酸蓄電池實際服務壽命平均為兩年到兩年半。螺旋卷繞式結構是完全固體的,如圖2所示。其100%充放電達350次,為液流電池150次的2倍以上;30%充放電達4000次,為液流電池1200次的3倍以上,工作溫度非常寬,為-55～+70℃;當然也可以任意位置放置,這在軍事和野外無人值守情況下非常實用;它的漏電流非常小,放電電流卻非常大,可達3～5C;充電40min就能到95%的容量。

目前這種電池的容量可做到75Ah。而且組裝也很方便,其外形圖如圖3所示。

②薄膜電容器取代電解電容器

薄膜電容器技術的發展使它的容量可以做成和電解電容器一樣大,但由于它是干式的,就具備了電解電容器沒有的功能。薄膜電容器的電壓范圍要比電解電容器大得多,內阻也小得多,雜散電感要比電解電容器小一個數量級,壽命在同樣價格下也比電解電容器長得多,這大大拓展了薄膜電容器的應用領域。其外形如圖4所示,表1是電解電容器和薄膜電容器的性能比較。

螺旋卷繞式鉛酸蓄電池和薄膜電容器提供了提高UPS供電系統的可靠性和延長壽命的手段。

(2)目前的供配電方式表現為大集中和大分散

UPS系統的供電方式是由數據中心的規模結構而決定的,在大的數據中心,由于數據大集中的要求,設備超量的多,如圖5(a)所示的數據中心內至少有20萬臺服務器在工作,在這種情況下的供電系統也必須集中,如圖5(b)所示。微模塊數據中心和集裝箱式數據中心的問世,使原來多為集中式供電的模式開始了分散配置,如圖6所示。

(3)用分散構建集中

當代數據中心的規模越來越大,從幾百平米到幾萬平米。但不論是多大,一個200平方米以上的數據中心機房設備大都是不能一步到位。一般以400～500kVA容量約150個機架為一個“模塊”首先安裝調試。運行中證明這個模塊正確無誤,以后機房其他剩余部分就可按照此模塊復制安裝,由此就啟發了人們微模塊的思想。實際上這只是一方面,數據中心基礎物理設施一體化也是促成微模塊結構的第二個原因。微模塊和集裝箱式數據中心的問世使機房建設速度大大提高,前者可以邊投資邊建設,后者省去了蓋大樓和機房裝修。圖7(a)為微模塊建設模式,圖7(b)為集裝箱建設模式。

微模塊數據中心和集裝箱數據中心的思想又促成了供電系統模塊化的進展。如圖7所示的微模塊和集裝箱群構成的數據中心,就是由分散構成集中的例子。

2 目前UPS供電系統的類型及配電系統的發展
　　
(1)兩種類型的UPS供電系統

交流輸出型UPS的發展方向是高頻化,目前正處在高頻化UPS替代工頻機UPS的時代。圖8給出了目前UPS供電系統主要類型:旋轉發電機飛輪儲能式和靜止變換式。飛輪儲能式的飛輪轉速和后備時間的提升使其在某些數據中心開始試用。但由于這類UPS的容量都比較偏大,大都在150kVA以上,體積也很大,而目前50多萬數據中心機房的70%以上是200平方米以下,這也限制了它的普及。

圖9給出了兩種旋轉發電機飛輪儲能式UPS外形圖。圖9(a)的立式磁懸浮飛輪儲能式UPS的容量為250kVA,圖9(b)的臥式飛輪儲能式UPS的容量為160kVA。

靜止變換式UPS已廣泛應用于數據中心。這一類UPS已從上世紀60年代的全可控硅化發展到現在的全IGBT化,效率也由以前的滿載90%以下提高到現在的半載95%以上。以100kVA為例,高頻機UPS每年要比工頻機UPS節電50,000kWh以上。經濟效益和社會效益相當顯著,為實現數據中心低PUE提供了有利條件。圖10給出了幾種高頻靜止變換式UPS的外形圖。靜止變換式UPS的容量在小容量范圍內不受限制,可以小到幾十瓦,在大容量范圍內,目前單機已可做到1600kVA。與工頻機UPS比較節能節材,比如某進口300kVA工頻機UPS重2200kg,而國內300kVA高頻塔式機僅重約360kg,減輕了1.8噸!N+X模塊化結構更為數據中心的建設和運行提供了方便條件。

(2)取消變壓器和列頭柜

在配電系統上,目前有的在原來的列頭柜中加裝了變壓器,目的是為了“隔離干擾”。圖11給出了兩種列頭柜的電路方框圖。實際上這種變壓器根本不隔離干擾，反而帶來了很多不良后果:

①多了兩個串聯故障點。變壓器的輸入開關和變壓器本身都是故障點。

②增加了功耗,降低了可靠性，劣化了PUE。變壓器的加入至少使系統效率下降兩個百分點以上。

③增加了重量,浪費了材料,加重了地板負擔。本來地板承重可以滿足要求,但因加了變壓器使地板達不到要求了,就必須對地板加固。增加了工程量和投資,拖延了工期。

④增加了投資。無疑是花錢買故障。

目前的新技術是不但取消變壓器,而且也取消了列頭柜,采用軌道式母線槽配電方式,并且已在國內外多處有了成功的經驗。圖12給出了列頭柜配電方式和軌道式母線槽配電方式的比較。這項變革的實現無疑給各種形式的數據中心帶來了好處。現在有些樓宇數據中心和集裝箱數據中心采用了這種方案,取得了良好的效果。今后將會逐漸普及開來。

3 解析數據中心對供配電系統設計的誤區
　　
(1)認為一般電源變壓器具有隔離干擾的能力,所以列頭柜中增加了變壓器像UPS這類設備中的電源變壓器并沒有隔離*的功能。原因是變壓器在正常工作時呈線性狀態,而線性狀態是不會使波形發生畸變的。換言之,對變壓器的基本要求是輸入輸出波形不失真,即輸入波形什么樣子輸出也要一摸一樣。這在有關文章中已有多次論述和實際例子,在此不累述。

(2)認為發電機和UPS在任何負載下都可以給出按功率因數算出的有功功率

這個認識誤區比較普遍,以致于在多處出現紕漏,機器跳閘和損壞器件的屢屢出現。實際上道理很簡單,只要電源的輸出能力和負載不匹配就必須降額使用。至于降多少這要看不匹配的程度。比如負載功率因數為0.8的電源在帶輸入功率因數為1的負載時,只能供出53%的額定值(即有功功率),盡管在輸出功率表上帶載率才53%,但對于內部電動勢產生源就已經滿載了。比如某政府機關數據中心購置了負載功率因數為0.8的UPS,在70%帶載率時屢屢燒毀逆變器功率管。發電機也不例外。比如某省農商行發電機在帶線性負載驗機時,70%負載電機跳閘。某省工業園也是發電機在帶線性負載驗機時,70%負載電機過載告警。因此這種后備發電機在帶高頻機UPS時,其功率比不是1:1,而是2:1,如果考慮過載能力和充電功率至少要2.5:1。

(3)給具有32節12V的電池組配備交直流斷路器

UPS的后備電池組必須配備短路器或熔斷器,但必須配備直流斷路器。但直流斷路器不論從制造材料和機械結構上都比交流斷路器負載得多,因此價格也更昂貴。因此在很多地方都給電池組配備了所謂“交直流斷路器”。因為直流斷路器很少見,雖然在48V直流電壓時滅弧容易一些,但在240V高電壓時就非常困難了。因此直流斷路器價格數倍于同容量的交流斷路器,故在很多場合大都用交流斷路器代替。應用交流斷路器或直流斷路器,其效果截然不同。

直流斷路器可以用交流斷路器代替嗎?這要看電流等級,幾個安培到十幾個安培的情況下肯定可以通用。當電流達到幾百安培的時,斷口間的電弧只會在電流過零點時才熄滅,而直流電流不存在過零點,因此無法熄弧,此時必須用專門的直流斷路器。如果電弧持續時間超過20ms,就可以稱為爆炸。

直流斷路器有何特點?

交流斷路器分斷直流短路電流相對困難。因為電弧分斷的條件是,分斷電弧電壓大于電源電壓。直流電與交流電一個重大區別是沒有電壓自然過零點,所以直流電弧分斷就更為困難,為此直流斷路器需要專門的吹弧線圈或者使用永磁體吹弧技術,強制直流電弧進入熄弧室,使電弧被切割、拉長,弧電壓升高并迅速冷卻,并且已經假設了直流線路接線時嚴格注意了極性,實際上交流斷路器并沒有完全在設計上采取類似的技術措施,在許多直流電路上使用時的可靠性、耐久性和分斷能力遠不如直流斷路器。

交流斷路器單極能分斷的直流電壓值有限,標稱電壓是交流230V的交流斷路器并不一定就可直接用于直流220V的線路中,在GB10963-2標準中就規定額定電壓為230V的單極微型交流斷路器用于直流系統時,直流電源電壓一般不能超過220V,大于220V應考慮2極串聯使用,從安全角度出發,并考慮大量工程實踐的經驗,建議如圖13所示的方案。

在上述建議方案中,當直流電壓為250V時就需4個觸點串聯。有鑒于此,在有些情況下,繼續使用交流斷路器就不如直接選取直流斷路器更經濟。但目前采用的所謂交直流斷路器實際上就是交流斷路器。因為在交流用途時有誰多花錢去買交直流產品呢!更可怕的是在大功率UPS中一般都采用了32節電池,額定電壓就近400V,仍用交流斷路器的兩個觸點串聯,就存在到時不能斷開的危險,并從而導故障致事態擴大。