前言
近年來,隨著大數(shù)據(jù)、
云計算等技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)也在飛速變革。而作為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,UPS行業(yè)也正在發(fā)生變化。模塊化UPS技術(shù)日益成熟,越來越多的用戶已經(jīng)或正在考慮使用模塊化UPS來建設(shè)新的數(shù)據(jù)中心,為迎合綠色、高效、易擴容、易維護(hù)等新的用戶需求,各廠家也陸續(xù)推出大容量模塊化UPS,傳統(tǒng)塔式UPS的地位正在遭受挑戰(zhàn)。
面對眾多UPS廠家鋪天蓋地的宣傳,以及各技術(shù)流派的不同觀點。如何選用一款合適的模塊化UPS,什么樣的UPS才是真正的模塊化UPS,正困擾著眾多的UPS用戶。本文將為讀者解答這一難題。
1. 為什么要用模塊化UPS?
事實上很多用戶都會問這個問題。業(yè)界通常的認(rèn)識是,在安裝維護(hù)、后期擴容方面,模塊化UPS具備塔式UPS無法替代的優(yōu)勢。而在綠色環(huán)保、高效節(jié)能等方面,則主要取決于UPS內(nèi)部電路與所使用的技術(shù),如IGBT整流還是SCR整流、輸出是否有隔離變壓器等,與外部結(jié)構(gòu)的關(guān)系并不大。但要注意的是:與早期的工頻機相比,目前大部分模塊化UPS因為采用無變壓器設(shè)計與IGBT整流等高頻化技術(shù),在降低諧波與提升效率方面有明顯優(yōu)勢,這同時也是高頻塔式UPS相對傳統(tǒng)工頻UPS的技術(shù)亮點。
1.1 模塊化UPS的優(yōu)勢
一般來說,廠家宣傳中的模塊化UPS都具備以下幾個優(yōu)點:
易用性好,安裝擴容方便
可用性強,維護(hù)簡單
隨需擴容,節(jié)省初期投資
模塊休眠提升效率,節(jié)省運營成本
智能網(wǎng)管,強大的監(jiān)控
作為高頻機家族的一員,高頻模塊化UPS與高頻塔式UPS的共同優(yōu)點還包括:
綠色環(huán)保,降低諧波污染:得益于DSP控制的功率因數(shù)校正技術(shù),高頻UPS拋棄了工頻機時代的SCR(可控硅)整流技術(shù),輸入諧波電流進(jìn)一步降低,對電網(wǎng)的污染減小,而輸入功率因數(shù)也接近于1(大部分可做到0.99,幾乎相當(dāng)于純阻性負(fù)載)
高效節(jié)能,降低電費開支:變壓器的取消、低導(dǎo)通損耗的功率器件、軟開關(guān)技術(shù)、新拓?fù)涞膽?yīng)用,進(jìn)一步提升了高頻UPS的效率。
體積小重量輕,運輸安裝方便:因為取消了輸出隔離變壓器,高頻UPS的體積進(jìn)一步縮小,重量也輕了很多。無論是運輸還是安裝,都比工頻UPS更加方便。
高功率密度,節(jié)省占地面積:大功率器件的應(yīng)用、DSP數(shù)字控制系統(tǒng)、更先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、損耗的降低、熱仿真等關(guān)鍵技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使得在同等體積下,高頻UPS可以獲得更大的輸出功率。而單機架容量的大幅提升、有限的機房面積,也使得越來越多的數(shù)據(jù)中心更青睞高頻UPS。
無論從發(fā)展趨勢,采購成本,還是實際的售后維護(hù)角度來看,除個別場景外,高頻UPS各方面指標(biāo)都優(yōu)于傳統(tǒng)的工頻UPS。高頻機取代工頻機這一發(fā)展趨勢也已經(jīng)獲得業(yè)界的廣泛認(rèn)可,目前各生產(chǎn)廠家均減少或停止了工頻機的研究。最近幾年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,海外絕大部分的新建數(shù)據(jù)中心都已經(jīng)將高頻UPS作為采購首選。
表1:工頻UPS、高頻塔式UPS、高頻模塊化UPS的區(qū)別
1.2用戶常見問題
a).工頻UPS器件少,是不是比模塊化UPS更可靠?
工頻UPS主要采用可控硅進(jìn)行整流(6脈沖或12脈沖),在輸入功率因數(shù)、諧波電流等電氣指標(biāo)上性能較差,但其電路結(jié)構(gòu)比較簡單,經(jīng)過三十余年的發(fā)展,技術(shù)已經(jīng)比較成熟。而且因為UPS一般使用年限較長,一些用戶在更換時還會習(xí)慣性的選擇很多年前曾經(jīng)使用過的工頻UPS。高頻UPS推出市場也已經(jīng)有十多年的時間,目前各廠家的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,在電路結(jié)構(gòu)上,和工頻UPS相比可靠性并無多少差別。
作為高頻UPS家族的新成員,模塊化UPS推出時間稍晚,但因為易維護(hù)等特點,發(fā)展較為迅速,各廠家也紛紛推出自己的模塊化UPS。
圖1:6脈沖與12脈沖的電路與電流波形
早期的模塊化UPS因為技術(shù)上尚未成熟,尤其是一些廠家在控制邏輯、模式轉(zhuǎn)換、故障退出等方面的設(shè)計缺陷,給部分用戶留下模塊化UPS可靠性不高的印象。而實際上,經(jīng)過多年的發(fā)展,尤其是各種新器件、新技術(shù)的應(yīng)用,各主流廠家的模塊化UPS技術(shù)上已經(jīng)成熟,質(zhì)量上也較為可靠。越來越多的高頻塔式UPS為方便后續(xù)維護(hù),也在機械結(jié)構(gòu)上采用“類模塊化”的技術(shù)。
可以說,產(chǎn)品的形態(tài)并不是區(qū)別可靠性的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品的可靠性由廠商追求可靠性的態(tài)度和專一程度決定,如系統(tǒng)方案是否有充足的冗余、應(yīng)用電路是否成熟、器件是否保留充足裕量、生產(chǎn)工藝與制造體系是否完備、產(chǎn)品出廠測試是否全面等等。模塊化UPS的可靠性并不比工頻機差,同時因為其模塊化的結(jié)構(gòu),維護(hù)方便,可用性更高等特點越來越受到市場的青睞。因此,決定產(chǎn)品是否可靠的因素,更多的還是要看生產(chǎn)廠家本身的實力。
b).模塊化UPS均流能力怎么樣?
模塊化UPS的均流與其它形態(tài)的UPS的均流并沒有本質(zhì)區(qū)別,性能指標(biāo)都要遵從國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。參考國內(nèi)郵電部UPS的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YDT-2165,輸出功率大于4kVA時,系統(tǒng)滿載輸出不均流度小于等于5%,輸出功率小于4kVA時,系統(tǒng)滿載輸出不均流度小于等于10%。
c).模塊化UPS可靠性和塔式UPS并機系統(tǒng)一樣?
很多用戶都將模塊化UPS看做傳統(tǒng)塔式機的簡單并機,但二者在工作原理上的區(qū)別,往往被人們忽視。比如,并機系統(tǒng)中一臺UPS損壞后其他UPS仍可工作,很多人認(rèn)為和模塊化UPS是一樣的。但實際上并機系統(tǒng)中一臺UPS故障后(切換到旁路模式),為避免不同UPS輸出差異造成短路(正常模式輸出額定電壓,旁路模式輸出的是市電電壓),系統(tǒng)會將全部并機UPS整體切換到旁路模式,此時市電直供存在掉電風(fēng)險。而模塊化UPS不存在此風(fēng)險—一臺功率模塊故障后會自動退出系統(tǒng),系統(tǒng)中的剩余功率模塊仍然可以正常工作。所以模塊化UPS的使用安全性更高。
圖2:并機UPS系統(tǒng)其中一臺故障后全部UPS轉(zhuǎn)旁路模式
d).模塊化UPS可靠嗎?常見的故障有哪些?
UPS的故障大部分發(fā)生在功率轉(zhuǎn)換部分(整流與逆變電路)。從模塊化UPS的設(shè)計理念上來看,因為采用了功率模塊冗余技術(shù),功率轉(zhuǎn)換部分的可靠性顯著提升,其他部分如旁路、輸入輸出配電、監(jiān)控等部分因電路結(jié)構(gòu)簡單,器件較少,本身可靠性較高。所以模塊化UPS的整體可用性比塔式UPS更高。從部分用戶的反饋來看,模塊化UPS容易出現(xiàn)的故障情況一般是:功率模塊故障后不能退出系統(tǒng)、主控模塊故障后備用模塊無法快速接替工作、模塊間通訊故障造成的系統(tǒng)故障、各種通訊線干擾造成的誤告警、功率模塊之間無法均流等。
e).模塊化UPS沒有隔離變壓器是否可靠?
傳統(tǒng)的工頻UPS因為電路拓?fù)渑c早期功率器件的局限性,需要在輸出端內(nèi)置變壓器來進(jìn)行升壓,以便達(dá)到負(fù)載需要的工作電壓。同時輸出端的變壓器也能一定程度上緩沖負(fù)載對UPS的影響。相當(dāng)于隔離變壓器對系統(tǒng)多形成了一層隔離。在現(xiàn)今的模塊化UPS中功率模塊一般在輸入/輸出都配有保險絲,輸出也有繼電器隔離,可以起到與工頻機隔離變壓器相同的作用。同時一旦功率模塊故障,DSP能快速做出反應(yīng),將故障模塊隔離出系統(tǒng)。所以,模塊化UPS并不會因為缺少了隔離變壓器就會降低系統(tǒng)的可靠性。相反,傳統(tǒng)工頻機的隔離變壓器因為體積大、重量重等因素越來越難以適應(yīng)高密高效、靈活安裝等新型數(shù)據(jù)中心的需求。同時變壓器本身的損耗在降低系統(tǒng)效率的同時還會產(chǎn)生大量熱量,縮短UPS內(nèi)部器件的壽命。
目前各大UPS主流廠家均將無輸出隔離變壓器的高頻UPS產(chǎn)品作為主打產(chǎn)品進(jìn)行推廣。除一些特殊場景外,需要隔離變壓器的場景已經(jīng)越來越少了。
2. 模塊化UPS與塔式UPS對比
模塊化UPS相比傳統(tǒng)塔式UPS有很多優(yōu)點,但在不同的地區(qū)和行業(yè),因為認(rèn)知的不同也存在一些爭議。本文不做過多比較,僅列舉相關(guān)特性對比如下。投資對比僅供參考,各廠家產(chǎn)品價格不同,應(yīng)以實際情況為準(zhǔn))
表2:塔式UPS與模塊化UPS的可靠性對比
表3:塔式UPS與模塊化UPS的易用性對比
表4:塔式UPS與模塊化UPS的投資對比
3. 如何選擇一款合適的模塊化UPS?
對于模塊化UPS,各廠家都宣稱自己的產(chǎn)品是真正的模塊化UPS,那么什么樣的UPS才是模塊化UPS?對用戶來說,哪些參數(shù)特性才是需要關(guān)注的?哪些指標(biāo)又是必須要滿足的?筆者認(rèn)為,對用戶而言,主要可以從外部特性、電氣性能、系統(tǒng)設(shè)計、易用性設(shè)計、制造工藝、售后服務(wù)這6個方面來進(jìn)行考量。
3.1 通過產(chǎn)品外部特性選擇:體積、模塊重量、走線方式、并柜方式等
體積:隨著大數(shù)據(jù)與云計算的發(fā)展,出于大規(guī)模數(shù)據(jù)運算與降低能耗的考慮,數(shù)據(jù)中心將越來越呈現(xiàn)集中化的趨勢。因此也要求UPS具備更小的體積、更高的功率密度、更靈活的安裝方式。占地面積小、單柜功率密度高的UPS將為用戶節(jié)省更多的機房租金。目前一般的模塊化UPS都可以做到功率柜單柜支持200kVA以上容量(約0.5~0.7m2,不包括配電開關(guān)柜)。
系統(tǒng)容量:系統(tǒng)容量與模塊大小以及模塊可并聯(lián)數(shù)量有關(guān),理論上來說,使用CAN總線方案,一條CAN總線上最多可以連接49個節(jié)點。(注:關(guān)于這個理論,可參考華為白皮書之《模塊化UPS并聯(lián)數(shù)量的討論》)但是考慮到模塊并聯(lián)越多,邏輯越復(fù)雜,因此建議一個UPS系統(tǒng)模塊數(shù)量建議不超過20個。
單模塊容量/重量:目前各廠家的功率模塊容量從10kVA到50kVA均有產(chǎn)品提供,某些廠家的同一UPS系統(tǒng)中還可以使用不同的功率模塊。較小的模塊容量意味著同等容量的系統(tǒng)中將會使用到更多的功率模塊,系統(tǒng)可靠性將會隨之降低(控制邏輯復(fù)雜、信號干擾增大,可能會因為單模塊故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障);而較大的模塊容量在系統(tǒng)容量較低時,可能會冗余不足或造成容量浪費(如60kVA系統(tǒng)容量,如果使用50kVA模塊,必須使用兩個,考慮冗余至少需要三個)。當(dāng)然,如果系統(tǒng)整體容量較大的話,也可以選用容量較大的功率模塊。模塊容量建議一般為20~40kVA比較合適。
從使用的角度而言,功率模塊重量不宜太大,一般建議小于40Kg,此時可保證兩人就能進(jìn)行安裝與維護(hù)。否則在安裝位于機柜上部的功率模塊時,必須使用機械進(jìn)行輔助操作,這將會增加安裝的復(fù)雜度并帶來工程成本的上升。
安裝方式:UPS的輸入輸出走線一般有下走線和上走線兩種方式(分別對應(yīng)防靜電地板和頂部吊裝走線架兩種場景)。用戶的實際使用環(huán)境多變,為降低工堪難度,應(yīng)要求模塊化UPS同時支持兩種走線方式。
同時對于一些空間面積有限的機房,或模塊化數(shù)據(jù)中心,UPS可能會靠墻或靠其他機柜安裝,因此模塊化UPS還應(yīng)具備完全前安裝、前維護(hù)的設(shè)計(部分廠家可能宣稱前維護(hù),但無法做到所有線纜的前安裝,用戶可根據(jù)實際需要提出這方面要求)。
并柜方式:模塊化UPS系統(tǒng)一般包括功率柜和配電柜(有時還有旁路柜)。有的廠家會將功率柜和配電柜作為一個整體進(jìn)行銷售,二者不能拆開獨立配置(可能使用銅排連接,或配電柜包括了監(jiān)控模塊、旁路模塊)。另外的廠家則可以提供一體化的功率柜,即一臺功率柜整合了監(jiān)控、旁路和部分配電的功能,可作為一臺獨立的UPS進(jìn)行銷售。用戶可根據(jù)實際需要進(jìn)行選擇,通常情況下,在機房已有配電柜時采購可獨立銷售的UPS功率柜可降低成本。
要注意的是,有些廠家宣稱的大容量模塊化UPS其實并非是一套UPS系統(tǒng),而是兩套UPS的并機系統(tǒng)。這種系統(tǒng)與塔式機的并機方式相同,具備兩套獨立的監(jiān)控與旁路系統(tǒng),因為不具備系統(tǒng)冗余,可能在某些場景下存在風(fēng)險(如逆變過載、旁路切換時兩套UPS不同步)。
舉例:某廠家模塊化 UPS 240kVA系統(tǒng),實為兩套120kVA 系統(tǒng)(每套內(nèi)功率模塊為:20kVA/個*6 個)通過并機線并機組成240kVA 的系統(tǒng),從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看,保留了單機系統(tǒng)的全部硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu),兩套120kVA 系統(tǒng)分別保留各自的監(jiān)控系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)和軟件控制的結(jié)構(gòu)。相互之間僅僅是通過并機線進(jìn)行并機而成。這種方式,無論是結(jié)構(gòu)還是軟件控制功能上,均不適合作為240kVA 系統(tǒng)存在。因此該系統(tǒng)僅適合作為單機架120kVA 系統(tǒng)使用。
系統(tǒng)并機能力:模塊化UPS與塔式UPS一樣,可并機臺數(shù)也是需要考量的因素之一。在用戶未來有擴容需求,而單系統(tǒng)模塊化UPS容量又不足時,應(yīng)要求廠家提供具備并機能力的UPS。并且為了提高并機系統(tǒng)的可靠性,應(yīng)同時要求并機UPS之間采用環(huán)形并機線纜連接,這樣可以避免單點故障對系統(tǒng)的影響,故障不會擴大化。UPS是否具備并機能力,也可作為對廠家設(shè)計能力的考量因素之一。模塊化UPS的并機系統(tǒng)可參考塔式UPS并機系統(tǒng)進(jìn)行配置。
圖3:環(huán)形并機線纜可避免并機通訊單點故障
3.2 通過電氣性能選擇:效率、諧波、均流度、功率因數(shù)、模塊休眠功能等
效率:如上一章節(jié)所述,選擇UPS時不僅要考慮最高效率,還要同時考慮系統(tǒng)在低負(fù)載率時的效率。模塊化UPS如果具備自動休眠功能,可提高低負(fù)載率時的系統(tǒng)效率。但低負(fù)載率時的效率仍可作為對廠家技術(shù)能力的考量因素之一。目前主流UPS廠家均可提供95%以上系統(tǒng)效率的中大容量UPS。系統(tǒng)效率指標(biāo)越高越好。
有些UPS還會具備節(jié)能模式,即UPS在電網(wǎng)質(zhì)量較好時工作在旁路模式,此時系統(tǒng)效率可高達(dá)99%。但此模式依賴于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)質(zhì)量,而且必須做到在電網(wǎng)質(zhì)量不符合要求時能夠快速自動切換回市電模式。如廠家宣稱提供該功能,應(yīng)同時要求提供切換時間參數(shù),一般應(yīng)小于5ms,可保證負(fù)載不中斷。在電網(wǎng)質(zhì)量不好的地區(qū)、或UPS為單路輸入負(fù)載供電時,不建議啟用該模式。
圖4:UPS系統(tǒng)實際工作效率與最高效率
諧波:因為采用了IGBT整流和PFC功率因數(shù)校正技術(shù),高頻UPS的輸入電流諧波(THDi)要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的工頻UPS。一般廠家的模塊化UPS都可以做到輸入電流諧波≤ 3%。而傳統(tǒng)的工頻UPS則要大于10%。
三相負(fù)載不平衡度:廠家提供的產(chǎn)品應(yīng)滿足YD/T 2165—2010《通信用模塊化不間斷電源》中5.3 規(guī)定的三相負(fù)載嚴(yán)重不平衡度≤3%的要求。
模塊均流度:模塊化UPS內(nèi)部因為有多個功率模塊并聯(lián)輸出,因此要保證各模塊都能輸出大小一致的功率,廠家提供的產(chǎn)品應(yīng)滿足YD/T 2165—2010《通信用模塊化不間斷電源》中5.3 規(guī)定的模塊輸出不均衡度≤5%的要求。
輸入/輸出功率因數(shù):采用了PFC技術(shù)的高頻UPS,一般輸入功率因數(shù)較高,可以做到0.99以上。輸入功率因數(shù)越高,代表電網(wǎng)輸入到UPS的電能中有用的部分所占比例越高,UPS對電網(wǎng)的污染也越小。輸出功率因數(shù)代表了UPS可以輸出的實際功率(kW=kVA*輸出功率因數(shù))。UPS的輸出功率因數(shù)也是負(fù)載的輸入功率因數(shù),目前IT負(fù)載的輸入功率因數(shù)一般可做到0.9以上,所以對模塊化UPS應(yīng)該要求輸出功率因數(shù)大于0.9才能更好的匹配目前的IT負(fù)載需求。輸出功率因數(shù)越高,說明UPS的輸出適應(yīng)負(fù)載的范圍越寬,自身帶載能力越強。
模塊休眠功能/節(jié)能模式:如上一章節(jié)所述,功率模塊休眠功能是模塊化UPS的特殊功能之一,該功能可以提升系統(tǒng)的整體效率,降低UPS自身損耗,因此模塊化UPS應(yīng)具備模塊智能休眠功能,系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載的實際大小自行決定開啟還是關(guān)閉功率模塊。
工作模塊數(shù)目由實際負(fù)載大小決定 不同模塊按一定時間順序輪換工作
圖5:模塊化UPS功率模塊休眠功能
另外在一些電網(wǎng)較好的地區(qū),用戶更希望UPS能提供節(jié)能模式(通過旁路供電,在市電情況不好時可以迅速切換到逆變模式)。因此模塊化UPS也應(yīng)同時具備節(jié)能模式供用戶選擇。
3.3 通過系統(tǒng)設(shè)計選擇:模塊控制方式、旁路控制方式等
功率模塊控制方式:模塊化 UPS 系統(tǒng)中各功率模塊之間需按照一定的控制方式來實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。目前功率模塊的控制方式主要分為兩種控制邏輯模式:集中控制邏輯模式和分散控制邏輯模式?刂品绞降牟煌謩e代表不同的技術(shù)流派,目前并無統(tǒng)一的觀點,此處僅做簡單介紹。
(1) 集中控制邏輯模式
集中控制邏輯需要一個獨立的集中檢測控制模塊單元(控制模塊),檢測市電的頻率和相位,然后向每個UPS 模塊發(fā)出同步脈沖,無市電時可由晶振產(chǎn)生同步脈沖,通過各個UPS 模塊的鎖相環(huán)控制來保證各單元輸出電壓同步。控制模塊還要檢測負(fù)載的總電流,然后除以并聯(lián)UPS 模塊數(shù)作為各個UPS 模塊均流的參考值,與各模塊電流比較后求出偏差值并調(diào)整各模塊輸出電流,達(dá)到均流的效果。
優(yōu)點:集中控制邏輯模式采用獨立的集中控制單元,控制邏輯層級清晰,各功率模塊之間不存在競爭關(guān)系,軟件邏輯可靠性較高。
缺點:如果該控制單元出現(xiàn)故障時,存在單點故障擴大化的可能。( 注:控制單元有冗余備份可避免單點故障)
(2) 分散控制邏輯模式
分散控制邏輯模式是將并聯(lián)控制單元做到每個模塊上,通過一定的方式(一般根據(jù)各模塊的排序進(jìn)行選擇)來選擇一個UPS功率模塊做主控模塊,其他模塊作為從控模塊。當(dāng)UPS 系統(tǒng)中的一個功率模塊出現(xiàn)故障時其余模塊仍可以工作,當(dāng)主控模塊出現(xiàn)問題時可通過切換來使得另外一個功率作為主控模塊,使系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。
優(yōu)點:分散控制邏輯模式不需要獨立的控制模塊,故不存在這方面的單點故障點。
缺點:因為主控模塊既要處理本身的信號,又要協(xié)調(diào)各模塊之間的信號,所以控制邏輯比較復(fù)雜,軟件邏輯可靠性不高。主控模塊故障后,會在剩余模塊中自動產(chǎn)生一個模塊作為主控模塊,該過程中也容易發(fā)生競爭失敗導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
功率模塊控制方式各廠家差異很大,并無明顯的優(yōu)劣差別。但為提高可靠性,各功率模塊之間的通訊總線應(yīng)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)或有冗余備份模式,以防止單總線故障引起模塊之間無法進(jìn)行通訊,造成系統(tǒng)故障。
旁路模塊控制方式:目前大容量模塊化 UPS 系統(tǒng)的旁路控制技術(shù)主要有兩種模式:1、系統(tǒng)集中旁路控制模式(UPS系統(tǒng)只有一套旁路系統(tǒng));2、系統(tǒng)分散旁路控制模式(UPS系統(tǒng)內(nèi)每個功率模塊都有一套旁路系統(tǒng))。從旁路控制所采取的器件,也可分為純半導(dǎo)體器件和綜合器件(半導(dǎo)體器件加機械裝置)兩種。集中旁路控制系統(tǒng)具有過載能力強,可靠性高的優(yōu)點,分散旁路控制系統(tǒng)則具有可擴容性高,成本低的優(yōu)點,但可能存在一定可靠性風(fēng)險。
圖6:分散旁路與集中旁路
對于分散旁路模式,表面上看因分散布置,類似于冗余設(shè)計,一處旁路故障,其它旁路仍可工作。實際上此種分散與冗余有本質(zhì)不同。因旁路器件分散,每處器件容量只是總系統(tǒng)旁路容量的1/N。且有器件一致性引起的均流等問題,導(dǎo)致靜態(tài)旁路耐受瞬間電流沖擊能力降低,系統(tǒng)可靠性降低。而模塊化UPS的易擴容特性,使得一般情況下系統(tǒng)的冗余容量大大減小,系統(tǒng)實際負(fù)載率理論上將使用到70%額定容量以上。采用分散旁路控制模式時,系統(tǒng)的總旁路容量是各模塊分旁路容量的總和。這會使得模塊化UPS的系統(tǒng)旁路容量實際上更加接近系統(tǒng)額定容量。一旦發(fā)生逆變器過載(可能發(fā)生在設(shè)備開機時),UPS將切換到旁路輸出模式,如果旁路容量不足以承擔(dān)負(fù)載,將會造成輸出掉電甚至UPS器件的損壞。而在某一功率模塊故障時,系統(tǒng)也會同時損失該模塊提供的分旁路容量,系統(tǒng)將存在更大的旁路過載風(fēng)險!另外的風(fēng)險還有,在向旁路模式切換時,各功率模塊必須保持時間上的嚴(yán)格一致,否則也同樣會因為部分功率模塊未及時切換造成系統(tǒng)故障!
因為分散旁路控制的種種缺點,建議用戶應(yīng)選用系統(tǒng)集中旁路控制模式(系統(tǒng)總旁路容量是固定的,不會因為功率模塊損壞而變化),并在初期規(guī)劃時就考慮好系統(tǒng)所需要的總旁路容量。
3.4 通過易用性設(shè)計選擇:操作方便、維護(hù)簡單、支持熱插拔、監(jiān)控屏幕等
熱插拔功能:根據(jù) 《YD/T 2165-2010 通信用模塊化不間斷電源》的定義,模塊化UPS應(yīng)由輸入配電部分、輸出配電部分、功率模塊、監(jiān)控模塊等組成。模塊具有以下屬性: A、機械上具有獨立的框架結(jié)構(gòu); B、具有完整獨立的功能; C、模塊之間應(yīng)能協(xié)同工作。
功率模塊 :包括整流、逆變、充電(可選)、功率因數(shù)校正和相關(guān)控制電路,功率模塊是UPS系統(tǒng)的主要模塊,UPS系統(tǒng)正常工作模式下具有熱插拔和并聯(lián)冗余工作功能。
監(jiān)控模塊 :其負(fù)責(zé)實時監(jiān)視 UPS 系統(tǒng)工作狀態(tài)、采集和存儲 UPS 系統(tǒng)運行參數(shù),故障記錄存儲和故障診斷,應(yīng)具有熱插拔功能。
由此可知,除了功率模塊外,監(jiān)控模塊也需要支持熱插拔,這樣才不會在監(jiān)控模塊發(fā)生故障時無法快速替換,而且監(jiān)控模塊在進(jìn)行熱插拔時不應(yīng)影響到系統(tǒng)的正常工作。
除監(jiān)控模塊之外,為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可維護(hù)性,還應(yīng)要求廠家提供旁路模塊熱插拔功能。尤其是采用集中旁路控制的模塊化UPS,因旁路系統(tǒng)的唯一性,更應(yīng)該具備旁路模塊熱插拔的功能,在旁路模塊被抽出時不能影響到系統(tǒng)的工作(部分廠家的UPS只有切換到維修旁路時才能進(jìn)行旁路模塊的替換)。
免撥碼開關(guān):部分廠家的UPS在安裝時需要在機器內(nèi)部調(diào)整撥碼開關(guān)(一般是功率模塊地址順序),對于不熟悉UPS的用戶來說,該操作很容易出現(xiàn)錯誤,難以體現(xiàn)模塊化UPS的易安裝特性。因此應(yīng)要求模塊化UPS具備功率模塊自動分配地址的功能,而無需手動設(shè)置。
統(tǒng)一的監(jiān)控:目前模塊化UPS監(jiān)控系統(tǒng)有兩種控制方式:
(1) 集中一體化控制方式
集中式一體化控制方式是系統(tǒng)內(nèi),僅有一套監(jiān)控系統(tǒng),所有工況及狀態(tài)集中監(jiān)視,集中管理。
(2)單機架獨立控制方式
單機架獨立控制方式是系統(tǒng)內(nèi)每一個機架均配置有各自獨立的一套監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)的工況及狀態(tài),受到每個獨立機架的監(jiān)控系統(tǒng)影響。系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整只能夠每個機架各自人工同步調(diào)整,再通過并機通信線組成大系統(tǒng),控制邏輯復(fù)雜。
模塊化UPS作為一個整體,應(yīng)像塔式UPS一樣具備獨立的監(jiān)控系統(tǒng),用戶可以通過監(jiān)控屏幕進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢、告警查詢等操作。而不用單獨對功率模塊或內(nèi)部的機架再進(jìn)行設(shè)置,UPS內(nèi)部所有功率模塊的狀態(tài)都可在監(jiān)控屏幕上進(jìn)行查詢。部分廠家的模塊化UPS系統(tǒng)可能存在多塊操作屏幕(甚至每個功率模塊都有一個),設(shè)置時需要逐個進(jìn)行操作,非常不方便。模塊化 UPS應(yīng)采用集中式一體化控制方式,以便集中化監(jiān)視管理,參數(shù)調(diào)整一步到位。不應(yīng)采用單機架、單模塊獨立方式。
除上述要求之外,模塊化UPS還應(yīng)具備一般UPS的通用特性,如支持各種通訊接口、可通過WEB訪問、能自動發(fā)送故障告警、可視化的網(wǎng)管平臺、能提供通訊協(xié)議與第三方網(wǎng)管系統(tǒng)互聯(lián)互通等。
3.5 通過制造工藝選擇:結(jié)構(gòu)件、導(dǎo)軌、三防漆、生產(chǎn)工藝等
結(jié)構(gòu)件的要求:模塊化UPS因功率密度較高,其機柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)件需要具備更強的承重能力,在一些特殊區(qū)域還應(yīng)具備一定的抗震能力。這時應(yīng)要求廠家提供抗震的加固組件,同時提供通過相關(guān)抗震測試的有效證明文件。對于內(nèi)部使用銅排進(jìn)行連接的地方,應(yīng)能滿足UPS最大通過電流,溫度的升高不應(yīng)超過正常范圍。
模塊化UPS因為需要對功率模塊、旁路模塊等進(jìn)行熱插拔動作,對模塊的工藝要求較高。如尺寸必須嚴(yán)格一致,否則會出現(xiàn)插不準(zhǔn)的情況;接插件必須經(jīng)過嚴(yán)格測試,防止多次插拔后出現(xiàn)接觸不良或變形等問題;同時為方便維護(hù),功率模塊插槽中還應(yīng)設(shè)置導(dǎo)軌,方便用戶輕松插拔功率模塊。另外還要注意結(jié)構(gòu)件邊緣是否光滑,維護(hù)操作是否方便等。
環(huán)境防護(hù):很多UPS在出廠后并不會立即投入使用,而是在代理商的倉庫中存放很長時間。尤其在一些地區(qū),如廣東、海南等地因為天氣濕熱、靠近海邊,長期儲存的機械往往出現(xiàn)銹蝕、霉斑等現(xiàn)象。另外在一些工礦企業(yè)或機房環(huán)境不好的地方,粉塵也會對UPS帶來影響,如堵塞通風(fēng)孔、造成內(nèi)部器件短路等。因此,一些質(zhì)量控制較好的廠家會通過對機器外殼做防銹處理,同時對內(nèi)部板件通過噴涂三防漆等工序來提升UPS抵抗鹽霧、腐蝕、粉塵的能力。在南方地區(qū)和UPS使用環(huán)境較差的地區(qū),用戶應(yīng)要求UPS生產(chǎn)廠家提供更高的防護(hù)工藝,如內(nèi)部主要單板噴涂三防漆等。
關(guān)鍵器件的要求:UPS使用較多的器件有IGBT、DSP、空開等。一般國內(nèi)小廠家為降低成本,可能會使用一些質(zhì)量較差的器件。因此對關(guān)鍵器件,應(yīng)要求廠家使用國際知名的大品牌產(chǎn)品,如ABB、施耐德等。一些重要的原材料(如電池、空開、功率器件等),還應(yīng)要求廠家提供相關(guān)采購證明材料,防止廠家以次充好。
3.6 通過售后服務(wù)選擇:廠家實力、交付能力、維護(hù)網(wǎng)點、備件采購等
UPS生產(chǎn)廠家眾多,產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊,用戶應(yīng)該如何選擇UPS的品牌?
首先,選擇有自研實力的廠家。UPS行業(yè)的銷售主要分代理銷售和廠家直銷兩種,其中代理銷售是中小功率產(chǎn)品的主要模式,大功率UPS一般采用廠家直銷或廠家配合代理商銷售的模式。因此應(yīng)區(qū)分代理和原廠的區(qū)別(有些代理商往往通過貼牌生產(chǎn),宣稱是自己的產(chǎn)品)。應(yīng)選擇大的代理商或廠家,以免后續(xù)使用出現(xiàn)維保糾紛。應(yīng)要求廠家或代理提供原廠證明文件,查詢廠家的人員規(guī)模、生產(chǎn)規(guī)模、銷售數(shù)據(jù)等信息。保證廠家提供的是自主研發(fā)產(chǎn)品,以免出現(xiàn)問題時廠家技術(shù)人員不能及時解決。
其次,選擇有售后能力的廠家。一般大的生產(chǎn)廠家會在全國各地設(shè)有服務(wù)網(wǎng)點(一些大公司在全球各主要國家都有服務(wù)網(wǎng)點),在故障處理速度、維護(hù)人員資質(zhì)上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于小廠家。如果是代理商銷售,應(yīng)要求代理商提供相應(yīng)的維護(hù)服務(wù),以及廠家授權(quán)的維護(hù)資質(zhì)等。
再次,選擇能長期合作的廠家。UPS行業(yè)競爭激烈,目前行業(yè)內(nèi)的收購與整合也愈演愈烈,不少實力不足的廠家都將面臨被吞并或出局的危險。如果用戶選擇了這些廠家的產(chǎn)品,以后的維護(hù)與備件采購將會非常困難。因此對于那些希望進(jìn)行長遠(yuǎn)規(guī)劃,注重穩(wěn)定合作關(guān)系的用戶,建議應(yīng)盡量選擇大公司大企業(yè)的產(chǎn)品。尤其是中大功率模塊化UPS,對技術(shù)要求較高,大廠家的產(chǎn)品質(zhì)量也更加值得信賴。對于采購額較大的項目,用戶可以提出對廠家進(jìn)行參觀的要求,在近距離觀察生產(chǎn)廠家的實力與水平后再決定是否采購。
3.7 用戶常見問題
1、旁路模塊是否需要支持熱插拔?
從可靠性的分析結(jié)果來看,在模塊化UPS系統(tǒng)中,旁路模塊是制約系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵點,因為集中旁路設(shè)計沒有冗余(分散旁路雖然可靠性高,但存在過載風(fēng)險)所以旁路模塊也需要支持熱插拔。
2、功率密度高會不會影響UPS散熱?
模塊化UPS一般在設(shè)計時會進(jìn)行嚴(yán)格的熱仿真分析,同時在研發(fā)階段也會進(jìn)行大量的實驗,測試機器各部位的溫度,保證UPS內(nèi)部器件熱均勻。功率模塊中一般會有風(fēng)扇進(jìn)行強制風(fēng)冷散熱,保證產(chǎn)品內(nèi)部熱量能夠及時散出。做得比較好的產(chǎn)品還會具備風(fēng)扇智能調(diào)速、風(fēng)扇冗余等設(shè)計,提升風(fēng)扇與UPS整體的可靠性。另外,可以查看UPS的工作溫度范圍,一般好的產(chǎn)品可以工作在更高的環(huán)境溫度下。
4. 總結(jié)
選用模塊化UPS要考慮多方面的因素,用戶可通過下表進(jìn)行快速選擇。
表5:模塊化UPS指標(biāo)評價表
延伸閱讀:
數(shù)據(jù)中心能源白皮書(一):UPS架構(gòu)的發(fā)展
數(shù)據(jù)中心能源白皮書(三):如何提升UPS效率
數(shù)據(jù)中心能源白皮書(四):零地電壓的產(chǎn)生與誤區(qū)
數(shù)據(jù)中心能源白皮書(五):隔離變壓器在UPS中的作用
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本文標(biāo)題:數(shù)據(jù)中心能源白皮書(二):如何選用模塊化UPS
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