某數據中心的UPS配電設計及運行分析

鄒皖峰， 張秋宏

(中郵信息科技(北京)有限公司，北京 100808)

0 引言

數據中心作為大型企業、政府、銀行等行業的信息化建設內容，是實現數字化、智能化、集中化的重要支撐，尤其是供配電系統的長期、穩定、綠色運行，是設計和運維工作的重中之重。而UPS作為供配電系統的主要配電設備，其系統架構、產品性能直接影響系統的運行效果。本文通過對某個數據中心UPS的設計和運行進行分析，診斷供配電系統的“健康”情況，為數據中心從業人員提供參考。

1 項目概況

本數據中心位于北方地區，海拔52m，年平均氣溫為11.6℃，溫濕度適宜，電器使用條件屬于一般環境。機房主要功能如表1所示。

機房主要功能分布表 表1

從表1可知，建筑6層，高度35m。其中，2～5層為主要生產機房，層高約為5m。每層6個模塊，每個模塊約容納140個機柜，機柜按3kW估算。模塊機房分期建設，現已全部投入運行。

2 系統架構

本工程機房等級按A級機房設計，服務器機柜、空調等為一級負荷的特別重要負荷，按文獻[1]要求，UPS配電系統采用了2+2雙總線冗余并機模式，帶維修旁路，圖1為某個機房模塊的UPS供電系統。

圖1 UPS配電系統架構示意圖

從圖1可知，本設計的系統架構為2N，N表示基本需求。當其中任一條總線的UPS系統故障或需要檢修時，由另一條總線的UPS為所有負載供電。在運行時，當負載低于25%時為2(1+1)，任一條總線UPS系統中的一臺UPS發生故障或檢修時，仍然可以由該總線內另一臺UPS為該總線UPS承擔負載供電，而無需由另一條總線UPS為其供電；當負載率為25%～50%時，轉變為2N架構。

因模塊機房內的服務器等均為雙電源設備，每排服務器機柜可采用雙列頭柜電源配電，列頭柜電源進線由UPS出線柜配出電源。此方式消除了系統末端配電的單點故障。

3 配電柜及區域分布

配電系統架構建立后，下一步便是對系統的配電房間以及配電裝置進行規劃布置。本工程從電源側到負載末端可以分為4個區，每個區設置的配電設備如圖2所示。

圖2 配電系統空間區域分布

在規劃設計中，有以下幾點需要注意。首先，高低壓變配電室的設置級數多少的原則。根據文獻[2]的4.0.6要求，系統應簡單可靠，同一電壓等級的配電級數高壓不宜多于兩級；低壓不宜多于三級；配電室設置級數多，配電靈活性會好，停電范圍小。配電級數少，運維方便，系統穩定性好。其次，高低壓配電室的空間預留。很多數據中心的機房模塊不是一次建成，而是分期進行建設。在進行擴建時，每個區域的空間都有可能增加設備或回路。比如，變配電室區可能會因增加機房模塊而增設變壓器及低壓配電柜，如果一期空間條件不足，將會對后期的設計和運維造成困難和不便。有時是因為建設方基建和工藝分屬兩個部門，兩者的需求對接不夠導致。因此，在設計前期應仔細收集兩部門的需求，整體考慮，科學規劃。

現對UPS供配電系統的樓層配電區進行介紹。該區域包括總配電柜進線柜、UPS進線柜、UPS主機、UPS出線并機柜、UPS出線柜及配套蓄電池等。每個機房模塊的2N配電由1個層配電室、2個UPS室、2個蓄電池室組成，圖3為該區的平面示意圖。

圖3 樓層配電區平面示意圖

機房模塊內每排服務器機柜配置2個列頭柜，電源分別由2個UPS室的UPS出線柜提供。蓄電池室和UPS室也考慮物理隔離，分別設了2間。通過這樣的空間布局，保證了雙電源系統不但在系統上進行了隔離，而且在空間上也進行了隔離，提高了供電的安全可靠性。

4 UPS運行特性

UPS參數主要包括輸入電壓、輸入功率因數、輸入電流諧波成分、輸入/出頻率、過載能力、峰值系數、并機不均衡度等多個指標，具體要求可參考文獻[3]。不同UPS機型、負載特性對配電系統的運行狀態都會有影響。本文結合運行情況，對UPS電網特性進行分析。

4.1 容量計算

通過對服務器機柜的實測，發現功率因數基本達到0.93以上，但出線回路多呈容性。這主要由于服務器等電子設備的開關電源多采用單相功率因數校正電路PFC，該電路雖然提高了功率因數，但也因PFC配備的電容導致服務器負載偏容性。這直接影響了UPS的帶載能力。因為有些UPS在被生產時，其輸出側的濾波電容器按感性功率因數0.8設計，部分產品的帶容性負載能力達不到設計容量。因此，在UPS容量參數選型時，除了按照規范要求，采用1.2倍電子信息設備的計算負荷計算，建議在設計說明中，注明功率因數為容性0.8時UPS的設計容量。

4.2 工頻機和高頻機的選擇

目前，市場上的UPS使用以工頻機和高頻機為主。本工程工頻機和高頻機均有使用，每臺容量為300kVA，其中，工頻機采用6脈沖、12脈沖工頻機兩種。通過運行發現，同樣UPS負載率，300kVA工頻機負載損耗較大，效率約90%，而高頻機的損耗非常小，效率約94%，如表2所示。

工頻機與高頻機效率對比 表2

從節能方面考慮，許多地方已出臺對PUE的限制要求，高頻機不論在功率因數還是在自身損耗上，都要比工頻機要節能。

但從穩定性上看，工頻機采用隔離變壓器和SCR，耐沖擊度較好；但相比高頻機，因為工頻機中性點與地線在隔離變壓器后重新建立連接點，零地電壓低。另外，高頻機控制電路復雜，尤其是帶APF功率校正電路的UPS，雖然在單相小容量的計算機負載上運行穩定，但在三相電源UPS治理上有待提升。從目前運維情況看，因負載率較低，不論UPS帶半載還是全載，兩種UPS的運行穩定性均較好。當下針對數據中心用UPS的生產廠商，基本以生產高頻機為主。再次，工頻機和高頻機在功率因數和諧波特性上，有著明顯不同。本工程采用了3種UPS(ABC)，表3截取了某一月的平均運行數據。

UPS輸入側電力運行參數表 表3

從表3中可以發現，在負載率相差不多的情況下，A比B的諧波電流畸變率大，功率因數低；而高頻機C的輸入、輸出功率因數可達到0.95以上，諧波電流畸變率也較工頻機要好。這主要是因為工頻機采用晶閘管整流，產生的諧波比較大，而高頻機輸入側因采用IGBT整流方式，諧波的抑制較好。因此，從電能質量特性上看，高頻UPS明顯優于低頻機。依據文獻[6]的6.3.5、6.3.6要求，滿載負荷時，輸入電流畸變率宜小于5%，輸入功率因數應大于0.93；半載負荷時，輸入電流畸變率宜小于7%，輸入功率因數應大于0.9。從表2情況可知，高頻機的參數特性滿足規范要求，而工頻機的功率因數和輸入電流畸變率未達到要求，需要采取相應措施。

4.3 工頻機UPS諧波及功率因數治理

事實上，工頻機功率因數低，部分原因是由于工頻機中的大量諧波導致。從理論上說，諧波是無功負載，間接影響功率因數。功率因數和諧波之間的關系，通過式(1)～(3)可推導式(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中，cosφ為功率因數；THD2為總電流諧波畸變含量；cosφ1為基波相位差；THDI為3次以上諧波總電流和基波電流的比值。可見，THDI越大，功率因數PF越小。從表3的6脈沖和12脈沖工頻機的THD和功率因數對比，也反應了此情況。治標治本，諧波治理好，功率因數自然可提高。

諧波的治理主要有兩個措施：(1)通過UPS產品配套的輸入、輸出端的無源濾波器，進行諧波治理；(2)通過在UPS進線側的并機母線上，配置有源電力濾波器APF進行治理。對于上述兩個措施，是否有必要同時使用？通過運行發現，雖然UPS正常運行時諧波得以治理，但是在UPS過載轉旁路情況時，該回路上無諧波治理裝置，其諧波并不能得到治理。因此，對于重要機房宜在UPS電源側設置APF。

通過上述措施，其諧波及功率因數的得到了一定優化。但是，在運行中發現同為工頻機，其輸入側確呈容性和感性區別。下面對此種情況進行分析。

4.4 UPS的容性感性情況分析

從表4中可以看出3個現象：(1)工頻機A呈容性，而工頻機B呈感性；(2)工頻機A的容性越大，輸入電壓越大，有時甚至會出現過電壓報警。(3)工頻機A的負載率越大，功率因數越高；工頻機B的負載率越大，功率因數反而越低。A、B機型在半載以下，功率因數均未達到規范要求的0.9。

工頻機UPS輸入側電力運行參數表 表4

對于6脈沖工頻機呈容性且電壓高的現象，主要由于工頻UPS配套的濾波電容柜按滿載容量設計，現階段UPS處于輕載狀態，其濾波電容過大導致。當負載率提升后，線路上的感性電流升高，與容性抵消，提高了功率因數。

而正因為容性過高，將會導致UPS電源側的電壓升高。電壓和電容容量的關系可參考式(5)

(5)

式中，ΔU為母線電壓升高值，V；Ub為電容器投入前的母線電壓，kV；Sk為電容器安裝處的母線短路容量,kVA；Q為母線上運行的所有電容器容量,Kvar。可見，并聯的電容越大，母線電壓的升高值越高。而過高的電壓會導致電容器長期過載運行，使其內部介質產生局部放電，造成損害;也會因為柴發的帶容性能力較弱，導致在柴發啟機困難。

對于12脈沖工頻機B呈感性，恰恰相反，由于UPS的輸入側設計的濾波電容器較小引起。當負載率上升，電流增大，隨之通過電感的感性電流增大，功率因數降低。

為了達到規范要求的半載功率因數0.9的要求，有兩個解決方案。(1)在項目運行初期，系統多處于輕載狀態，可通過切斷UPS前置的濾波電容柜，降低電源側容性。該濾波電容柜的諧波治理功能，由UPS電源側母線上的有源濾波器APF承擔。等到后期負載率上升時，再投入濾波器裝置。(2)在變壓器低壓側母線，并聯靜止無功發生器SVG。SVG與APF都是基于電力電子技術的有源電能治理裝置，能實現動態補償。APF側重于諧波的治理；SVG側重于功率因數的治理，且既能產生無功也能吸收無功。通過SVG+APF的組合，可實現UPS電源側的連續、動態地功率因數補償和諧波電流治理。此時，在APF的額定電流滿足諧波容量要求的情況下，UPS前端的濾波電容回路可取消。

當變壓器只帶為IT服務器供電的UPS設備時，SVG+APF可安裝在變配電室的低壓母線上，也可將APF后置安裝在UPS電源側的并機母線上。

5 結束語