如何選擇和配置UPS及其供電架構(gòu)

本文從用戶在UPS電源及其供電架構(gòu)的選擇和配置以保證可靠供電等方面進(jìn)行概述，試圖解決用戶的某些困惑。

作為負(fù)載用電可靠保障的UPS電源，在各行業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。UPS的研發(fā)和應(yīng)用已有幾十年的歷程，現(xiàn)有的各種品牌、機(jī)型和架構(gòu)為用戶提供了更多的選擇余地。而在實(shí)際案例中，有些用戶卻因選擇了不適合的UPS產(chǎn)品而對供電系統(tǒng)帶來隱患或造成經(jīng)濟(jì)上的損失。為此，數(shù)據(jù)中心的UPS電源及其供電架構(gòu)的選擇和配置值得令人關(guān)注。

施耐德電氣日前發(fā)布的《UPS如何選擇、配置和降低成本》白皮書，為用戶在選擇UPS和配置架構(gòu)時提供了更多的選擇。文章指出，由于面臨IT設(shè)備不斷增多、用電量加劇、機(jī)房空間緊張、節(jié)能降耗需求等挑戰(zhàn)，用戶在選擇UPS時，應(yīng)重點(diǎn)考慮適用性、可靠性和可用性、節(jié)能減排、運(yùn)維管理、成本等多方面因素。

根據(jù)需求選擇適用的UPS

隨著UPS技術(shù)的成熟與進(jìn)步，行業(yè)廠商開發(fā)并提供了工頻機(jī)型、高頻機(jī)型、模塊化機(jī)型和專用工業(yè)機(jī)型等多種UPS。用戶可以根據(jù)自己的需求選擇適用的機(jī)型。

單相或三相UPS的選擇

根據(jù)UPS要保護(hù)的負(fù)載以及設(shè)備的電壓范圍或功率值，就可以確定是需要單相還是三相UPS。通常情況下，20kVA或更低的負(fù)載可以采用單相UPS，而功率較大的負(fù)載則需要三相UPS。

如果確定采用三相UPS，那么需要確定使用三相輸入/單相輸出配置還是三相輸入/三相輸出配置？這與負(fù)載類型有關(guān)。數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器等IT設(shè)備通常使用單相電源，如磁共振成像系統(tǒng)(MRI)等醫(yī)療設(shè)備或大型工廠車間機(jī)器可能使用三相電源。

在需要三相輸入/三相輸出UPS的情況下，負(fù)載平衡問題將會很棘手。例如在石油天然氣等行業(yè)中，不希望花費(fèi)更多的精力去處理其負(fù)載平衡的問題，因此通常選用三相輸入/單相輸出UPS。

另一方面，使用三相輸入/三相輸出的優(yōu)勢在于可以采用集中式電源保護(hù)方案，使用一臺大型UPS用于保護(hù)整棟建筑物或一組關(guān)鍵電路。從這個意義上講，可以簡化用戶的電源保護(hù)方案。

如何確定UPS和電池容量 1

UPS的容量

根據(jù)所保護(hù)的負(fù)載的能耗確定UPS容量。UPS基本容量E與負(fù)載能耗P的關(guān)系如下：E≥1.2P應(yīng)考慮其運(yùn)行時不超過其額定容量的60％至70％，出于安全性和將來擴(kuò)容的需要，實(shí)際上40％至50％更常見。

2

電池的容量

電池容量的計算可按恒電流法或恒功率法進(jìn)行計算。

一個粗略估算法如下：

UPS功率（VA）×后備時間（h）÷UPS啟動直流電壓（V）=電池容量（Ah）

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后備時間的選擇

當(dāng)市電中斷時客戶所需后備時間的長短取決于現(xiàn)場是否有發(fā)電機(jī)。如果現(xiàn)場有發(fā)電機(jī)，那么在發(fā)電機(jī)啟動之前，客戶只需要一兩分鐘的延時來為負(fù)載供電即可。如果現(xiàn)場沒有發(fā)電機(jī)，UPS將單獨(dú)為負(fù)載供電，必須確定客戶需要多長時間。

功能的選擇

UPS供電系統(tǒng)所具備的功能對于系統(tǒng)的運(yùn)維管理來說是相當(dāng)重要的。用戶所關(guān)注的功能主要有：遠(yuǎn)程管理、自動關(guān)機(jī)、冗余、斷電通知、電池更換警告、環(huán)境監(jiān)控、狀態(tài)顯示、事件日志等。

UPS的供電架構(gòu)配置

按可靠性高低依次增加，UPS五種供電架構(gòu)配置如下：

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滿容量或N設(shè)計

N系統(tǒng)包括單個UPS或一組UPS，其容量與關(guān)鍵負(fù)載容量相匹配，如圖1所示。

N冗余配置的缺點(diǎn)是如果UPS出現(xiàn)問題，負(fù)載可能不會得到保護(hù)。特別是在具有多個模塊的三相UPS中，這種結(jié)構(gòu)帶來了多個單點(diǎn)故障的風(fēng)險。

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串聯(lián)冗余

通過隔離冗余配置，主UPS通常為負(fù)載供電，而第二級UPS則為主UPS的靜態(tài)旁路供電，如圖2所示。這要求主UPS具有用于靜態(tài)旁路電路的單獨(dú)輸入。如果主UPS所帶負(fù)載切換到靜態(tài)旁路，那么第二級UPS會立即承載全部負(fù)載，而非將其轉(zhuǎn)移到市電回路。該設(shè)計提供了一種增加冗余而無需完全替換已有UPS的方法。但其復(fù)雜程度大為提升，增加了更多的器件，引入了新的故障風(fēng)險，從而導(dǎo)致可靠性降低。

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并聯(lián)冗余（N+1）

并聯(lián)冗余配置由多個容量相同的UPS并聯(lián)運(yùn)行并提供公共輸出總線。如果“備用”UPS容量至少等于一個UPS的容量，則該系統(tǒng)被認(rèn)為是N+1冗余，如圖3所示。與串聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)相比，故障概率較低，因?yàn)樗蠻PS始終在線運(yùn)行。這也是一種更簡單、更具成本效益的結(jié)構(gòu)。

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分布式冗余

分布式冗余設(shè)計是在20世紀(jì)90年代后期開發(fā)的，用以提供完全冗余的能力而無需增加相關(guān)成本。這種設(shè)計通常用于大型數(shù)據(jù)中心，尤其是金融機(jī)構(gòu)。此設(shè)計將用到3個或以上帶有獨(dú)立輸入和輸出饋線的UPS，輸出總線通過多個PDU連接到關(guān)鍵負(fù)載，在某些情況下還連接到靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）。STS有兩個輸入和一個輸出。其通常接受來自兩個不同UPS的電源，并為負(fù)載提供來自其中一個UPS的電源。如果主UPS發(fā)生故障，STS將在大約4到8毫秒內(nèi)將負(fù)載切換到輔助UPS，從而始終為負(fù)載提供電源保護(hù)。

這種方案效率較低，因?yàn)閁PS通常在遠(yuǎn)低于滿載的情況下運(yùn)行。如圖4所示。

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系統(tǒng)+系統(tǒng)（2N，2N+1）

“系統(tǒng)+系統(tǒng)”模型是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最可靠的設(shè)計。該設(shè)計可以組成一個可能永遠(yuǎn)不需要將負(fù)載切換到市電的UPS系統(tǒng)，因?yàn)檫@個設(shè)計旨在消除所有可能存在的單點(diǎn)故障。

與分布式冗余方案一樣，對于如何配置系統(tǒng)+系統(tǒng)模型存在許多選項(xiàng)，其中還包含多種架構(gòu)，其中包括：串聯(lián)并行、多并行總線、雙端系統(tǒng)、2（N+1）、2N+2、[（N+1）+（N+1）]和2N。根據(jù)用戶的需求，其架構(gòu)設(shè)計可能很簡單，也可能非常復(fù)雜。

該設(shè)計需要兩路供電來支持所有關(guān)鍵負(fù)載，并實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)的進(jìn)入端一直到末端，即關(guān)鍵負(fù)載端的完全冗余。

毫無疑問，由于冗余組件的數(shù)量及其較低的能效水平，系統(tǒng)+系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計在五個系統(tǒng)中成本最高。但考慮到其所保護(hù)負(fù)載的重要性，這種設(shè)計的高成本是合理的。實(shí)際上，許多大型企業(yè)都使用這種設(shè)計來保護(hù)他們的關(guān)鍵負(fù)載。

結(jié)束語

綜上所述，提出如下建議：

1

在選擇和配置UPS及其供電架構(gòu)時，不要過分追求降低前期建設(shè)成本，要選購知名廠商的UPS和電池。要著眼于降低后期的運(yùn)行和管理成本，盡快收回前期建設(shè)的投資；

2

鋰電池的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)已成為業(yè)界技術(shù)潮流，不管在動力或儲能領(lǐng)域，應(yīng)充分重視鋰電池的安全性。

隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的不斷發(fā)展，對于供電質(zhì)量要求也明顯提高，隨著電子器件和技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，使UPS在控制、結(jié)構(gòu)、管理體系方面得到了加強(qiáng)和完善。只要用戶根據(jù)自己的需求，充分了解各種品牌的技術(shù)特點(diǎn)和系統(tǒng)方案，一定能選擇到最適合的UPS以及供電架構(gòu)。