当前位置: UPS电源 > UPS基础知识 > 中低压UPS系统混合解决方案

中低压UPS系统混合解决方案

文章发布时间:2011-04-23 09:26来源:upsclan.com 作者:upsclan 关注次数:

 

中低压UPS系统混合解决方案

1 大容量UPS的影响

  由上世纪70年代开发的并联冗余方案演变而来的UPS系统的设计,已经发展为"双冗余"系统,这是一个第IV等级(TierIV)的UPS系统设计的核心。在此之前的论文中提到,最为常见的UPS配置最少需要两套并联冗余的低压UPS系统来支持双母线开关,此开关装置用以支持两套PDU,PDU包含固态开关输入端子,由每套UPS系统或者两个独立的配电盘供电,并为双路服务器机架提供电源。每套UPS母线通常由4个4000A、750kVA/480V的UPS模块并联而成。这两套UPS系统通常以"N+1"冗余方式轮流工作,因此每套"双冗余"UPS系统的总负荷被限制为2,250kVA。正常运行时,每套UPS系统为50%的总负荷提供电力供应,导致每套UPS系统的负荷系数低至25%这种状况导致每套UPS系统的运行效率非常低下。导致这种低效率还有另一个原因,即冷却UPS系统的空调系统运行所造成的额外消耗。这些在评估业主的总拥有成本(TCO)时常常被忽略。以下阐述提高总体运行效率的方法。

  使用这种UPS解决方案来满足第IV等级的要求,并且每个UPS模块为750kVA,哪么对一个容量为2,250kVA的最大负荷来说,就需要使用8个750kVA的UPS系统(容量为6,000kVA)。这种解决方案可以按比例增加到更大的容量,但现今数据中心的高密度加大了实施这种方案的难度。图1为一个典型的低压UPS配置方案,其设施规模为20,000ft2.(平方英尺)的计算机机房,计算机机房的功率密度为200W/ft.(瓦/平方英尺)。

  由于功率密度较高,UPS系统需要为CRAC风扇提供电力,从而确保在市电事故期间计算机房的空气是流通的。因此,如果采用这样的设计方案保护高达4,500kVA的关键负荷时,则需要16个750kVA的UPS(总容量为12,000kVA)。当数据中心增长至更大的规模时,所需要的UPS系统数量和与之相称的UPS模块数量将飞速增长,这是非常不切实际的。表1显示了满足关键的计算机负荷所要求的UPS设备和系统的数量。再加上必要的负载要求的不间断电源保护,设计超过150W/ft2.,使得总的设计负荷完全超过采用大容量UPS系统这种方法的设计负荷。

  2 中压UPS解决方案

  2007年3月,在UptimeInstitute发表的一篇论文中提出了使用中压(通常为12.47kV)离线式(off-line)UPS系统设计一个100%冗余的UPS系统的理念。对于更高的工作电压,特别是大规模数据中心的主配电系统,允许设计更大规模的UPS系统,单个UPS系统容量可高达20,000kVA。

  由中压离线式(off-line)UPS系统为一个数据中心提供电力支持,系统规模大到足以支持整个建筑的负荷(包括计算机、机械系统和其它支持建筑物的负荷),加上两条供电线路的100%冗余,从而具有无可比拟的优势。在这个方案中,UPS系统充足的容量允许支持大型电机设备(冷却器)的定期启停,完全不用考虑因电机涌流而引起的暂态电压。中压UPS系统解决方案最大优点是运行效率很高,甚至在一个100%的冗余系统配置中,整个系统(包括UPS冷却损耗在内)的效率通常可到97.5%或者更高,而且通过较低的安装成木和减少维护费用来节省运行成本。通过图1和图2直接比较,显示线路载流量的急剧降低。图1中的低压解决方案(4×3,000kVA/480VUPS系统)需要4个UPS输入母线,每个为4,000A;同样需要4个UPS输出母线,每为4,000A。同样大小的UPS容量,在中压系统中只需要两个1,200A的母线,可以节省大量的铜线。

 

  3 变革的阻力

  关键任务设施的运行经理们都面临着这样的压力——接受“绿色”基础设施的设计理念,较低的能源消耗,减少如UPS这样的支持系统的成本。尽管有中压解决方案成功实施的先例,但使用离线运行方式配置,将大型数据中心的设计转移到中压设计方案上来,仍将是一个比较大的变革。

  为使运行经理们更加乐于接受变革,采取能支持大规模数据中心(l0,000kW,甚至更大)的设计方案,"混合UPS"解决方案的理念目前正应用到几个大型的关键任务设施的设计上。本文的目的就是阐述混合解决方案及其对行业变革所带来的益处。

  4 混合ups配置

  混合UPS的配置就是将传统的低压UPS系统(一般为480V)和中压UPS系统(一般为l5kV)简单地结合,采用两条母线设计来满足第IV等级的配置要求。此方案的优点是增加了中压UPS系统对机械支持系统重要元件的保护,并可以使传统的低压UPS系统作为计算机负荷的首选电源。

  在正常运行情况下,每个低压UPS系统以"N+1"的配置方式运行,中压UPS系统也以同样的方式运行,因为总的机械负荷低于系统总容量的50%。

  5 对运行效率的影响

  设计所有新的数据中心时都要考虑对整个基础设施的运行效率的改善。更高的功率密度要求对重要的负载提供UPS不间断供电保护。每个参与设计的人员都承认用传统的UPS系统为负载提供电源保护既不实际又浪费电能。2007年,一家于业内居领导地位的顾问工程公司发表了一份关于不同UPS技术的运行效率的详细技术报告。表2总结了其中的效率数据,他们根据冷却UPS系统的空调设备的能源损耗对数据作了调整,这些额外的能源损耗在设计数据中心的电源保护系统时往往被忽略。

  利用表2中的效率信息数据和混合UPS配旨,其实例就是一个为10,000kW计算机负荷按照混合方案设计的UPS总体效率的计算。这个实例需要5套低压系统(4×750kVA/675kW)和一套最小容量为l0,000kVA/8,000kW的中压系统。在此实例中,整个计算机系统负荷通常与传统的UPS系统连接,而且通常只有机械系统(CRAC单元、泵和冷却器)在中压UPS系统下运行。

  按照这个方法配置电源,应有5套"N+1"传统的UPS系统工作,占总体UPS容量的75%,从表中可知总体效率为89.4%。中压UPS供给所有的机械负荷,估计占整个计算机负荷的33%,或者3,333kW。对一个8,000kW的系统,相应的系统效率是(额定值的41.7%)97.8%。

  结合UPS保护的总负荷(10,000kW+3,333kW),加上必备的总输入电源(l,190kW+92kW)得到一个91.2%的混合UPS的总体效率,此系统的总体效率要比仅使用传统的UPS高出2%。

  更重要的是,仅用最小(92kW)的功率损耗,就为所有的机械系统增加了UPS保护。如果把计算机负荷的40%转换为中压UPS支持,其规模大到容量为12,500kVA/l0,000kW的中压系统,那么UPS总体效率将提高到93.3%,比仅使用传统的UPS时效率提高4%,每年电费单上将节省4,457,000kWh的电量。

  6 结束语

  现在可以选择越来越多的方法,用于用户关键负载电源系统的设计。而为了满足提高电源效率的要求,需要在控制整个系统成本和同时保持最高程度的电源可靠性之间寻求平衡,利用混合UPS解决方案则可以同时满足这两方面要求。本文的目的就是介绍混合设计的理念,这样可以将UPS保护真正地扩展到全部设施负荷上来,同时提高总体运行效率。对此方案进行更为详细的分析可以得出:节省整个电气系统的安装成本(回路减少50%的载流量)、减少UPS设备的安装空间(缩小整个UPS的体积),并降低UPS系统的维护成本。对于任何具体应用,都应把这些项目作为设计方案的部分加以分析考虑。

------分隔线----------------------------