數據中心多模式配電系統

數據中心行業組織如綠色網格協會強烈推薦使用最新的多模配電系統技術，以使運行效率能夠達到98%～99%的範圍，而舊的，傳統的單模UPS系統操作的運行效率則在93%～95%的範圍內。目前，約50%的大型UPS系統製造商均已開始採用多模技術快速轉換邏輯。這種類型的UPS很有可能將在未來五年獲得大幅增長。

何謂多模UPS系統？
多模UPS系統能夠爲數據中心運營商提供兩種工作模式的選擇：其一，雙轉換模式，可提供優質的電力保障，以及多模或稱“經濟模式”，其提供了優質的工作效率。當企業用戶選擇多模式作爲默認的操作模式時，能夠幫助他們實現98 %到99%的效率，如果在UPS輸入檢測到電源異常，UPS系統會在不到兩毫秒的時間內自動轉移到高級保護模式。在美國，電源異常對於信息技術（IT）的關鍵負載是有害的，其時長通常佔到每年總運行時間的僅三成，因此操作模式之間切換將最有可能是全年最小的。
雙轉換模式是典型的電源保護模式，已經在大型UPS系統中存在幾十年了，但它的致命弱點在於其工作效率一直維持在93%～95%的範圍內。今天的用戶要求更好的UPS的運行效率和較低的總擁有成本（TCO），同時又不犧牲充足的電力保障。這便是多模UPS發揮其用武之地的時候了。
一項由Frost & Sullivan的研究顯示，僅僅通過採用多模UPS系統，並在大部分時間運行多模UPS系統，一家佔地面積達50000平方英尺的數據中心可在10年左右的時間裏實現能源消耗節約達310萬美元。這些節約來自於UPS系統本身能耗的減少和散熱、通風和空調（HVAC）系統用於克服UPS系統排熱的能耗的下降。隨着能源成本持續上升，多模的UPS所帶來的能源節約會隨着時間的推移越來越多。
除幫助降低總體擁有成本之外，多模的其他好處
除了降低總體擁有成本和能源消耗的好處之外，多模式的UPS還提供了其他好處。這種技術提供了“智能”水平的輸入功率監控，其中UPS將記錄輸入電源異常導致的多模傳輸到雙轉換模式下的數量和頻率。過度或頻繁電源異常將在UPS“鎖定”多模式一段時間，採用公共市電一段時間以使其穩定下來。因此，多模式UPS系統能夠就關於何時使用多模或雙轉換模式做出智能、實時、邏輯的決定，以最大限度地保護關鍵負載，而不犧牲經營效率。
多模式UPS系統的第二個好處是延長零部件壽命。在多模操作中，許多UPS模塊組件在低電流，低溫度範圍環境下運行，從而使壽命延長。其他組件，如風扇，根本不再使用。多模UPS製造商期待大部分組件最低能達到一到兩年的壽命延長。
多模UPS系統的第三個優點是輸出故障的緩解。任何UPS輸出短路或過載大會很快被上游攔截保護，而不會影響UPS系統運行模式的任何內部轉換處理。這些UPS輸出故障將直接放在“軟”UPS逆變電源代替其源阻抗。
一些製造商，如通用電氣關鍵電源業務，在他們的多模系統設計了額外的獨特功能，GE將其稱爲eBoost技術。這些功能包括在經濟模式下電源路徑提供功率調節的電平，在這種高效率的模式下利用一個線路電抗器；具體而言，它減輕了高頻“增援”事件和低頻率“環波”，使轉移到雙轉換模式將被最小化。該反應器的設計還允許高達 +/-25%的電纜長度差，用於多UPS模塊佈線的並行輸出總線。這種電纜長度差還提供落地式佈局設計，提高了靈活性。其他一些UPS製造商必須保持電纜長度差爲+/-10%或UPS的功率風險降額或排除不當並聯UPS的運行。
如上所述，在多模UPS系統下，可以使企業用戶的營業費用減少（OPEX），再加上額外的優勢，爲數據中心用戶在可預見的未來採用該UPS技術提供了許多令人信服的理由。多模UPS技術也應考慮其他關鍵任務和/或關鍵工序的應用，特別是225kVA以上的大功率應用程序，其能源消耗是一個關鍵問題。
注：除非另有說明，本文中所引用的數據，均是基於行業標準的信息或由GE在其關鍵電源系統的部署中收集的數據。在這篇文章中引用的結論並不承諾性能保證或特定的結果，個別情況可能會根據規格和操作條件的不同而有所變化。

配電系統：與數據中心技術一起發展演進

配電系統，幾十年來一直是數據中心配電架構的主要組成部分。
2011年到2015年，在企業將其數據中心外包給主機服務供應商或託管數據中心趨勢的帶動下，PDU、配電設備等技術的市場得到了迅速的發展。

容量爲75-225 kVA的PDU逐漸佔據了150-300 kVA PDU的市場空間。
在接下來的兩年中，容量爲400-650 kVA的PDU的應用將越來越普遍，一些託管數據中心甚至將會採用更高容量的PDU。
隨着市場競爭越來越激烈，託管數據中心的發展開始推動總體擁有成本（TCO），足跡/密度，資本支出，以及上市速度的提升和上漲。
如今，原始設備製造商（OEM）的技術進步使數據中心運營商在資本支出和空間方面受益匪淺，1 MVA 以上的PDU開始在大型數據中心的低壓配電架構中採用。
由於PDU的變壓器主要採用鋁材或銅材，生產廠商正在推出成本更低的採用K係數變壓器的PDU.另外，一些具有強大的磁性工程能力的製造商推出了多輸出變壓器的PDU，這種PDU具有在數據中心的客戶需求改變後，其輸出電壓可以在數分鐘內改變的優點和特性。
爲了更好地滿足客戶的安全需求，製造商對PDU的容量進行劃分。
這種劃分允許採用不同的電弧閃光的能量進行計算，以便維護人員在數據中心設備的低功率區域能夠更方便地進行操作。
它們還通過創新的機械和電氣設計來對斷路器或子饋電進行劃分，以便在增加電路時實現更高的安全性。
如今，PDU的可靠性越來越重要。
隨着要求的提高，PDU的功率輸出越高。
原始設備製造商（OEM）將溫度監測產品部署在PDU中，可以提供任何問題的預警。
此外，還部署紅外掃描設備進行紅外掃描，這種措施不會中斷正常操作，或讓維護人員面臨任何風險。
近年來，OEM廠商將客戶需求轉換爲定製設計PDU的能力得到了明顯的提高。
與容量爲75-300kVA的PDU不同，高功率的PDU總是需要進行定製設計，以適應每個數據中心的獨特架構和設計。
由於大功率的PDU需要定製，OEM廠商必須對其框架進行創新設計，並且設計的時間越來越短。
其他的技術創新還包括採用新材料和消除電弧的固態電子元件的斷路器。
但是，在其變得經濟可行之前，他們必須降低成本。
數據中心在其體系架構中所做的工作
一些規模非常大的數據中心正在考慮或已經採用非正統的配電架構。
其例子包括：
通過數據中心IT機架運行中壓設備，降低成本。
爲了降低故障電流。
使用大於8％的變壓器阻抗的設計，當需要功率非常高的PDU時，可採用這樣的設計。
採用基於電抗器的PDU，將可用的故障電流降低到10kA，並濾除諧波。
劃分安全的區域，提供"按需成長"的型號，這是在託管設施中常見的情況。
支持母線集成，優化設備機架的交直流設備。
擴展子饋線，支持更大容量的PDU。
在某些情況下，數據中心運營商發現需要消除PDU變壓器的諧波，因此採用不同的措施進行消除。
一般來說，只有規模較大的大型運營商纔會嘗試完全不同的配電架構。
如何選擇PDU供應商
數據中心選擇PDU供應商時，需要注意他們的這些屬性：具有強大的內部磁性工程能力，可幫助優化PDU以適應數據中心的設計；
垂直整合PDU OEM廠商具有製造內部變壓器的能力；
PDU供應商的變壓器和PDU中具有高可靠性的記錄；
包括在其架構中使用主要系統的數據中心的靜態開關（STS）的投資組合；
以及擁有自己的分支電路監控系統，能夠優化其與PDU的兼容性。
雖然PDU產品已經存推出了數十年，但它們的設計和製造方式正在改變，以滿足數據中心的更高需求。
隨着數據中心運營商的需求不斷髮展，專注於PDU生產以及優化PDU性能的周邊產品的供應商將在未來一直保持持續的發展。

数据中心配電系統的选择及控制

1 數據中心配電系統架構及等級分類
典型的數據中心供電系統由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及發電機組等設備組成，其中UPS的主要作用是在市電電源中斷、發電機啓動之前，確保所帶負載的持續供電。

2  數據中心對發電機組的要求
數據中心持續功率（DCC）在柴油發電機組行業內的應用持續增長。
DCC應用作爲數據處理中心（DPCs）電源的一種可替代電源，它的特性使它能滿足數據中心設施對可靠性和可用性的需求。
Uptime Institute規定應急電源需滿足TierⅠ或TierⅡ，替代電源需滿足Tier Ⅲ或Tier Ⅳ要求。
要被認爲是可替代電源，並滿足Uptime Institute Tier Ⅲ和Tier Ⅳ的要求，則該發電機組必須在主電源發生故障時能提供持續電力。
這意味着發電機組容量能在要求的負荷水平下提供持續電力而不受時間限制。
可以從以下幾個方面來選擇最適合
數據中心項目的發電機組：
（1）主電網的可靠性、數據中心所存數據的敏感度
如果主電網足夠可靠，或數據中心處理的數據敏感性要求較低，或不嚴格要求數據的實時可讀取性，那麼數據中心設施的有效性百分比將降低，它們會被歸類爲Uptime Institute Tier I或Tier II.這時會根據發電機組的備用功率來選擇發電機組作爲備用電源，以減少安裝費用。
（2）發動機及發電機的選擇
作爲電力供應的動力源，發動機的重要性不言而喻；
不但要考慮通用的環境因素（溫度、海拔）、啓動冗餘（雙啓動馬達、雙啓動蓄電池，或氣動、彈簧啓動）、通風散熱、發動機水加熱等；
還要結合數據中心的要求來選擇發動機及發電機。
發電機組行業主要的發動機製造商新發布了一個新的功率定義——數據中心持續功率（DCC）。
發動機生產商用DCC定義來保證發動機運行不受時間和平均功率百分比限制。
發電機組的連續負載能力、可靠性、突加載能力是最核心的要求。
（3）智能冗餘控制系統
控制系統作爲發電機組運行的大腦，肩負着自動開關機、同步並聯帶載、負載分配（有功、無功功率均分）、功率管理、保護、數據傳輸等功能。
所以控制系統要做到充分可靠及冗餘控制（控制冗餘、通訊冗餘）。
3 發電機組冗餘控制及案例分析
冗餘控制器是一種熱備份的應用，防止系統崩潰導致機組不能正常運行，在實際應用中當用主控制器出現故障時備份控制器可以無縫接替主用控制器的當前工作狀態，確保系統高可靠運行。
冗餘控制的重點在輸出信號、輸入信號以及參數設定；
冗餘系統中的主、備用控制器通過CAN總線通訊；
備用控制器通過CAN總線週期性的向主用控制器發送信息，以評估主用控制器的狀態。
當主用控制器出現問題時，備用控制器會通過二進制輸出點來控制外接繼電器，瞬間將主用控制器的輸出信號切換到備用控制器的輸出口上，主用控制器故障到備用控制器投入時間最多200ms.
4 結束語
數據中心處理的數據越敏感，就越需要可靠的電力設施爲設備提供持續電力。
由於發電機組是構成這類設施的一個基礎部分，所以在選擇數據中心發電機組時要依據Uptime Institute制定的標準來選擇，依據備用功率來設計容量大小時，需滿足Tier I和Tier II要求；
滿足Tier III和Tier IV的要求，發電機組則必須依據它的DCC功率來選擇容量。
同時發電機組智能控制系統需具有熱備份、冗餘控制功能，確保供電系統的可靠性、穩定性。

現代數據中心配電系統規劃設計

配電系統，隨着功率半導體器件和電力電子技術的進步，UPS設備經歷了由帶多個輸出工頻變壓器到單個輸出工頻變壓器的演變過程，而性能更好的大功率IGBT器件和更先進的控制技術的出現，爲UPS設備從根本上去掉輸出隔離變壓器創造了物質條件，使其在高頻化、小型化、節能化和綠色環保化方面取得了長足的進展，這就是人們所說的“高頻機”。這種機型集中體現了UPS電路技術的進步，代表着UPS技術的發展方向。與傳統的帶輸出變壓器的UPS相比，它在進一步縮小體積、減輕重量、改善性能、提高效率、降低成本等方面，都取得了明顯的改善和進步，成爲現代數據中心UPS設備的首選機型。

1、去掉輸出變壓器是UPS電路技術的進步
傳統雙轉換式UPS電路的特點之一是通過工頻隔離變壓器輸出。應該說，採用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大於利。逆變器電路技術演變過程的一個顯著的表現形式是：是否必須用變壓器，如何配置變壓器，是否可以去掉變壓器。
UPS電路技術的進步取決於功率半導體器件的進步，從晶閘管到雙極型功率晶體管以及集成控制器的IGBT等功率半導體器件的出現，伴隨着UPS輸出電路由四個變壓器到一個變壓器的演變過程，如圖5.1所示。自19世紀80年代起，UPS逆變器開始只含有一個變壓器。
2、——UPS輸出隔離變壓器的功能
瞭解傳統UPS輸出隔離變壓器的功能是非常重要的，因爲只有當電路措施能夠完全實現它的功能時，纔有可能在新一代設備中替代並取消它。應該說這個變壓器是工頻機全橋逆變器不可分離的組成部分，它的作用也很簡單：升壓和產生三相四線輸出的零線。
①輸出變壓器的功能之一是爲單相負載提供所需的零線
傳統雙轉換式UPS輸出變壓器的一個重要功能是在UPS輸出端產生給單相負載供電時所需要的中性線（或零線）。
帶輸出變壓器UPS的DC/AC逆變器通常是由全橋電路組成。輸出端必須加變壓器，否則就完不成輸出單相或三相四線交流電壓的功能。所以此變壓器應視爲產生輸出零線的變壓器。
以單相UPS輸出DC/AC逆變器爲例，它是一個全橋逆變電路，每個橋臂有兩個串聯IGBT（VT1-VT4），輸出交變電壓UAB由兩個橋臂的中點A和B引出。
當VT1和VT4同時通導（VT2和VT3截止）時，由直流電壓E形成的電流回路是電壓E的正端-VT1-負載A端-負載-B端-VT4-電壓E的負端；而VT2和VT3同時導通（VT1、VT4截止）時，由直流電壓E形成的電流回路是電壓E正端-VT2-負載-B端-負載A端-VT3-電壓E的負端。如果VT1和VT4與VT2和VT3交替導通的週期是50Hz，則加在負載上的電壓UAB是幅值爲直流電壓E的50Hz方波或者準方波，如果VT1和VT4以及VT2和VT3都以高頻正弦波脈寬調製（SPWM）規律導通和截止，則負載端電壓UAB是幅值可調整的正弦波。