中国电源学会    王其英
 
1  绿色数据中心能源供电系统的含义
  数据中心供电系统一般由市电、后备发电机、UPS和配电系统构成。一般重要的数据中心大都采用了双路市电、冗余发电机和冗余UPS系统。这里的“绿色”主要是就UPS系统而言。这是因为市电只需向供电局提出容量需求即可,发电机当前的水平,各个厂家的产品相差无几,只有UPS的差别甚大,产品是否绿色的标志也很明显。所谓绿色,主要指的是节能减排,当前的工频机结构UPS和高频机结构UPS在节能减排上主要有以下几个区别:
  (1)输入功率因数
  中大功率的三相工频机结构UPS在6脉冲整流的情况下输入功率因数约为0.8,不但对外有干扰,而且要求前面的发电机功率要3倍于UPS容量;即使在12脉冲整流选配谐波滤波器的条件下输入功率因数也低于0.95,而且设备量几乎增加三分之一,增加了投资和占地面积。而高频机结构UPS在不加任何外来设备的情况下输入功率因数大于0.99,从理论上讲前面的发电机容量可与UPS一致,节省了投资和占地面积。
  (2)能量损耗方面
  在相同输入功率因数的前提下,二者的效率相差约5%,比如同是100kW的UPS,工频机结构UPS每年要比高频机结构UPS多消耗近5万度电。
  (3)变压器
  工频机结构UPS都有输出变压器,在多机并联时就会出现多个变压器的并联。变压器的并联是电力行业尽量避免的情况,因为变压器并联时的环流是不可避免的,环流的长期存在将导致设备寿命缩短。而高频机结构UPS因没有输出变压器,所以几乎没有环流。
2  绿色数据中心能源供电系统设备的选择
  数据中心能源供电系统的选择要以符合国策为前提,节能减排是当前的一项基本国策,一切行为都应当以此为指导。但好多地方由于消息闭塞,在电子技术和设备已经前进了的今天仍沿用以前的老观念,认为工频机结构UPS是最好的,即使高频机结构UPS的消息传到那里也认为这是新产品,不成熟。一般电子产品有上3年的功夫就已成熟,比如计算机产品更新周期也就是3年。要知道高频机结构(全IGBT)UPS在1998年就已问世,而且容量在当时就已做到了480kVA,这种全IGBT结构的UPS产品还不止一家。十年过去了,再说这种技术不成熟就有些牵强了。
2.1  当前高频机结构UPS供电设备达到的水平
  UPS的发展方向和其他电子产品一样是高频化、小型化、模块化和环保化。
  (1)UPS单机
  当前衡量UPS的技术高低和成熟水平的一个重要指标就是看它容量做得多大,这不但反映一个厂家的水平,也反映出这个厂家的实力和市场规模。目前一般厂家可以将高频机结构UPS单机做到200kVA左右,少数厂家做到了500kVA,伊顿做到了1200kVA,覆盖了工频机结构UPS的全部容量。
  (2)UPS模块
  所谓N+X模块化冗余UPS不但可以冗余并联、可以热插拔,而且必须是在一个机壳中至少有两个相同规格容量的单机,否则就可以把一个放在地板上的具有并联功能的单机叫做模块化,那和以往的多机UPS并联就没有区别了。
  当前的模块化UPS从1kVA开始,有2kVA、3kVA、4kVA、5kVA、10kVA、15kVA、20kVA、30kVA和40kVA等等,但还没有第二家像伊顿这样的300kVA容量。图1展示了一个机柜中有两个300kVA模块的情况,以及工程师按下杠杆将模块拔出,进行热插拔的情形。一个不小的机房即可用其集中供电,又可以双总线方式供电,还可多机并联。目前模块化UPS产品几乎都采用高频化结构技术。
图1  300kVA×2模块化UPS
2.2  目前选用UPS的情况
表1
  目前容量较大的机房大都采用了400kVA工频机结构UPS,配12脉冲整流和谐波滤波器,负载功率因数为0.8。表1就是笔者为一家金融单位5000kVA的数据中心在对400kVA工频机结构UPS和600kVA高频机结构UPS(负载功率因数0.9)进行选择时的比较。从表中可以看出几点:
  (1)采用400kVA工频机结构UPS产品时的净占地面积大于43m2,而采用600kVA高频机结构UPS的净占地面积却小于23m2。
  (2)采用400kVA工频机结构UPS产品时的总重量大于50吨,而采用600kVA高频机结构UPS的总重量还不足15吨。
  (3)采用600kVA高频机结构UPS比采用400kVA工频机结构UPS每年节约250万度电。有资料显示,1度电需要1Kg原煤,250万度电就是250万Kg煤炭,这才是一个不足10000m2的数据中心的节电量。节约250万度电,就减少了25吨二氧化碳和250Kg二氧化硫的排放量。
  仅从以上的几个指标可以看出,高频机结构UPS应为首选,这是不争的事实。全IGBT高频机结构UPS历经10年的发展,技术和产品已成熟,也是不争的事实。业内专家纷纷指出:不论从产品的性能还是容量,高频机结构UPS已完全可以代替工频机结构产品,不久的将来高频机结构UPS将一统天下。
3  绿色数据中心能源供电系统供电方案的选择
    有了好的设备没有好的方案,照样得不到最好的效果。比如图2所示的几个方案就相差很大。
(a)并联冗余连接
(b)带双STS的双总线连接
(c)带母联开关的双总线连接
图2   几种供电方案的比较
  为了提高供电的可靠性和可用性,数据中心大都采用冗余方案。图2(a)所示就是一种并联冗余方案,如果设每个整机单元的可靠性是0.99(故障率0.01),那么两台UPS冗余并联后的可靠性就是0.9999,故障率就是万分之一。如果采用图2(b)所示带双STS的双总线连接方案,故障率就上升到万分之十五,不但成倍地增加了设备量,增加了功耗,增加了占地面积,增大了投资,降低了性能。也许有人会说,这种方案是双总线,一路故障时可以互投,但用图2(c)所示带母联开关的双总线连接方案完全可以实现图2(b)的功能,其中母联开关仅仅是STS的一半设备量,但比图2(b)性能高很多。
  当然也有有人会说我有变压器,性能要比高频机UPS好得多,但实际上在这里的变压器除了产生隔离接地点和变压外,其他所宣传的抗干扰、缓冲等之类的优点都是没有根据的。
  从上面的讨论可以看出,中大机房所采用的UPS容量中工频机400kVA UPS并非最佳选择,即使高频机UPS 400kVA也非最佳选择。这是因为:在采用单机并联时,N+1方案中的N越小,可靠性越高,比如上述5000kVA容量的情况,根据目前的技术和产品水平采用4+1或5+1可靠性最高。当然考虑到具体机房的一些实际问题,适当增大N值是可以的,但并不意味着400kVA一档就是最佳选择。400kVA12脉冲UPS的由来不外乎一些生产厂家在这一档技术比较成熟,而少数800kVA,也不过是将两台400kVA并联在一个机壳中而已。