数据中心机房UPS供电解决方案

董诗顺

摘要：数据中心包括计算机系统和与之配套的设备，其大部分电子元件是由低压直流电源驱动运行。数据中心机房一般安装大型精密空调，采用交流市电供电。但在市电停电的情况下，制冷系统将无法工作，导致数据网络设备过热而损坏。

关键词：数据中心;机房;供电;UPS电源

一、需求分析

数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在internet网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。数据中心包括计算机系统及与之配套的设备，其大部分电子元件由低压直流电源驱动运行。引入交流单相和三相交流电源（380V/220V），经降压、整流处理，用于各个等级的所需电压。每次转换都会导致大量电量消耗，即使是现今最好的转换器，最高转换率通常也只有98%。

数据中心的机房一般安装大型精密空调，以交流市电供电，为数据机房提供所需的温度和湿度。如遇市电突然停电，制冷系统无法正常工作，造成设备温度急剧升高，进而导致数据网络设备损坏。如果采用UPS电源供给大型精密空调设备，则须考虑电机启动电流6～9倍，按最小需求计算，UPS配置的容量也须相应增加6倍。投入成本高，维护成本大。因此需要采取合理的分级分步延时启动、精准配电或加装变频器等方法，以分散超大的启动电流。

二、机房运行环境

2.1 UPS要为数据中心核心机房IT设备提供优质电源，确保数据中心机房市电停电4小时内不受影响。否则停电可能引起大面积数据通信瘫痪。

2.2 数据中心机房环境设备的功率为55KW，核心服务器的总功率为25KW。

2.3 系统可靠性要求平均无故障时间MTBF>250000h（不含电池）。

2.4 数据中心机房的设计与温湿度环境要求：温度和湿度。温度和湿度必须被严格控制，以提供可连续运行的温度和湿度范围。

干球温度计：20℃～25℃（68F～77F）。相对湿度：40%～50%。最大露点15℃（59℉），最小露点5.5℃（41.9℉）。最大变化速度每小时5℃（9℉）。

三、方案设计

3.1 UPS 电源容量选型计算：

机房空调为感性负载，采用常规配置，须考虑电机启动电流6～9倍，UPS配置的容量也须相应增加6倍，很不经济。通过在电机前增加变频器降低启动电流的方法，选择的UPS容量只需增加1.3倍系数。 UPS容量=现有电机设备容量÷UPS输出功率因数÷UPS带载比例*电机启动系数（加变频器）+ 控制设备容量÷UPS输出功率因数。 现有电机设备容量为55000w，UPS输出功率因数为0.8，UPS带載比例为70%（考虑最佳使用率及提升抗冲击能力），电机启动系数1.3倍。 UPS容量=55000w÷0.8÷70%*1.3+25000÷0.8÷70%=172321VA

根据计算，此次采用可靠度及抗冲击能力极高的200KVA。

3.2 电池配置计算：

为了让电池的配置更加合理，按照数据中心机房的实际功率计算，要求使用12V固定储能电池组，后备时间为240分钟。UPS的逆变器终止电压为300V，逆变器效率为0.95，输出负载的功率因数为0.8，选择电池容量、串连只数、并联组数如下：

UPS所需的直流功率：Pdc =实际功率/逆变器效率=80KW /0.95=84.21 KW。 每组电池的串连只数：No = 逆变器终止电压/电池终止电压= 300V/1.7V=176.4节≈174单体（cell）， 每组电池数= No/电池单体数=174/6=29块，按照NT系列UPS要求，每组电池数应为29块。

根据电池放电功率表，选择DCF126-12/200（12V-200AH）电池，每个电池放电功率为80W（1.8V/cell，240分钟时），则需要的电池组数为：G = Pda/（单体功率 x 单体数No）=84.21KW/（80W x 29x6）=6.05组 ≈6组。 需要的电池配置：DCF126-12/200电池29只×6组。

3.3 方案电气原理：

该系统主要由交流配电、UPS主机、蓄电池组、变频器、输出配电等组成，实现的功能如下：

1.UPS市电中断时，转由蓄电池组经逆变电源给后面负载供电。

2.UPS故障时，可转为维修旁路在线给UPS维修，确保负载正常供电。

3.UPS以及变频器发生故障时，转到输入配电柜的维修旁路进行在线维修。

四、方案特点

4.1 采用数字化设计：

4.1.1藉合由高速的微处理器运算为基础的数字化设计，简化复杂的模拟线路及零件数目，提高整个系统的集成率及可靠度。

4.1.2 UPS系统的控制参数，直接经由高速的微处理器取样计算，可得到精确的读值并对系统实时控制调整，提供精细的SPWM逆变脉冲，驱动逆变器的IGBT模块，使UPS输出纯净可靠的正弦波。

4.1.3 經由高速的微处理器取样计算出精确的数字化读值，可经由LCD显示出各种重要的电气参数，更方便管理者对机器运行进行实时管理。

4.1.4 完善的自检功能，使UPS的运行更可靠安全。

4.1.5 管理者也可以经由UPS的控制面板依实际需要设定相应的管理参数。如输入/输出电压、频率范围，充电电压、电流，密码设定等。 4.1.6多段式冷却风扇速度控制，改善系统可靠度、效率、噪音及提高风扇使用寿命。

4.2 逆变器采用全桥架构，可接100%三相不平衡供电且负载适应性最强;

4.2.1 输出的三相逆变器采用分离控制，完全独立反馈控制，使三相负载在完全100%不平衡下，仍然可以满足各相负载的正常供电（稳压精度小于1%）。

4.2.2 全桥设计的逆变器架构，可以降低IGBT的耐压要求，使UPS对不同性质负载的适应性最强。

4.3 独特可靠的并机技术 ：4.3.1UPS采用高速的微处理器运算为基础的数字化设计，独特的热补偿运算控制和直接并机技术，对于并机系统中的各台UPS，均处于完全“平等”的调控状态之中。

4.3.2采用独特的同步相位调制法，每台UPS“智能”地将位于并机系统中的各台UPS的同步跟踪调到最佳状态，实时动态地调节所带的负载百分比，实现高精度的负载均分。

4.3.3在并机系统使用中，如其中一台UPS发生故障时，该故障的UPS会迅速、可靠地从并机系统中脱机，从而确保并机系统继续提供用户高质量的逆变电源。

结论：本文详细描述了用户的需求、方案设计、方案原理、如何配置及UPS的产品介绍等，充分展示了UPS在数据中心机房的成熟应用。整体方案的特点如下： 1.解决了UPS与电机的搭配问题，贴近用户需求。 2.电池数量按照实际功率计算，有效利用电池资源。3.采用可靠性MTBF>250000h的UPS，提高整体方案的可靠度。 4.此次选用的可并机UPS，可随时根据实际情况调整，方便经济扩容。

参考文献

[1]数据中心机房的网络改建设计[J]. 王义晓，罗志刚，蔡云富. 智能机器人. 2016（10）

湖北工业大学，湖北武汉 430000