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UPS节能供电技术在数据中心的应用

作者:柬埔寨赌场 发布时间:2020-06-26 20:16 点击:

  UPS系统是数据中心里的关键电力系统,其持续供电的能力和能源利用的效率直接影响数据中心的运营。本文着重论述了UPS的节能供电技术是如何在本项目中应用的。从“如何规划UPS节能供电系统”、“如何选择节能UPS供电设备”、“如何设计UPS节能运行模式”和“如何选择节能假负载测试方案”这四个方面来阐述在项目的各个阶段尤其是初期设计阶段,是如何将UPS节能供电技术融入到数据中心客户的实际需求中去的。在节能运行模式中又分别论述了两种模式,即“随负载变化的节能运行休眠模式”和“旁通式ESS节能模式”。

  通过本文论述,希望更加明确UPS在数据中心关键电力方面所起到的作用。通过节能供电技术与国家节能减排、建设绿色数据中心的要求相结合,呼吁和建议更多的数据中心客户在规划设计数据中心时,考虑选用节能的UPS系统供电,从而建设更加绿色节能的数据中心。

  图1所示的是一个该项目M2模组的一个400kVA的IT负载容量的数据中心。根据未来要租用的IDC客户的性质(银行类),要求采用高可靠性的系统,所以采用了如下1+1 UPS组成2N冗余的供电系统。

  该银行客户又有其特殊的需求,即需要有部分单电源设备。所以我们在规划UPS供电系统时,也考虑了将其中的IT设备分为双电源输入和单电源输入两种负载类型,于是就采用了图1的电源分配方式。

  又因为客户需要更高的可靠性,所以在这个系统中UPS1和UPS2都可采用N+1模块冗余并联方案,这样一来不但双电源系统得到了更高的可靠性,而且单电源系统也具有了冗余供电的保证。

  在这个项目设计的初期,客户对UPS设备没有充分的认识,观念还停留在工频机时代。

  数据中心直接的节能供电设备非高频机型UPS莫属。比如在输入功率因数都在0.95以上时,工频机型UPS和高频机型UPS效率大约相差5%。据不完全统计目前有250万台服务器在24h运行,每台以400W计算,就是1,000,000kW。举例以伊顿功率因数为0.9以上的400kVA的工频机型UPS供电,需2778台,该机重2.75吨/台,共重6389吨以上。如以同样伊顿品牌功率因数也为0.9以上的600kVA高频机型UPS供电,该机重1.35吨/台,共需1667台*1.35=2250吨,二者相差4138吨器材!这些器材都是优质钢材(如机架等支撑与安装用途)、纯度很高的电解铜(电缆、器件外引线等)、铝(散热器等)、金和银(触点的材料)、不锈钢(各种开关支架等)、稀土元素(半导体器件等)、优质塑料和橡胶(电缆护套等),等等。这些器材的开采、提炼与成型都需要赋予能量和向外排放,所以节约器材也就是节能减排。

  在节约电费方面,每年高频机型UPS比用工频机型 UPS还节约138,900,000度电。即每年节电近1.4亿度,相当于1.4亿公斤煤。相当于40万户四口之家一年的用煤。在节省空间方面,高频机型UPS比用工频机型 UPS还节省如下面积:(0.875*2.28)*2778-(0.830*2.42)*1667=5542-3348=2194(平方米)。当然其优点还不只这些。

  有了节能的系统架构和节能的UPS设备,还需要有节能的运行模式,就这样一个环节紧扣一个环节才能真正实现节能。众所周知,一个电源的负载量越接近其额定容量,效率就越高,反之,负载量离额定容量越远效率就越低。

  近年来,为了提高数据中心的供电可靠性,在大容量供电时双总线供电模式应用越来越多。这样一来,在负载均分的情况下每路供电电源的负载量就不会超过50%的容量,使得每路供电电源的效率明显下降。

  所以,在项目中,设计了一个节能运行的休眠模式,使得供电功率始终根据负载功率的变化,即二者的功率始终接近,这样就可以提高效率了。图2就示出了这样一种方案:

  如图所示,在项目M3模组里有两台825kVA的UPS构成了双总线供电模式。每个UPS内含三个275kVA的模块。按照负载均分原则,三个模块的负载率小于33%。但若让其中一个275kVA模块休眠,负载率将提高到50%,显然效率就提高了。如果负载在运行中下降到275kVA以下,那么又可以让第二个模块休眠。如果负载在运行中又上升到275kVA以上,此时就及时唤醒一个模块,就这样一直保持UPS运行在高效率范围。这样并机系统的效率将自动根据负载率进行最优化提升,可以确保UPS的带载率始终处于最合理的工作范围内,从而确保UPS 处于最佳的工作状态。

  除了上述模块智能休眠模式,在该项目中还研究并设计了旁通式ESS节能运行的模式。ESS有的称为BSS或Always on运行模式,这类似于以前的ECO模式,如图3所示。

  即当电网电压稳定在UPS允许输入电压范围内时,就关掉逆变器改由市电经旁路Bypass供电,所不同的是ECO模式时逆变器关闭,而ESS运行模式下逆变器不关闭,而作为无功补偿环节继续起作用。这样一来,电网中的干扰就可以被该逆变器有效地抑制,这就为节能打下了坚实的基础。在此情况下运行效率可达97%以上。

  传统数据中心在投入运行前,一般需要租用大功率假负载来做测试。这些假负载测试所消耗的大量功率都被白白浪费了,这也是与节能减排的基本国策相违背的。所以在项目中,给出假负载测试方案。它的神奇之处在于不用外加任何假负载,仅仅使用一台手提电脑与UPS连接后即可作满载实验、过载实验和电池放电实验。

  图4给出了Easy Load方案的工作原理。这个方案的特点就是利用市电电网作为验机假负载测试。众所周知,市电电网不但认为是无穷的能源,而且它的内阻也认为是零,换言之也是无穷大的负载。基于这一点就为UPS的带载验机奠定了基础。

  UPS输入端合闸使UPS输入与市电接通,打开UPS旁路Bypass(接通),接着启动逆变器,电流方向是:

  电池组GB®逆变器®Bypass®输入断路器®配电柜断路器及电缆(图中未画出)®市电电网。

  接着启动IGBT输入整流器,电网电流流入,经以上路径又进入电网。由于在输入断路器上又从市电电网来的输入电流也有输出到市电电网的电流,所以在这些开关上测得的电流很小,大概只有额定值的5%的样子,这是UPS电路工作时的本身损耗。

  这个方案亮点就在于“节能”,可以让客户将不用接入100%假负载,也可以避免测试时造成的供电费用浪费。而在项目的这个方案里,耗电量仅仅是微量的UPS本身的工作损耗(小于5%)。所以最终客户选择决定采用伊顿的UPS整体解决方案。

  UPS电源系统在数据中心的建设中往往是最关键的部分,所以称其为关键电力。而数据中心是耗电大户,对于从业的技术人员来说,如何运用UPS的节能供电技术是合理建设数据中心的关键。通过合理地规划系统、选择节能的UPS设备、优化UPS的运行模式和减少运行测试中的能源消耗,能有效的提高数据中心运行效率。对于以租赁为生意的IDC客户来说,如何优化UPS系统的效率、减少整个IT系统所消耗的电费,是其运营能否盈利的重要因素。

  本文希望通过对UPS节能供电技术四个方面应用的论述,呼吁和建议更多的数据中心客户在规划设计数据中心时,考虑选用节能的UPS系统,优化运行模式达到节能供电的要求,以便提高数据中心整体的效率和PUE,从而达到国家对于新建绿色数据中心的的节能要求。

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