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先控捷联电源设备副总裁陈冀生：模块UPS技术趋势

2012/7/30 10:07:15 作者：UPS应用来源：UPS应用
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　　由中国电源学会和中国电子节能技术协会联合主办的2012现代数据中心基础设施建造技术年会，于2012年5月29日北京召开，本次会议将对数据中心的前沿理论、技术进行了精辟、深入的交流与探讨，对各家所长均有所展示，对我国数据中心整体技术水平的提升可起到推波助澜的作用。先控捷联电源设备副总裁陈冀生发表主题为“模块UPS技术趋势”的演讲。以下是文字实录：

　　
　　各位领导、各位专家上午好！很高兴有机会和大家探讨模块化UPS在数据中心的应用。
　　
　　今天从三个角度谈一谈模块机的理念和应用特点以及一些案例。作为UPS来说发展趋势，可以通过模块化UPS来全面体现出来。因为作为模块机一定是高品化、小型化、数字化、模块化。也是环保化的。所以体现了UPS发展趋势。从供电理念上来说是延续了交流模式。
　　
　　模块机的组成基本上都是由五个部分组成的，第一是功率模块，模块应该是整个UPS的核心，主要是完成功率转换的过程。还有静态开关、显示通信模块、电池，模块化UPS原理基本上都是一致的，每个模块都是相互冗余、并联。
　　
　　模块机也存在着一些设计上的不同，简单介绍一下：首先电路结构的选择上，现在目前来说看到的模块化UPS以在线式双变换的模式作为住来，未来也不排除有效率更好的电路。
　　
　　目前的模块机来说，都具备了ITBT镇流，还有三变式的、两变式的、这样的好处是整个输入和输出指标效率有很好的提升。
　　
　　目前模块机以TST作为处理器，有的一个芯片把动力因素校正都解决掉。还有很多厂家用模拟电路解决的。肯定是用数字芯片提高了单机运行的可靠性，而且动态响应速度也更好一些。
　　
　　说完主电路结构再说一下控制方式，作为模块机来说有一个重要的选择就是控制方式，可以分两点，一个是集中的控制，还有一种叫分散控制技术。集中控制技术是每个模块在并联过程当中，并联的基础是同步，为了完成同步，需要有一个信号源，这个信号源是一个集中的，也可能是一个分散的。所以这就是集中和分散的区别。
　　
　　这个道理来讲，采用分散的模式，对系统的考虑性会更好。因为集中毕竟会有瓶颈的存在，我们还会采用冗余的方式实现。这是两个区别。
　　
　　说完同步模块机还有一个问题就是静态开关的工作方式，静态开关一般也分两种，一种叫集中式一种叫分散式。分散式的指每个模块内部包含静态开关电路，集中的是在整个系统当中装一个静态开关。静态开关说起来简单，但是实际上是一个很复杂的东西。因为UPS交流电最后的防护是要靠旁路做保护，直流电源有电池、存在切换时间的问题，作为交流电来说UPS最麻烦的防护就是静态开关，有很多UPS切换时间在0毫秒。我认为这不一定是最好的，因为意味着要先通后断，通很容易但是断很难。先通后断意味着短路还没有摘除掉，如果有先断后合的过程，理论上来说系统安全会达到更好。因为IT设备电源内部都是有很多镇流电流，基本上来说如果单纯从服务器的角度，20到30毫秒的中断，一般不会中断，一些小型服务器就不好讲了，有几毫秒的中断这对系统安全是更好的。
　　
　　先说集中方式的旁路和分散式的旁路，分散式的旁路，如果每个模块都有一个旁路，如果模块被拔出来，旁路的容量自然会减少。因为模块如果数量比较多的话，采用分散模式，降低系统可靠性。因为静态开关的旁路是串在一起的，如果被击穿了和实点连接在一起，对系统带来更多影响。
　　
　　所以这种情况下集中式的静态开关更好一些。我们可以按照系统最大容量来选择，那么这里可能有一个缺点就是一集中就成了瓶颈了，那么这个瓶颈怎么解决呢？还是在这上加入，因为机械触点。这是我认为解决静态开关的一个方案。
　　
　　还有就是环流。作为UPS的并联运行始终存在的问题就是环流，只要是交流电并联在一起一定会出现这个，模块化UPS也是并联的，环流会带来什么影响呢？实际上我认为UPS的并联如果没有从根本上把环流解决好，那么它的并联永远存在一定缺陷。作为模块化UPS来说，目前来说主流电路三电瓶比较多、两电瓶也比较多，三电瓶比较适合并联。这个图上可以简单看一下，这是两台模块，如果没有并联直流母线，产生环流的时候，一台机器向另外一台机器产生环流的时候会造成直流母线电压升高，是不受控的能量，有可能造成对电池的充电，充电之后可能把电池电压抬上去了，有可能造成电池的损害。直流母线连上会产生这个副作用。如果母线不连着并联会存在这种隐患，底下是变压器的方式，直流母线不可能连在一起。所以肯定存在这种方式。
　　
　　那么综合这几个方面，一个是先控电源，采用分散理论，和功率模块，应该来讲分散控制。是这样的。
　　
　　那么在这个基础上研发的产品，有几个系列，这是我们研发的一个小型的、基架式、分散性的UPS，可以单进单出、三进三出，在这个系统里主机、配电、电池、TPU可以按照需要来配置。这是我们提供的数据中心、工业场合应用比较多的产品，可以从10K到480K，模块功率从10K、20K、40K，跟着可以满足ITC机房提供的集成式的数据分配点，集成智能化的，才用模块化结构。
　　
　　下面简单介绍一下模块机的应用特点。首先我认为模块机会提高可靠性，因为提高可靠性的原则来说是提高使用时间和冗余方式，模块机符合了这个需要，这是我做的一个公式，通过计算温度系数等等来得出时间，模块平均故障时间在12小时，整个系统可以调到比较高的故障时间。
　　
　　还有一个模块化的UPS，在安装、运输方面有非常突出的优势，因为模块机的体型和寿命都非常好，这是一个方式。
　　
　　那么最关键的一点可以随着业务发展而扩展。这是模块机的一个简化维护的工作，模块化UPS损坏以后，原则来说修复的时候不受人为因素的控制，用户自身可以更换模块，也不需要转旁路，可以直接在线插拔，维护性也非常好，对于降低维护成本非常有意义。
　　
　　模块化UPS可以从三个方面提高经济性，降低维护成本，江湖运营成本。为什么会降低购置成本呢？我去过一个机房，使用了8台UPS，双模供电，3+1并联，但是这个机房使用了两年半，目前只运行了1台UPS。初期负荷没有达到预期，会造成前期比较大的浪费。这种浪费是很惊人的。其实选择模块化UPS就不用这么奢侈了。
　　
　　模块化UPS效率从目前来说，模块机可以做到95%左右的效率，国内的厂家来看基本上都在90%到95%的水平。但是这个效率更关键的是跟待载率有关系，我们常讲负载比较轻的时候效率低，以前12脉冲、带变压器的互动损耗比较大，造成负载比较小的损耗比较大，模块机最好的效率在50%到70%。这也是设备安全的范围。这是对12脉冲的UPS做的测试，效率从82%到90%这样的水准，这是模块机的效率，在20%的负载的时候效率达到92%以上。
　　
　　三电瓶效率好处在哪呢？管路负压，可以提高用电效率，电池变换的时候效率可以达到98%以上。
　　
　　容量和效率完美结合，让模块和负载达到完美的结合。这是中国电信集团对国内主流厂家的效率结果，基本上在90%以上。模块化UPS采用了校正技术，模块机输入因素好于6脉冲和12脉冲，达到这个效果以后，我们电压和电流的关系完全一致了。对于发电设备和传输设备的利用率很好提高，可以好到1：1，考虑到冗余可以到1：1.1，对线缆、开关选择是很好的选择，一个机房几兆、十几兆，如果UPS没有好的指标，对用电负荷有很大的影响。如果影响比较大会在0线上产生干扰。胁迫干扰对供电系统非常重要。
　　
　　这是我们做了一次跟河北联通做的现场测试，目前一些设备需要去做一些淘汰、更换，但是更换得有理由，我们就在现场拿我们的设备和他们的设备做测试，同样环境来测试，测两台，我们拿了一台设备来做。一台是传统的一体化UPS，模块机是240千赫，一体化的UPS2006年投产，模块机2009年投产，模块机待载率在15%左右，目前的情况来讲。效率是多少，一体化的在85%，模块机在92%，还有一些具体指标差异，比如胁迫、零线电压电流，还有输入电流的胁迫，影响不大，主要还是效率。模块化UPS有15%的情况下，效率也有92%。如果在40%、50%效率的时候，效率会更好。
　　
　　这是我们做的分析。以现场案例为例，假设电费0.86元/度，两台设备算下来热损耗，一体化UPS一年需要12.5万，模块化UPS需要6万左右。还有制冷、损耗等整个算下来的电费，一体化UPS是17.5万，模块化8.3万。这仅仅从电费角度来说。
　　
　　设备投入上还可以节省，因为一台设备等于两台设备。这是综合性能的对比。
　　
　　最后给大家介绍一下方案。作为数据中心UPS供电来说，一般有4级标准，T1标准是单一UPS框架。T2标准有两类，一个是串联、一个是并联，不管怎样对它的标准是有冗余的，这是对T2的标准。T3方案配置是分布式的。也就是说物理空间和输出输入之间形成独立的空间，但是又可能有统一的冗余框架。最大的好处、要求是可以不间断维护。T4标准应该来说叫双母线2N供电，这种方式有更好的容错。这是四个标准，我们还可以有更好的标准，既有容错功能还有冗余功能，同时还有扩展。这个功能要实现用模块化UPS是可以的。
　　
　　因为T1标准在数据中心可以探讨。T2分两种，串联和并联。T2和T3都属于这种，只不过1+1并联属于T2、N+1属于T3。对于T2标准来说我们知道一定要用两台UPS，两台UPS供电以后，解决的有一台替代设备，从功能上、性能上，包括所完成的任务都是一样的，而且带来几个好处，简化结构节约投资，两台最高50%，按照设计要求，最大负载率50%，只要考虑合理的模块冗余，可以得到70%、80%的负载率，提高了设备利用率。设备利用提高了以后模块达到最好的效率以后，就是我们说的功率达到最好，效率值最高，降低供应成本。还有一个好处是可以频繁扩容、在线维护。
　　
　　作为T4标准，就是2N供电方案，也有两种一种是单机，还有一种是N+1，这两种都是2N方案，N+1容量上更突出一些，实现方式更多结构相对复杂，成本更高。单机供电方案不考虑电源问题，应用特别广泛，中国移动作为一种标准，所有的UPS供电都采用2N，一些大的数据中心用N+1并联方式还是比较多的。一般来说T4标准都是双路供电。从UPS到配电，是双路供电。这是N+1方式。
　　
　　现在用模块机取代2N供电方案怎么做的？两个单机模块来取代2N供电。概念上非常简单，没有任何区别。带来的好处是什么呢？带来了冗余、带来了平稳扩容、平滑扩容。
　　
　　模块机我们还推出一种新的方案叫三角2N供电，这个图上比较清楚了，ABC、UPS123，三个负载供电，这是一个2N供电，UPS2为负载1和2供电，UPS3为3和1供电。是这样的框架。这个框架有很大的好处，也是一个2N结构，如果按照刚才说的2N供电，常规的2N供电需要六台设备，这种情况下，我们上三台设备就解决了，三台设备数量减少一百，负载能量是多少，两个负载两百千瓦，如果我们用原来的方案，2N供电的话需要两台机器供电的话，需要240千瓦以上，因为考虑到一台机子损坏了另外一台供电，要配240千瓦以上。
　　
　　现在这模式需要用多大的呢？最少需要300千瓦，为什么这么说呢？这台200千瓦，负载200千瓦，要供给他100千瓦，这台机子损坏了以后要由这台全部来供电，200千瓦以后还要考虑这个因素，所以这样的话这个负载最大的情况下、这个负载最小的情况下，两个负载都连在一起，这个时候需要400千瓦。那么400千瓦容量是3台UPS取代原来240千瓦6台设备，无论数量还是容量上都很合适。这个在配电上并不复杂。
　　
　　这个方案后面有一个案例，我们已经有应用的案例了。这是中国电信去年做的一次集采中，闲空模块和UPS，也是对我们一个鼓励，模块UPS一直在推广阶段，在去年年底中国电信对模块机进行了公开集采，我们在中国电信这种案例比较多，这次给我们比较大的份额，占整个份额80%左右。
　　
　　以前在IBC数据中心也比较多，在上海和北京两地，2011年在上海做了四个机房，每个机房容量在几兆挖。今年又签了两个合同，现在还没有交货，这两个机房面积都在一万平米左右。
　　
　　上海景华这个机房，是刚才介绍的三角供电方案，当时用这个方案替代传统的方案，从报价、预算来说节省了30%左右，比传统的一体化UPS2N供电方式节约了三分之一的投资。
　　
　　这是上海移动做的数据，其他的案例，像北京奥运会、武广高铁等等，我们公司先控电源专注于做模块化UPS的公司。模块化UPS从2003年开始搞，到目前为止有九年到十年的历史，每个月的用户有100多套设备、100多套系统去使用。应该来说在运行的设备有几千套。这里我想说一句模块化UPS我们公司具有完全的自主知识产权，我们也是一直专注于模块化UPS的研究。模块化UPS从我们每年市场份额越来越大，市场领域越来越大，预示着模块机能够给用户带来新的价值。
　　
　　一家之言，谢谢大家！

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