某数据中心的UPS配电设计及运行分析

邹皖峰， 张秋宏

(中邮信息科技(北京)有限公司，北京 100808)

0 引言

数据中心作为大型企业、政府、银行等行业的信息化建设内容，是实现数字化、智能化、集中化的重要支撑，尤其是供配电系统的长期、稳定、绿色运行，是设计和运维工作的重中之重。而UPS作为供配电系统的主要配电设备，其系统架构、产品性能直接影响系统的运行效果。本文通过对某个数据中心UPS的设计和运行进行分析，诊断供配电系统的“健康”情况，为数据中心从业人员提供参考。

1 项目概况

本数据中心位于北方地区，海拔52m，年平均气温为11.6℃，温湿度适宜，电器使用条件属于一般环境。机房主要功能如表1所示。

机房主要功能分布表 表1

从表1可知，建筑6层，高度35m。其中，2～5层为主要生产机房，层高约为5m。每层6个模块，每个模块约容纳140个机柜，机柜按3kW估算。模块机房分期建设，现已全部投入运行。

2 系统架构

本工程机房等级按A级机房设计，服务器机柜、空调等为一级负荷的特别重要负荷，按文献[1]要求，UPS配电系统采用了2+2双总线冗余并机模式，带维修旁路，图1为某个机房模块的UPS供电系统。

图1 UPS配电系统架构示意图

从图1可知，本设计的系统架构为2N，N表示基本需求。当其中任一条总线的UPS系统故障或需要检修时，由另一条总线的UPS为所有负载供电。在运行时，当负载低于25%时为2(1+1)，任一条总线UPS系统中的一台UPS发生故障或检修时，仍然可以由该总线内另一台UPS为该总线UPS承担负载供电，而无需由另一条总线UPS为其供电；当负载率为25%～50%时，转变为2N架构。

因模块机房内的服务器等均为双电源设备，每排服务器机柜可采用双列头柜电源配电，列头柜电源进线由UPS出线柜配出电源。此方式消除了系统末端配电的单点故障。

3 配电柜及区域分布

配电系统架构建立后，下一步便是对系统的配电房间以及配电装置进行规划布置。本工程从电源侧到负载末端可以分为4个区，每个区设置的配电设备如图2所示。

图2 配电系统空间区域分布

在规划设计中，有以下几点需要注意。首先，高低压变配电室的设置级数多少的原则。根据文献[2]的4.0.6要求，系统应简单可靠，同一电压等级的配电级数高压不宜多于两级；低压不宜多于三级；配电室设置级数多，配电灵活性会好，停电范围小。配电级数少，运维方便，系统稳定性好。其次，高低压配电室的空间预留。很多数据中心的机房模块不是一次建成，而是分期进行建设。在进行扩建时，每个区域的空间都有可能增加设备或回路。比如，变配电室区可能会因增加机房模块而增设变压器及低压配电柜，如果一期空间条件不足，将会对后期的设计和运维造成困难和不便。有时是因为建设方基建和工艺分属两个部门，两者的需求对接不够导致。因此，在设计前期应仔细收集两部门的需求，整体考虑，科学规划。

现对UPS供配电系统的楼层配电区进行介绍。该区域包括总配电柜进线柜、UPS进线柜、UPS主机、UPS出线并机柜、UPS出线柜及配套蓄电池等。每个机房模块的2N配电由1个层配电室、2个UPS室、2个蓄电池室组成，图3为该区的平面示意图。

图3 楼层配电区平面示意图

机房模块内每排服务器机柜配置2个列头柜，电源分别由2个UPS室的UPS出线柜提供。蓄电池室和UPS室也考虑物理隔离，分别设了2间。通过这样的空间布局，保证了双电源系统不但在系统上进行了隔离，而且在空间上也进行了隔离，提高了供电的安全可靠性。

4 UPS运行特性

UPS参数主要包括输入电压、输入功率因数、输入电流谐波成分、输入/出频率、过载能力、峰值系数、并机不均衡度等多个指标，具体要求可参考文献[3]。不同UPS机型、负载特性对配电系统的运行状态都会有影响。本文结合运行情况，对UPS电网特性进行分析。

4.1 容量计算

通过对服务器机柜的实测，发现功率因数基本达到0.93以上，但出线回路多呈容性。这主要由于服务器等电子设备的开关电源多采用单相功率因数校正电路PFC，该电路虽然提高了功率因数，但也因PFC配备的电容导致服务器负载偏容性。这直接影响了UPS的带载能力。因为有些UPS在被生产时，其输出侧的滤波电容器按感性功率因数0.8设计，部分产品的带容性负载能力达不到设计容量。因此，在UPS容量参数选型时，除了按照规范要求，采用1.2倍电子信息设备的计算负荷计算，建议在设计说明中，注明功率因数为容性0.8时UPS的设计容量。

4.2 工频机和高频机的选择

目前，市场上的UPS使用以工频机和高频机为主。本工程工频机和高频机均有使用，每台容量为300kVA，其中，工频机采用6脉冲、12脉冲工频机两种。通过运行发现，同样UPS负载率，300kVA工频机负载损耗较大，效率约90%，而高频机的损耗非常小，效率约94%，如表2所示。

工频机与高频机效率对比 表2

从节能方面考虑，许多地方已出台对PUE的限制要求，高频机不论在功率因数还是在自身损耗上，都要比工频机要节能。

但从稳定性上看，工频机采用隔离变压器和SCR，耐冲击度较好；但相比高频机，因为工频机中性点与地线在隔离变压器后重新建立连接点，零地电压低。另外，高频机控制电路复杂，尤其是带APF功率校正电路的UPS，虽然在单相小容量的计算机负载上运行稳定，但在三相电源UPS治理上有待提升。从目前运维情况看，因负载率较低，不论UPS带半载还是全载，两种UPS的运行稳定性均较好。当下针对数据中心用UPS的生产厂商，基本以生产高频机为主。再次，工频机和高频机在功率因数和谐波特性上，有着明显不同。本工程采用了3种UPS(ABC)，表3截取了某一月的平均运行数据。

UPS输入侧电力运行参数表 表3

从表3中可以发现，在负载率相差不多的情况下，A比B的谐波电流畸变率大，功率因数低；而高频机C的输入、输出功率因数可达到0.95以上，谐波电流畸变率也较工频机要好。这主要是因为工频机采用晶闸管整流，产生的谐波比较大，而高频机输入侧因采用IGBT整流方式，谐波的抑制较好。因此，从电能质量特性上看，高频UPS明显优于低频机。依据文献[6]的6.3.5、6.3.6要求，满载负荷时，输入电流畸变率宜小于5%，输入功率因数应大于0.93；半载负荷时，输入电流畸变率宜小于7%，输入功率因数应大于0.9。从表2情况可知，高频机的参数特性满足规范要求，而工频机的功率因数和输入电流畸变率未达到要求，需要采取相应措施。

4.3 工频机UPS谐波及功率因数治理

事实上，工频机功率因数低，部分原因是由于工频机中的大量谐波导致。从理论上说，谐波是无功负载，间接影响功率因数。功率因数和谐波之间的关系，通过式(1)～(3)可推导式(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中，cosφ为功率因数；THD2为总电流谐波畸变含量；cosφ1为基波相位差；THDI为3次以上谐波总电流和基波电流的比值。可见，THDI越大，功率因数PF越小。从表3的6脉冲和12脉冲工频机的THD和功率因数对比，也反应了此情况。治标治本，谐波治理好，功率因数自然可提高。

谐波的治理主要有两个措施：(1)通过UPS产品配套的输入、输出端的无源滤波器，进行谐波治理；(2)通过在UPS进线侧的并机母线上，配置有源电力滤波器APF进行治理。对于上述两个措施，是否有必要同时使用？通过运行发现，虽然UPS正常运行时谐波得以治理，但是在UPS过载转旁路情况时，该回路上无谐波治理装置，其谐波并不能得到治理。因此，对于重要机房宜在UPS电源侧设置APF。

通过上述措施，其谐波及功率因数的得到了一定优化。但是，在运行中发现同为工频机，其输入侧确呈容性和感性区别。下面对此种情况进行分析。

4.4 UPS的容性感性情况分析

从表4中可以看出3个现象：(1)工频机A呈容性，而工频机B呈感性；(2)工频机A的容性越大，输入电压越大，有时甚至会出现过电压报警。(3)工频机A的负载率越大，功率因数越高；工频机B的负载率越大，功率因数反而越低。A、B机型在半载以下，功率因数均未达到规范要求的0.9。

工频机UPS输入侧电力运行参数表 表4

对于6脉冲工频机呈容性且电压高的现象，主要由于工频UPS配套的滤波电容柜按满载容量设计，现阶段UPS处于轻载状态，其滤波电容过大导致。当负载率提升后，线路上的感性电流升高，与容性抵消，提高了功率因数。

而正因为容性过高，将会导致UPS电源侧的电压升高。电压和电容容量的关系可参考式(5)

(5)

式中，ΔU为母线电压升高值，V；Ub为电容器投入前的母线电压，kV；Sk为电容器安装处的母线短路容量,kVA；Q为母线上运行的所有电容器容量,Kvar。可见，并联的电容越大，母线电压的升高值越高。而过高的电压会导致电容器长期过载运行，使其内部介质产生局部放电，造成损害;也会因为柴发的带容性能力较弱，导致在柴发启机困难。

对于12脉冲工频机B呈感性，恰恰相反，由于UPS的输入侧设计的滤波电容器较小引起。当负载率上升，电流增大，随之通过电感的感性电流增大，功率因数降低。

为了达到规范要求的半载功率因数0.9的要求，有两个解决方案。(1)在项目运行初期，系统多处于轻载状态，可通过切断UPS前置的滤波电容柜，降低电源侧容性。该滤波电容柜的谐波治理功能，由UPS电源侧母线上的有源滤波器APF承担。等到后期负载率上升时，再投入滤波器装置。(2)在变压器低压侧母线，并联静止无功发生器SVG。SVG与APF都是基于电力电子技术的有源电能治理装置，能实现动态补偿。APF侧重于谐波的治理；SVG侧重于功率因数的治理，且既能产生无功也能吸收无功。通过SVG+APF的组合，可实现UPS电源侧的连续、动态地功率因数补偿和谐波电流治理。此时，在APF的额定电流满足谐波容量要求的情况下，UPS前端的滤波电容回路可取消。

当变压器只带为IT服务器供电的UPS设备时，SVG+APF可安装在变配电室的低压母线上，也可将APF后置安装在UPS电源侧的并机母线上。

5 结束语