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公司新闻
UPS、蓄电池及其供电架构的选择和配置
发表时间:2019-3-28    点击数:
     作为负载用电可靠保障的UPS电源,在各行业领域中得到了广泛的应用。UPS的研发和应用已有几十年的历程,现有的各种品牌、机型和架构为用户提供了更多的选择余地。而在实际案例中,有些用户却因选择了不适合的UPS产品而对供电系统带来隐患或造成经济上的损失。为此,数据中心的UPS电源及其供电架构的选择和配置值得令人关注。

根据需求选择适用的UPS

  随着UPS技术的成熟与进步,行业厂商开发并提供了工频机型、高频机型、模块化机型和专用工业机型等多种UPS。用户可以根据自己的需求选择适用的机型。

 

单相或三相UPS的选择

  根据UPS要保护的负载以及设备的电压范围或功率值,就可以确定是需要单相还是三相UPS。通常情况下,20kVA或更低的负载可以采用单相UPS,而功率较大的负载则需要三相UPS。

  如果确定采用三相UPS,那么需要确定使用三相输入/单相输出配置还是三相输入/三相输出配置?这与负载类型有关。数据中心的服务器等IT设备通常使用单相电源,如磁共振成像系统(MRI)等医疗设备或大型工厂车间机器可能使用三相电源。

  在需要三相输入/三相输出UPS的情况下,负载平衡问题将会很棘手。例如在石油天然气等行业中,不希望花费更多的精力去处理其负载平衡的问题,因此通常选用三相输入/单相输出UPS。

  另一方面,使用三相输入/三相输出的优势在于可以采用集中式电源保护方案,使用一台大型UPS用于保护整栋建筑物或一组关键电路。从这个意义上讲,可以简化用户的电源保护方案。

 

如何确定UPS和电池容量
1

UPS的容量

  根据所保护的负载的能耗确定UPS容量。UPS基本容量E与负载能耗P的关系如下:E≥1.2P应考虑其运行时不超过其额定容量的60%至70%,出于安全性和将来扩容的需要,实际上40%至50%更常见。

2

电池的容量

  电池容量的计算可按恒电流法或恒功率法进行计算。

  一个粗略估算法如下:

  UPS功率(VA)×后备时间(h)÷UPS启动直流电压(V)=电池容量(Ah)

3

后备时间的选择

  当市电中断时客户所需后备时间的长短取决于现场是否有发电机。如果现场有发电机,那么在发电机启动之前,客户只需要一两分钟的延时来为负载供电即可。如果现场没有发电机,UPS将单独为负载供电,必须确定客户需要多长时间。

 

功能的选择

  UPS供电系统所具备的功能对于系统的运维管理来说是相当重要的。用户所关注的功能主要有:远程管理、自动关机、冗余、断电通知、电池更换警告、环境监控、状态显示、事件日志等。

 

UPS的供电架构配置

  按可靠性高低依次增加,UPS五种供电架构配置如下:

1

满容量或N设计

  N系统包括单个UPS或一组UPS,其容量与关键负载容量相匹配,如图1所示。

 

  N冗余配置的缺点是如果UPS出现问题,负载可能不会得到保护。特别是在具有多个模块的三相UPS中,这种结构带来了多个单点故障的风险。

2

串联冗余

  通过隔离冗余配置,主UPS通常为负载供电,而第二级UPS则为主UPS的静态旁路供电,如图2所示。这要求主UPS具有用于静态旁路电路的单独输入。如果主UPS所带负载切换到静态旁路,那么第二级UPS会立即承载全部负载,而非将其转移到市电回路。该设计提供了一种增加冗余而无需完全替换已有UPS的方法。但其复杂程度大为提升,增加了更多的器件,引入了新的故障风险,从而导致可靠性降低。

 

3

并联冗余(N+1)

  并联冗余配置由多个容量相同的UPS并联运行并提供公共输出总线。如果“备用”UPS容量至少等于一个UPS的容量,则该系统被认为是N+1冗余,如图3所示。与串联冗余结构相比,故障概率较低,因为所有UPS始终在线运行。这也是一种更简单、更具成本效益的结构。

 

4

分布式冗余

  分布式冗余设计是在20世纪90年代后期开发的,用以提供完全冗余的能力而无需增加相关成本。这种设计通常用于大型数据中心,尤其是金融机构。此设计将用到3个或以上带有独立输入和输出馈线的UPS,输出总线通过多个PDU连接到关键负载,在某些情况下还连接到静态转换开关(STS)。STS有两个输入和一个输出。其通常接受来自两个不同UPS的电源,并为负载提供来自其中一个UPS的电源。如果主UPS发生故障,STS将在大约4到8毫秒内将负载切换到辅助UPS,从而始终为负载提供电源保护。

  这种方案效率较低,因为UPS通常在远低于满载的情况下运行。如图4所示。

 

5

系统+系统(2N,2N+1)

  “系统+系统”模型是业内公认的最可靠的设计。该设计可以组成一个可能永远不需要将负载切换到市电的UPS系统,因为这个设计旨在消除所有可能存在的单点故障。

  与分布式冗余方案一样,对于如何配置系统+系统模型存在许多选项,其中还包含多种架构,其中包括:串联并行、多并行总线、双端系统、2(N+1)、2N+2、[(N+1)+(N+1)]和2N。根据用户的需求,其架构设计可能很简单,也可能非常复杂。

 

  该设计需要两路供电来支持所有关键负载,并实现从系统的进入端一直到末端,即关键负载端的完全冗余。

  毫无疑问,由于冗余组件的数量及其较低的能效水平,系统+系统的系统设计在五个系统中成本最高。但考虑到其所保护负载的重要性,这种设计的高成本是合理的。实际上,许多大型企业都使用这种设计来保护他们的关键负载。

 

结束语

  综上所述,提出如下建议:

1

在选择和配置UPS及其供电架构时,不要过分追求降低前期建设成本,要选购知名厂商的UPS和电池。要着眼于降低后期的运行和管理成本,尽快收回前期建设的投资;

2

锂电池的研发和应用现已成为业界技术潮流,不管在动力或储能领域,应充分重视锂电池的安全性。

 

  随着现代电力技术的不断发展,对于供电质量要求也明显提高,随着电子器件和技术的进步与发展,使UPS在控制、结构、管理体系方面得到了加强和完善。只要用户根据自己的需求,充分了解各种品牌的技术特点和系统方案,一定能选择到最适合的UPS以及供电架构。

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