案例剖析 | UPS供电模式在大数据中心工程中的应用
案例剖析 | UPS供电模式在大数据中心工程中的应用
UPS（不间断电源）在大数据中心工程中扮演着至关重要的角色。本文以华为廊坊2012集中实验室二期及云计算中心三期改造项目为例，详细介绍了UPS的工作原理、供电模式分类、在线式UPS系统的工作方式及其优势，并提供了具体的安装和调试注意事项。
UPS也叫作不间断电源，其主要功能在于不间断供电，即市电异常时，通过后备电池对负载进行供电。否则，一旦市电异常，发生电源故障导致停电和服务系统瘫痪，将带来严重且连续的打击性损失。同时，在市电正常时，UPS供电系统对负载的供电质量进行改善。对于大数据机房的正常运行，关键在于其配电系统，而大数据机房配电系统的主要应用是UPS供电系统，其重要性不言而喻。
工程概况
华为廊坊2012集中实验室二期及云计算中心三期改造项目位于廊坊市经济技术开发区银河北路336号，由L1实验室和L2云计算中心共2栋单体建筑。L1实验室和L2云计算中心均为地上2层建筑，一层层高9m；二层层高6m，局部含有夹层。建筑的高度为16.7m。
L1实验室二期改造面积为30528㎡，设2个UPS室，共设置24台600kVA高频模块式UPS，配备支持1min的蓄电池及1台320kVA的高频模块式UPS配备支持30min的蓄电池。
L2云计算中心三期改造面积为20894㎡，设8个UPS室，共设置58台600kVA高频模块式UPS，配备支持1min的蓄电池及1台480kVA的高频模块式UPS配备支持30min的蓄电池。
UPS供电模式的分类
UPS供电系统在实际中应用广泛，且具有多种供电模式，简单介绍以下4种供电模式（表1）。
在线式UPS系统的应用
在线式UPS工作原理及工作模式
在线式UPS在大数据中心工程中应用最广，采用模块化技术，易维护，易扩容，廊坊华为2012实验室及数据中心工程的大数据机房也采用此种模式。模块统一运用数字信号处理（DSP）方式进行集成智能化控制，其中功率控制模块均能够实现整流和逆变，利用高频率开关技术，来保证输入后的相关变换均为纯净无污染、质量较高的正弦波进行输出，原理如图1所示。
1）UPS主路运行方式不间断电源工作时，输入的交流电经过整流器的精准整流，将交流电转换为直流电，再通过逆变器进行逆变，由直流转换成交流后输出，通过整流和逆变，能够输出质量和精度都非常高的电压，从而预防输入的毛刺、谐波、不稳定电压对负载的干扰。其主路的工作模式原理图如图2所示。
2）UPS旁路运行方式当发现不间断电源的功率模块过载、温度过高等所有有可能会关闭逆变器的故障时，能够自动转换到旁路。此时旁路电源能够直接供电给负载，但此种运行方式下的负载供电质量不会被不间断电源保护，如果交流电压频率或波形不正常、停电，都会对此产生影响。旁路模式原理如图3所示
3）UPS电池运行方式当整流器交流输入发生异常时，UPS直接转换成电池供电，同时电池直接给功率控制模块供电，再通过逆变转换为交流后输出。电池模式原理图如图4所示。
4）维修旁路运行方式当不间断电源在维修旁路模式下工作时，此时的电流仅流经维修旁路，不再通过主功率模块、旁路模块。维修旁路模式原理如图5所示。
5）ECO（Energy Control Operation）模式该模式是不间断电源的省电运行模式，该模式能够通过LCD以及可视化的Web界面进行设置。省电模式下，当旁路的源电压处于ECO电压值范围内时，静态旁路的开关连通，进行旁路供电，此时逆变器是待机状态（此模式要手动开机，来保证逆变器处于待机状态，进而确保能量流图已经流到逆变器模块部分）。当旁路的源电压不处于ECO电压范围内时，相关负载会通过旁路转换到逆变形式供电。不管供电方式是旁路还是逆变，整流器始终是开启状态，同时通过充电器给电池充电。此种模式效率会更高。ECO模式原理图如6所示。
双逆变电压补偿在线式UPS的优势
通过在华为廊坊2012集中实验室二期及云计算中心三期改造项目工程数据机房中的现场UPS调试测试，双逆变电压补偿在线式UPS的优点主要有以下几点。
1）可以补偿输入功率因数，同时抑制输入电流谐波，从而保证输出电流的高质量和稳定性。
2）在逆变器的作用下，补偿输入电压。相比于输出电压额定值，当输入电压过高时，逆变器吸收功率，反极性补偿差值；当输入电压过低时，正极性补偿差值。
3）在逆变器作用下，双逆变电压补偿在线式UPS可以对电池进行充电和浮充功能，以保证供电容量。
4）不论市电状态好坏，都可以对负载供电，且输出电压稳定、频率稳定。
5）市电异常状态时，输出电压没有转换时间，即不间断地在线工作，即使负载电流发生畸变，逆变器也能进行调整和补偿。
UPS系统安装及调试注意事项
安装注意事项
UPS更不能够设立在有热源、水源、易燃易爆、粉尘、太阳直晒以及有金属导电型尘埃、挥发性、腐蚀性介质的场所。
UPS机房地面必须做防静电和防尘涂层。阀控式的密封铅酸蓄电池最佳工作温度在20～30℃之间，高于30℃时电池使用寿命会降低，低于20℃时电池备电时间会缩短。
各相关设备应考虑操作和通风空间：前后空间均不应少于800mm，顶部不应少于550mm。
注意UPS机房内的桥架与其他专业的综合排布，大数据中心的UPS数量很多、设备体积大，一般1个UPS机房内均含有UPS主机和输出配电柜约40～50台，相当于一个大型的低压配电室，桥架的合理排布尤为重要，不仅要美观整齐还要保证后期电缆敷设方便、减少交叉打弯现象。
大数据中心的数据计算设备用电量大，使用的UPS载流量也大，一般均在400A以上，当载流量超过400A设计师一般均用双拼单芯电缆，单芯电缆敷设时要注意每个回路的相线、零线、地线的顺序，尤其是在进UPS柜顶部进出线和桥架内敷设时，每条回路单芯电缆顺序混乱时会出现大量电涡流，使电缆温度升高。
调试注意事项
1）首次开机时一定要按照厂家提供的指导书步骤进行参数设置，同时要求UPS供货厂家技术人员在现场指导，需要确认UPS的所有外置和内置开关均处断开状态。
2）进行带载调试时要由低到高逐级增加，同时每增加1路负载时要检查UPS系统界面是否有报警提示，避免负载过多UPS主机出现故障来不及处理。
3）断电模拟调试时，要先检查UPS电池组是否充电完毕，避免在市电切断时电池组电量不足负载设备突然断电导致内部元器件所坏。
结语
经过对改项目案例UPS供电系统分析，同时随着近几年大数据中心、互联网+的快速发展，数据中心UPS供电系统已发展多种供电模式，如何选择经济可靠、合理安全的供电模式成为热点。
目前国内的新建大数据机房多数采用双逆变电压补偿在线式UPS对仓储式模块机房中的设备进行供电，但其实不同的供电模式有各自的优缺点和应用范围。我们应当根据自身情况，包括资金、空间和期望水平，通过对供电模式的特点的综合比较，选择最适合自身情况的供电模式。
最后，我们还应当积极进行技术进步和技术创新，致力于逐渐提高机房的运行安全和稳定，致力于逐渐提高电源质量和降低成本，以此保证数据中心工程的建设和正常运行，保障经济效益。