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數據中心UPS供配電系統是非常重要的一個子系統。用戶對UPS供配電系統的要求,主要表現在三個方面:高可用性、全生命周期的總成本、對運輸安裝就位及場地的適應性以及使用操作維護過程中的靈活性?；谟脩暨@三方面的要求,三相UPS電源究竟要往何處去?
新的運行模式-革命性的超級旁路優先運行模式
重新審視歷*出現的雙變換、后備式、在線互動式和Delta變換等電氣變換技術,今天市場上5kVA以上的UPS大都采用雙變換模式,這好像是天經地義的。但是,仔細研究會發現一個事實,傳統的逆變器優先運行模式(雙變換模式)千辛萬苦,將市電通過整流器和逆變器進行能量的兩次*轉換,好不容易輸出了1%精度的交流電給負載供電,但是看看IT設備對交流電源的要求(-20%,+10%,40～70Hz),可以發現1%的電壓精度其實對IT設備沒有多大價值。相反,在雙變換模式下,能量經過兩次*的轉換后效率較低(90%～95%),要命的問題是電容、電感、功率器件IGBT等每秒鐘都要承受所有的負載電流,元器件的疲勞老化嚴重,壽命降低,從而可用性降低。從本質上來說,傳統的逆變器優先運行模式(雙變換)就是一種低可用性的模式(圖1)。
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為了提高可用性,降低TCO(提高效率),早在2010年,行業里面又推出了一種新的運行模式,叫做ECO模式(經濟模式),也叫做旁路優先運行模式。該種模式下,絕大部分的時間UPS都是工作在旁路。當旁路市電超出了IT設備能夠允許的范圍(設定的窗口)之后,它將會自動的切換回逆變器運行模式。這種模式相當于是市電直通,輸入的性能指標就是IT負載的性能指標,即UPS輸入功率因數=IT設備的功率因數(0.90～0.95),輸入的諧波電流=IT的設備的諧波電流(15%～30%)。這種模式的好處是市電直供,效率可達99%。ECO模式的缺點是,市電電網的故障是千變萬化的,在某些情況下,它不能夠保證地能從旁路模式切換到逆變器模式,它會有一個切換時間,當切換時間超過IT設備能夠承受的范圍時,就會造成IT設備重啟,使得IT應用的可用性降低。
可見逆變器優先運行模式(雙變換模式)和普通旁路優先運行模式在可用性方面都有較大的弱點。2012年施耐德研發團隊研發出了第三種模式-即超級旁路優先運行模式(E變換模式)。它不是普通的旁路優先模式。如圖1所示,該模式下,逆變器與旁路市電并聯工作,逆變器精確控制的結果是終實現由旁路市電提供有功功率(基波電流),逆變器提供無功功率(諧波電流),兩者合起來就是IT負載所需要的電流。因此市電的輸入功率因數可以做到>0.99,輸入的諧波電流<3%。該模式下UPS提供一級供電質量,保證IT設備的正常運行。同時,逆變器還可以給電池提供10%的充電能力。
當市電電網有問題時,會自動關斷旁路市電供電,由逆變器*的給負載供電,由于逆變器本身一直在工作,因此也就不存在切換時間,或者說切換時間=0ms,從而保證了可用性。同時特殊的可控硅關斷控制技術,也確保電池的能量在任何情況下都不會倒灌回電網。
仔細分析發現,超級旁路優先運行模式大的優點其實是:電容、電感、功率器件等沒有承受所有的負載電流,*處于輕載運行,因此元器件的疲勞老化輕微,壽命延長,系統可用性提高。可以說超級旁路優先運行模式理論上就是一種高可用性的運行模式。另外,在這種模式之下,我們看到效率也非常高,可以達到98.8%。
總結如下:超級旁路優先運行模式下功率器件負載率低,器件疲勞老化輕微,是一種高可用性的運行模式。輸入功率因數0.99,輸入諧波含量<3%。輸出供電質量達到一級標準,切換時間為零毫秒,效率高達98.8%以上。滿足了用戶高可用性、高效率、高輸入性能指標的要求,這是非常*的一種模式。這種模式是施耐德在2012年獲得的技術,并在2014年開始全面應用到GalaxyV系列產品。
下面計算對比一下超級旁度優先模式(E變換)和傳統的逆變器優先模式(雙變換)的能耗。以1000kW的IT負載為例,施耐德Galaxy7000系列UPS雙變換模式的效率是94.3%,而GalaxyV系列UPS超級旁路優先模式的效率可以達到99.1%,效率差是4.8%。再考慮到空調的耗電,總共加起來了兩個系統的效率差是6.4%,在1000kW負荷下,每年節省365×24×6.4%×1000=56萬度電,三相大功率UPS一般使用壽命都是十年以上,十年下來,它可以節省560萬度電
多電平逆變器技術(圖2)
三相UPS電源的第二個重要的趨勢是新型逆變器技術的發展。前面已經介紹了超級旁路優先模式的好處,如高可用性、高效率、高輸入性能指標、一級供電質量等,但是某些行業用戶,它的使用習慣或者是行業的規范要求UPS要運行在逆變器優先模式(雙變換)。思維的慣性,也使得相當大一部分用戶在相當長時間段內還是喜歡運行在逆變器優先模式,這點,從到今天為止還有用戶偏好工頻機就可以看出來?？梢灶A見,今后相當長一段時間內超級旁路優先運行模式和逆變器優先運行模式在中國將會*共存。
因此UPS廠家也必須在逆變器技術方面進行研究。傳統的工頻機和高頻機都采用的是兩電平逆變器的技術。工頻機的直流母線電壓為432V。高頻機的直流母線電壓是750～800V。高頻機由于效率高、體積小、重量輕,早在上世紀90年代就是各個廠家重要的技術發展方向。
但高頻機兩電平逆變器架構中其功率器件IGBT的承壓就是直流母線電壓750～800V,這樣就必須挑選耐壓值為1200V甚至1500V的IGBT功率器件。研究功率器件發現,耐壓值越高的功率器件,其失效率越高(是耐壓值800V器件的十倍)。因此為了提高逆變器的可用性,必須降低功率器件的承壓。
三電平逆變器應運而生,它通過增加功率器件串聯來分擔高頻機的800V直流母線電壓,使得每一只器件的承壓降低到了400V,這樣我們就可以選擇600或者800V耐壓的功率器件。從而提高可用性。400V電壓甚至低于工頻機的432V的直流母線電壓,從理論上說,三電平逆變器的高頻機的可用性已經高于傳統的兩電平逆變器工頻機。
進一步又開發出了四電平逆變器,使得功率器件的承壓降低到直流母線電壓的1/3即266V。因此我們可以采用500V或者是600V耐壓的功率器件,使得逆變器的可用性得到進一步的提高。
同時從效率的角度來講,兩電平逆變器的效率大概能做到94.5%,三電平逆變器的效率可以做到96%,四電平逆變器的效率可以做到97%。
但是多電平逆變器帶來了一個不好的地方,功率器件的數量增加了。使得制造成本提高,理論上故障率也會提高。因此從這個角度出發,不可能無限制地采用比如說五電平六電平的逆變器,也沒有必要。
研發人員又重新思考,回到了三電平逆變器。但是它是一個采用混合型架構的三電平逆變器(圖3),增加了一個零電壓開關的控制環節,目的是使得IGBT的開關損耗減少了50%,同時功率器件的數量也得到了降低。
采用混合三電平逆變器的效率達到了97.5%,只用了24個功率器件(四電平架構要用到50個功率器件)。因此新型的混合三電平逆變器技術,它不但提高了效率,降低了元器件的數量,降低了成本,同時理論上來講,由于元器件的數量的降低,它的可用性也得到了提高。
從后備到儲能-電池角色的轉變
第三個重要的趨勢是電池角色的轉變,從以前的后備角色的被動工作狀態轉變到今天的儲能角色的主動工作狀態(圖4)。
UPS供配電系統是由UPS主機、電池、配電系統等構成的,電池在整個系統當中占有重要的地位,其成本的占比也非常高。對于大功率UPS系統來講,在10～15年的生命周期中,電池要更換2～3次,因此電池的成本甚至要高于UPS主機的成本。
傳統的UPS供配電系統當中,電池的角色是個什么樣的定位呢?絕大多數情況下,電池處于后備的被動工作的狀態。數據表明,2016年中國10kV電網的可用性是比較高的。城市范圍內10kV平均每年的斷電次數為1.2次,平均每年的斷電時間是5.2h,其中有3.5h是有提前預告的維護性斷電,只有1.7h是屬于突發性的斷電?？梢哉f,每年電池大概會有2次的使用機會,那么電池每次會放電多長時間呢?大型的數據中心,都會配備發電機,發電機在市電中斷以后,在1min內就會完成啟動并處于可以供電的狀態。也就是說其實電池在每年2次的放電過程中,每次只工作了1min,這是絕大多數的數據中心電池的真實的運行模式。
UPS系統中,UPS主機每秒鐘都在工作,我們花在UPS的上面的錢是有價值的,但是電池我們花的錢更多,結果卻是每年僅工作2次,每次只工作1min,而且電池日常維護工作量還是比較大的。
產生上面問題的原因是電池以前是處于一種被動工作的后備的角色和定位,如果換一種思路,將電池定位成主動工作的儲能的角色,終發現情況*不一樣了。讓電池主動工作,使電池從一個使用機會很少的消耗品變成頻繁工作的利潤來源或者是平衡電網的一個利器,電池的價值就會得到*的發揮。
大型數據中心里面,UPS供配電系統的耗電量是非常驚人的。如果搭建兩條1250kW的UPS母線,支撐1000kW的IT負荷,加上UPS系統的損耗,10年下來總計電量為9200萬度電。中國的很多城市采用峰谷電價計費模式,思考一下,如果把電池定位成一個分布式的儲能系統,控制電池根據峰谷計費的時段,進行主動的充電和主動的放電,利用電價差進行套利,情況會怎么樣呢?
一般來講峰谷電價差大約是1.1元/kWh,傳統的12V100Ah的鉛酸蓄電池,它所儲存的電能大致是1.2kWh,如果每天進行2次充放電,刨除我們預留的20%～30%的容量以及考慮充放電效率,會發現每只電池每天能夠掙到0.75×2=1.5(元),一年掙到550元,一只12V/100Ah鉛酸蓄電池采購成本大約1000元,即兩年即可收回電池成本。
那么儲能定位帶來的另外一個功能就是扛峰(削峰)的功能(圖5)。對于大型的數據中心(特別是ColoIDC),從設計師和用戶的角度,希望申請到一臺電網變壓器,能夠盡力的發揮變壓器的容量,讓它能夠帶更多的IT負載,可以賣出更多的機柜,可以掙到更多的錢,這樣的話,這個數據中心的商業模式才更加成功。怎樣才能夠讓一個2500kVA的變壓器能夠帶更多的負載呢?很明顯就是要提高負載率。但是IT負載它不是一條直線,它是一條曲線,根據不同類型的應用,峰峰值在5%～20%之間。如果設計負載率太高,當IT在峰值的這一點的時候,就會超過變壓器的容量,也就是過載。這個是不被允許的。
思考一下,在IT負載的峰值的時候,可否用電池儲存的能量來為超出變壓器能力的這一塊峰值負荷供電,這樣變壓器就不會過載了。其實這就要求UPS有這么一個功能,叫做扛峰的功能,它可以同時從電網吸收能量,加上電池組儲存的能量,一起給逆變器供電,來帶IT負載。有了扛峰這個功能就可以真正的提高變壓器的負載率,同時又不用擔心過載。對于IDC數據中心來講,是非常重要而實用的一個功能。
傳統的被動的后備工作模式下,電池每年工作2次每次放電1min,加上每半年一次的對電池的維護充放電的操作,一年下來電池的充放電次數平均不超過10次。但是如果進行主動的儲能工作模式,峰谷電價套利和扛峰運行,給電池帶來了新的問題,即電池的循環次數大大提高,每年要求500～1000次循環次數,10年運行期內,共計5000～10000次循環。
傳統的鉛酸電池的循環壽命只有500～800次,遠遠滿足不了這個要求。因此,必然的,從2010年起,鋰電池開始進入數據中心。只有鋰電池才能夠滿足這種主動的儲能工作模式的循環壽命要求。
目前鋰電池的循環壽命可以達到7000～1萬次,寧德時代新的鋰電池理論上的循環壽命達到了15000次。如果按照每年1000次的放電循環的話,我們會發現鋰電池也可以用到十年以上,跟UPS主機的使用壽命相匹配了,再也不用每3～5年更換一次電池了。
鋰電池不單單是具有更長的循環壽命,可以將UPS系統帶入嶄新的分布式儲能定位,鋰電池與鉛酸電池比,還具有如下優點:體積為1/3,重量為1/3,理論日歷壽命15年(匹配UPS生命),內置BMS電池管理系統(不需要人工維護管理),適合0～50℃環境溫度,1C快速充電,全生命周期TCO降低30%等。隨著新能源電動汽車、儲能等的驅動,鋰電池初期采購成本進一步降低,會加速進入數據中心。
為了使得電池具有主動的儲能工作的能力,UPS主機的設計和功能也必須進行改變。比如說它應該具有主動控制的峰谷電價充放電的工作模式。比如,它應該具有讓電網和電池的能量同時加起來給逆變器供電的這種扛峰的功能。另外,為了能夠對鋰電池快速回沖,UPS還必須具有大功率的充電功能。傳統的三相大功率UPS的充電能力是10%～20%,而新型的能夠兼容鋰電池的三相UPS的充電功率可以達到35%～80%。
如果UPS不做出這些硬件和軟件控制上的改進,當然它也能夠跟鋰電池進行配合工作,只不過它是把鋰電池當成了普通的鉛酸電池來使用,根本沒有發揮鋰電池這種主動的儲能的工作模式帶來的好處。
需要高度注意的是,今天的用戶即使不采用鋰電池,也應該采購具有兼容鋰電池的UPS主機(35%～80%充電能力、峰谷電價套利功能、扛峰功能),否則用戶在接下來的10年時間中都會被套在注定競爭力越來越弱的鉛酸蓄電池上面。
模塊化、類模塊化技術-單相和三相功率模塊
三相UPS電源的第四個發展趨勢是模塊化和類模塊化架構的應用。大型數據中心一般要搭建多條大功率UPS供配電系統,比如說搭建多條1500kW的UPS母線,傳統的方案是采用多臺UPS并機,比如說3臺500kW或者是四臺500kW的并聯。如圖6所示,UPS主機的外圍需要大量的配電柜、內置每臺UPS的輸入輸出旁路等的斷路器,并通過多條交直流電纜將配電柜、電池開關柜和UPS主機進行連接。這是非常典型的傳統的多臺并機的大功率UPS系統。
模塊化UPS
這種系統操作起來是非常復雜的,因為斷路器非常多,而且有操作順序的要求。新型的模塊化和類模塊化的UPS供配電系統,*地改變了這種復雜狀態。如圖6所示,一套大功率的模塊化UPS供配電系統,每一個UPS功率柜是250kW,根據功率的需求,可以用多個250kW的功率柜進行并聯,而且可以共用一個大功率靜態旁路柜來提高整個系統的可用性。我們可以看到在UPS主機的外圍只需要少量的輸入輸出配電柜和交直流電纜,因為250kW的功率柜之間都是采用銅母排進行連接的,用銅母排取代了電纜,250kW功率柜的內部都有自動控制的接觸器,取代了人工操作的外圍的斷路器。
因此新型的模塊化大功率的UPS的并機系統,由于采用了這種柜體間銅母排連接和內置接觸器的模塊化和類模塊化的輕預制化架構,大大的簡化了整個UPS供配電系統,操作維護簡單,降低了人為的故障,提高了可用性。模塊化類模塊化架構,還可以降低制造采購和維護成本,降低維修時間,提高可用性。
對于大功率的UPS供配電系統來講,采用的功率模塊更傾向于單相模塊,每相功率較大,這樣可以降低并聯的節點數,降低并聯環流,提高可用性,例如250kW的功率柜,內部是6個42kW單相模塊,兩兩并聯,分別形成ABC相,一共3個并聯點,每個是2模塊并聯。但如果采用5個50kW三相模塊并聯,就有3個并聯點,每個是5模塊并聯,復雜程度增加,環流增加,可用性降低。
對于中等功率的UPS系統來講,由于功率不大(<200kW),需要并聯的模塊數不多,更多的還是采用三相功率模塊。施耐德在新的VS系列UPS系統里面采用了50kW的三相功率模塊,可以看到由于采用了混合三電平的逆變器,功率模塊的效率達到了97.5%,只有3U安裝高度,重量低至38kg,一個人就可以進行更換。
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