深度解析數(shù)據(jù)中心的核心 電量傳感器

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用的快速發(fā)展，云計算，云存儲，大數(shù)據(jù)等相關(guān)新型互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)規(guī)模與日俱增，數(shù)據(jù)中心進(jìn)入規(guī)模化建設(shè)階段。數(shù)據(jù)中心巨大規(guī)模的建設(shè)與應(yīng)用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心對供電需求快速增長，根據(jù) ICT Research 機(jī)構(gòu)預(yù)測，2016 年的中國數(shù)據(jù)中心耗電量已逾 1000 億千瓦時，相當(dāng)于三峽水電站年發(fā)電總量。于此同時，全球數(shù)據(jù)中心用電量也已超過 10000 億千瓦時。據(jù)美國媒體調(diào)查，全球各大網(wǎng)站僅數(shù)據(jù)中心的用電功率，就相當(dāng)于 30 個核電站的供電功率，巨大的用電容量給數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運營都帶來了全新的挑戰(zhàn)。

目前在數(shù)據(jù)中心運營過程中，由于電力故障，設(shè)備故障，雷擊事件等導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中心用電安全事故時有發(fā)生。事實上，數(shù)據(jù)中心的用電故障帶來的損失不僅僅是數(shù)百上千萬美元的直接經(jīng)濟(jì)損失，對于眾多國際知名品牌與上市公司來說，品牌和股價等隱形價值的負(fù)面影響難以估量。

隨著新型功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，新型電力電子電能變化拓?fù)涞陌l(fā)明與應(yīng)用，以及現(xiàn)代控制理論與數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心不間斷供電技術(shù)得到了顯著的提升，對供電系統(tǒng)的可靠性，成本與技能，配置靈活性和可擴(kuò)展性等提供了有效的技術(shù)支撐。

大型數(shù)據(jù)中心供電的任何故障都可能給業(yè)主和客戶帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失或者災(zāi)難性的后果。因此，數(shù)據(jù)中心能否可靠運營的關(guān)鍵之一是 IT 設(shè)備的不間斷供電。在保證不間斷供電的前提下，不斷提升不間斷供電架構(gòu)的可靠性，是數(shù)據(jù)中心用戶一直以來的核心需求。

通常數(shù)據(jù)中心不間斷供電系統(tǒng)一般包括高壓配電系統(tǒng)，變壓器，柴油發(fā)電機(jī)組，低壓配電系統(tǒng)，防雷器，UPS，電池組，列頭柜，機(jī)架分配單元（PDU），連接器等組成環(huán)節(jié)。其中 UPS 作為不間斷供電系統(tǒng)的核心部件，起到舉足輕重的作用。為了使不間斷供電系統(tǒng)始終保持高效的運作，在特定環(huán)境下，選擇雙轉(zhuǎn)換在線式可能更為合適。特別是在 AC 電源高度失真和 / 或具有極大電壓變化的地理區(qū)域，雙轉(zhuǎn)換在線式 UPS 無需頻繁轉(zhuǎn)換到電池供電即可維持正常輸出。較低的電池使用率可以保存電池容量以應(yīng)對長時間的斷電事故，并延長電池使用壽命。此外，降低電池更換成本可以抵消在線互動式 UPS 低初始成本和低運營成本的優(yōu)勢。在某些特殊的情況下可能需要使用雙轉(zhuǎn)換在線式 UPS，比如對于某些醫(yī)療設(shè)備或儀器，需要進(jìn)行功率因數(shù)校正（PFC）、要求較小的物理尺寸或需要進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換等等。前文提到的高效包括：

2 轉(zhuǎn)換效率高（Po/Pin》96%）

2 輸入電流波形的正弦波畸變率?。ā?%）

2 優(yōu)異的動態(tài)負(fù)載跟隨相應(yīng)

2 N+X 的冗余工作模式

為使 UPS 工作在上述的高效模式，這其中離不開電量傳感器對一些關(guān)鍵位置的電壓和電流信息的量測。

通常情況下，一個典型的雙變換在線式 UPS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

正如其名稱所示，雙轉(zhuǎn)換在線式 UPS 會進(jìn)行兩次電源轉(zhuǎn)換。首先，將 AC 輸入（包括所有電壓尖峰脈沖、失真和其他異常）轉(zhuǎn)換為 DC。然后，在 UPS 的精密調(diào)控下將 DC 重新轉(zhuǎn)換為 AC。這種 AC 輸出甚至可以具有與 AC 輸入不同的頻率。在存在 AC 輸入時，為負(fù)載設(shè)備提供的所有電源都經(jīng)過這種雙轉(zhuǎn)換過程。當(dāng) AC 輸入超出指定范圍時，UPS 會從電池獲取電能，這樣 UPS 輸出就不會受到影響。在大多數(shù)雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計方案中，這種發(fā)生在 UPS 內(nèi)部的 AC 輸入和電池之間的轉(zhuǎn)換需要數(shù)毫秒的時間。同樣，在這些轉(zhuǎn)換過程中，也是由“DC 鏈路”（請參考上圖）中的電容將存儲的能量提供給逆變器。因此，即使進(jìn)入“DC 鏈路”的電源出現(xiàn)短暫中斷，UPS 輸出電壓也不會受到影響，可以持續(xù)供電。

在上述電能轉(zhuǎn)換過程中，在 AC 輸入和 DC 鏈路以及最后的 AC 輸出等諸多環(huán)節(jié)上都會需要電量傳感器去監(jiān)測輸入輸出的電壓或者電流，主要因素如下：

1. 根據(jù)監(jiān)測的電壓值或者電流值去判斷當(dāng)前電網(wǎng)或者負(fù)載的狀態(tài)然后決定 UPS 需要哪種模式工作

2. 根據(jù)監(jiān)測的電壓值或者電流值去進(jìn)行精準(zhǔn)的閉環(huán)控制，以滿足苛刻負(fù)載的要求。

另外，需要特別注意的是，在 UPS AC 輸入和 AC 輸出端，針對于電流傳感器的選型需要根據(jù)不同的應(yīng)用特性加以區(qū)分。

用在 UPS AC 輸入端的電流傳感器在選型時主要依照原邊電流為正弦波去考慮，再按照設(shè)計的過載系數(shù)和紋波系數(shù)去確定電流傳感器的最大可量測峰值范圍即可。

用于 UPS AC 輸出端的電流傳感器在選型時需要關(guān)注到 UPS 帶非線性負(fù)載的另一個關(guān)鍵指標(biāo)—諧波因子（CF=Crest Factor），通常 UPS 的 CF 值范圍選取根據(jù)不同的負(fù)載選擇也有所不同，通常會設(shè)定在 2.1-3.0 之間，因此在選擇電流傳感器的可量測范圍時需要特別注意到這一點，否則就會導(dǎo)致因采樣量程不夠而造成控制上的盲區(qū)使得最終 UPS AC 輸出電壓發(fā)生畸變。

還有一點需要注意的是：通常作為電壓源輸出的 UPS 設(shè)備都會具備抗瞬時的輸出短路能力，這需要 UPS 的控制單元能夠?qū)敵鲭娏鞯?a target="_blank">檢測做出快速響應(yīng)，因此作為檢測環(huán)節(jié)的電流傳感器，對于響應(yīng)時間的參數(shù)要求，也應(yīng)當(dāng)在考慮范圍之內(nèi)，否則就可能造成保護(hù)的延遲失調(diào)。

所以，選擇一款合適的電量傳感器對于數(shù)據(jù)中心不間斷電源的整體性能提升至關(guān)重要，從而保證設(shè)備的高效運行。