提高模塊化UPS可靠性的方法

本文基于可靠度數(shù)學(xué)模型對(duì)模塊化UPS冗余功率模塊數(shù)量、模塊容量和模塊質(zhì)量與UPS主機(jī)可靠性的關(guān)系進(jìn)行了定量計(jì)算和定性分析,最后從功率模塊設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面給出了提高模塊化UPS可靠性的方法。

數(shù)據(jù)中心在線式UPS市場(chǎng)中,工頻機(jī)、高頻機(jī)和模塊機(jī)是三種常見(jiàn)的機(jī)型,模塊化UPS以其下特性逐漸成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn):

①功率模塊可實(shí)現(xiàn)在線熱插拔,在配電容量和蓄電池后備時(shí)間滿足的情況下,可實(shí)現(xiàn)在線按需擴(kuò)容;

②可以根據(jù)負(fù)載率調(diào)整在線工作功率模塊的數(shù)量,使剩余模塊很容易到達(dá)最佳運(yùn)行效率點(diǎn),從而獲得系統(tǒng)的最高運(yùn)行效率;

③因其可以調(diào)整在線運(yùn)行功率模塊的數(shù)量,不工作的功率模塊將成為冗余備份模塊,形成“N+X”冗余系統(tǒng)(N為非冗余功率模塊數(shù)量,X為冗余功率模塊數(shù)量),提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 模塊化UPS可靠性分析

假設(shè)該主機(jī)內(nèi)系統(tǒng)中各UPS功率模塊之統(tǒng)計(jì)上是相互獨(dú)立，即不存在相關(guān)性。下面重點(diǎn)從模塊化UPS冗余功率模塊數(shù)量對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響和功率模塊自身可靠度對(duì)主機(jī)可靠性影響兩個(gè)方面對(duì)模塊化UPS可靠性進(jìn)行定量計(jì)算和定性分析。

(1)模塊化UPS冗余功率模塊數(shù)量對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響

①N+0配置方式可靠度分析

UPS主機(jī)采用N+0時(shí),即功率模塊系統(tǒng)不存在冗余度,當(dāng)一個(gè)小容量功率模塊出現(xiàn)故障,剩余模塊不能負(fù)擔(dān)負(fù)載容量,將會(huì)影響UPS整機(jī)的正常運(yùn)行,此時(shí)邏輯上各功率模塊可靠性為串聯(lián)關(guān)系,此時(shí)可靠度數(shù)學(xué)模型為:

　(1)

式中RS(t)表示模塊化UPS主機(jī)的可靠度,Ri(t)表示功率模塊的可靠度。

在行業(yè)內(nèi)采用小容量功率模塊堆疊方式構(gòu)成大容量UPS的機(jī)型,因其不能做到故障退出,任何一個(gè)功率模塊故障均會(huì)影響UPS整機(jī)的正常運(yùn)行,對(duì)其進(jìn)行可靠性分析時(shí)應(yīng)采用該模型。

②N+1配置方式可靠度分析

由參考文獻(xiàn)1可知,并聯(lián)系統(tǒng)可靠度數(shù)學(xué)模型可用下面模型進(jìn)行描述:

(2)

當(dāng)UPS系統(tǒng)內(nèi)部存在一個(gè)功率模塊冗余時(shí),主機(jī)內(nèi)任何一個(gè)功率模塊故障均不會(huì)影響UPS整機(jī)的運(yùn)行,只有當(dāng)兩個(gè)及以上功率模塊出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)才會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行,邏輯上相當(dāng)于CN2個(gè)“1+1”系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行,此時(shí)的可靠度數(shù)學(xué)模型為(假設(shè)各模塊可靠度相等,即Ri(t)為恒定值):

當(dāng)N≥2時(shí)

(3)

當(dāng)N<2時(shí)RS(t)按單模塊考慮。

③N+2配置方式可靠度分析

當(dāng)UPS系統(tǒng)內(nèi)部存在兩個(gè)功率模塊冗余時(shí),主機(jī)內(nèi)任何兩個(gè)UPS功率模塊故障均不會(huì)影響UPS整機(jī)的運(yùn)行,只有當(dāng)三個(gè)及以上功率模塊出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)才會(huì)影響UPS主機(jī)的正常運(yùn)行,邏輯上相當(dāng)于CN3個(gè)“1+2”系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行,此時(shí)的可靠度數(shù)學(xué)模型為

當(dāng)N≥3時(shí)

(4)

當(dāng)N<3時(shí)按單模塊及式(3)考慮。

④N+3配置方式可靠度分析

當(dāng)UPS系統(tǒng)內(nèi)部存在三個(gè)功率模塊冗余時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)任何三個(gè)功率模塊故障均不會(huì)影響UPS主機(jī)的運(yùn)行，只有當(dāng)四個(gè)及以上功率模塊出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)才會(huì)影響UPS主機(jī)正常運(yùn)行，邏輯上相當(dāng)于CN4個(gè)“1+3”系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行，此時(shí)的可靠度數(shù)學(xué)模型為

當(dāng)N≥4時(shí)(5)

當(dāng)N<4時(shí)按單模塊、式(3)及式(4)考慮。根據(jù)公式(2)～(4),下面以一個(gè)主機(jī)10個(gè)模塊為例(為方便分析假設(shè)單功率模塊可靠度為0.9),分別畫出上述四種不同冗余數(shù)量與可靠度對(duì)應(yīng)關(guān)系的曲線,如圖1所示

從圖1中可以看出:

①“N+0”可靠度曲線是一個(gè)遞減的曲線,主機(jī)的可靠度在一個(gè)功率模塊時(shí)達(dá)到最大值,而后隨著主機(jī)內(nèi)并機(jī)功率模塊數(shù)量的增加可靠度曲線出現(xiàn)遞減趨勢(shì);

②“N+1”配置時(shí),主機(jī)可靠度曲線在兩個(gè)功率模塊即“1+1”時(shí)達(dá)到最大值,而后隨著功率模塊數(shù)量增加出現(xiàn)遞減趨勢(shì),當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)功率模塊數(shù)量為N=5時(shí)可靠度數(shù)值與單個(gè)模塊的數(shù)值接近;

③“N+2”配置時(shí),主機(jī)可靠度曲線在三個(gè)功率模塊即“1+2”時(shí)達(dá)到最大值,而后隨著功率模塊數(shù)量增加出現(xiàn)遞減趨勢(shì),當(dāng)N值為9和10之間時(shí)可靠度數(shù)值與單個(gè)模塊的數(shù)值接近;

④“N+3”配置時(shí),主機(jī)可靠度曲線在四個(gè)功率模塊即在“1+3”時(shí)達(dá)到最大值,而后隨著功率模塊數(shù)量增加出現(xiàn)遞減趨勢(shì),當(dāng)N值達(dá)到10時(shí)主機(jī)可靠度仍大于單模塊可靠度。

從上述分析中可以看出隨著冗余功率模塊數(shù)量的增加系統(tǒng)可靠度隨之增加,“N+X”系統(tǒng)可靠度的最大值出現(xiàn)在N數(shù)量為“1”時(shí),即主機(jī)內(nèi)所有功率模塊在邏輯上都是并聯(lián)運(yùn)行關(guān)系。當(dāng)N>1時(shí)則進(jìn)入串聯(lián)邏輯,此時(shí)系統(tǒng)可靠度隨著并聯(lián)功率模塊數(shù)量的增加而降低。

(2)模塊化UPS功率模塊容量對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮模塊“顆粒度”即模塊容量大小對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響,當(dāng)按《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017第8.1.7條、公式(8.1.7-1)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)UPS應(yīng)留有余量,UPS基本容量不應(yīng)小于1.2倍計(jì)算負(fù)荷,即:

E≥1.2P (6)

式中E——不間斷電源系統(tǒng)的基本容量(kW/kVA);

P——電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷(kW/kVA)

由式(6)可知“余量”容量為:

(7)

由式(7)可知,滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求的“余量”容量最小值為,即其值不是必須為這一值,它可以取更大的值。因模塊化UPS具備根據(jù)負(fù)載率調(diào)整在線工作功率模塊的數(shù)量,剩余模塊進(jìn)入休眠備份狀態(tài)的功能,即當(dāng)實(shí)際負(fù)載容量小于UPS容量時(shí),就會(huì)有一部分功率模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)。然而當(dāng)功率模塊容量過(guò)大,大于“余量”容量時(shí),所有功率模塊均在線工作,無(wú)法實(shí)現(xiàn)部分模塊的休眠。

由圖1可知當(dāng)系統(tǒng)中存在冗余功率模塊時(shí),系統(tǒng)可靠性將大大提高。為此,當(dāng)實(shí)際負(fù)載容量不超UPS容量時(shí),為提高系統(tǒng)可靠性應(yīng)使單體功率模塊容量不大于“余量”容量,使UPS內(nèi)部功率模塊形成“N+X”系統(tǒng)。當(dāng)X=1時(shí)為最經(jīng)濟(jì)配置,即功率模塊最大容量為UPS單機(jī)容量的倍,否則按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)主機(jī)內(nèi)部功率模塊形不成冗余而使系統(tǒng)可靠性降低。

例如,目前數(shù)據(jù)中心經(jīng)常使用的400kVA、500kVA、600kVA的UPS,為實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)獨(dú)立模塊的功率冗余,功率模塊容量不應(yīng)大于為400×=67kVA、500×=84kVA、600×=100kVA。

另外,功率模塊的容量并不是越小越好,從圖1可以看出N數(shù)值越大系統(tǒng)可靠性越低;也不是X數(shù)值越大越好,X數(shù)值太大則會(huì)使系統(tǒng)成本升高、性價(jià)比降低,也使系統(tǒng)的負(fù)載率降低,運(yùn)行效率低下。因此在選擇功率模塊容量及主機(jī)容量時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面因素以達(dá)到最優(yōu)配置。

(3)功率模塊自身可靠度對(duì)主機(jī)可靠性影響

下面以“N+1”配置方式即式(2)研究主機(jī)可靠性與功率模塊可靠性的關(guān)系。取功率模塊“Ri=0.85”、“Ri=0.9”和“Ri=0.95”三種可靠度數(shù)值,圖2給出了相應(yīng)的可靠度曲線。

從圖2中可以看出,在主機(jī)內(nèi)功率模塊都采用“N+1”配置方式時(shí),在平面坐標(biāo)系中不同可靠度曲線所處位置的高低與功率模塊可靠度數(shù)值大小一致,在功率模塊“Ri=0.95”時(shí)可靠度最高、在“Ri=0.9”時(shí)次之,在“Ri=0.85”最低。說(shuō)明在功率模塊配置方式一樣時(shí),功率模塊的可靠度是決定UPS主機(jī)可靠度的關(guān)鍵因素。

2 功率模塊設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用應(yīng)注意的問(wèn)題

模塊化UPS的設(shè)計(jì)理念區(qū)別于塔式設(shè)計(jì)的UPS，其所有的功率模塊層疊在同一個(gè)機(jī)架當(dāng)中,且都是水平擺放，在進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)不能利用自然對(duì)流只能依靠風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷降溫；為提高功率密度，模塊間距離及模塊內(nèi)部器件間距離設(shè)計(jì)的都很小；對(duì)安規(guī)設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)提出了非常高的要求。

在數(shù)據(jù)中心配電設(shè)計(jì)時(shí)通常只考慮一次故障,但模塊化UPS由于其特殊的物理架構(gòu)不僅應(yīng)考慮一次故障而且應(yīng)考慮由一次故障引起的二次故障。例如,當(dāng)某個(gè)功率模塊內(nèi)部電路由于絕緣破壞、電氣間隙和爬電距離余量過(guò)小等原因?qū)е聝蓸O間具備燃弧條件時(shí)出現(xiàn)電弧性短路,其短路電流由于受阻抗影響數(shù)值不大,不會(huì)引起斷路器等保護(hù)器件的馬上動(dòng)作。致使其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、溫度高且伴隨等離子體輻射,很容易引起模塊起火。高溫使臨近模塊絕緣被破壞、產(chǎn)生的煙霧內(nèi)所含導(dǎo)電物質(zhì)使爬電距離和電氣間隙被破壞。進(jìn)入連鎖反應(yīng),主機(jī)內(nèi)所有模塊都有可能會(huì)出現(xiàn)故障甚至燃燒。因此功率模塊在允許的情況下應(yīng)預(yù)留足夠的空間以提高污染等級(jí),避免發(fā)生電弧短路等二次故障,平衡可靠性和功率密度,不違背使用不間斷電源的初衷。

此外,模塊化UPS在組成并聯(lián)系統(tǒng)時(shí)其失效模式不同于傳統(tǒng)的塔式UPS并聯(lián)方式。例如,系統(tǒng)由兩臺(tái)500kVA模塊化UPS并聯(lián)而成,功率模塊容量為50kVA。某一時(shí)刻負(fù)載容量為940kVA,兩臺(tái)UPS均分負(fù)載,即單機(jī)帶載量為470kVA,假設(shè)其中一臺(tái)UPS中的一個(gè)模塊因故障退出,此時(shí)UPS剩余容量變?yōu)?50kVA,處于過(guò)載狀態(tài),一段時(shí)間后轉(zhuǎn)旁路工作,隨之整個(gè)系統(tǒng)都轉(zhuǎn)旁路工作由市電直接供電,系統(tǒng)將處于不可靠狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)中兩臺(tái)UPS內(nèi)可使用的功率模塊總?cè)萘渴谴笥谪?fù)載容量的,有沒(méi)有一種控制算法可以不受主機(jī)柜邊界的限制,將兩個(gè)主機(jī)柜內(nèi)的功率模塊無(wú)差別的融合在一起。由參考文獻(xiàn)1和參考文獻(xiàn)2可知,如果功率模塊采用伊頓專利的HotSync熱同步控制算法,可實(shí)現(xiàn)并機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一個(gè)模塊退出后,剩余功率模塊不受主機(jī)柜邊界的限制自動(dòng)均分負(fù)載,達(dá)到不同主機(jī)內(nèi)的功率模塊無(wú)差別的融合成一個(gè)整體的目的,即不同容量的UPS并機(jī)。

3 伊頓在提升功率模塊可靠性方面做的工作

伊頓始終把UPS的可靠性放在第一位,在提升模塊化UPS可靠性主要做了以下工作:

①采用改善三電平電路,保證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性;

②使用了SiC混合型IGBT封裝模塊,集成了第三代碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)與第六代IGBT半導(dǎo)體技術(shù),使IGBT模塊具備更好的抗沖擊性、過(guò)電流保護(hù)和更高的效率,解決了分立器件在大功率應(yīng)用下,外部并聯(lián)的批次匹配和均流問(wèn)題,保證了核心器件的可靠性;

③對(duì)電路板進(jìn)行了三防保護(hù)、優(yōu)化了風(fēng)道布局,避免了環(huán)境因素對(duì)主機(jī)的影響,模塊采用4U設(shè)計(jì)為安規(guī)設(shè)計(jì)預(yù)留充足的空間;

④使用了長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、更安全的油浸式鋁殼薄膜電容,相對(duì)于目前市場(chǎng)上大部分模塊化UPS使用的塑殼薄膜型電容,可以從根本上降低濕度和溫度應(yīng)力對(duì)電容壽命的影響,避免了電容在失效模式下的起火風(fēng)險(xiǎn);

⑤使用了行內(nèi)可靠性最高的“熱同步”并機(jī)技術(shù),功率模塊間無(wú)信息交互通信,消除由并機(jī)方式帶來(lái)的可靠性降低的隱患。該技術(shù)允許不同容量的UPS并聯(lián),避免了傳統(tǒng)并機(jī)系統(tǒng)中一臺(tái)UPS中的某個(gè)功率模塊故障導(dǎo)致并機(jī)系統(tǒng)中各UPS容量不一致產(chǎn)生的主機(jī)間均流問(wèn)題的發(fā)生;

⑥100kAIC超高短路分?jǐn)嗄芰?能夠及時(shí)分?jǐn)嘭?fù)載或線路出現(xiàn)的短路電流,靜態(tài)旁路模塊標(biāo)配快速熔絲保護(hù)以確保短路故障下的安全操作;

⑦提供基于云技術(shù)的了PredictPulse7x24h遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù),實(shí)時(shí)監(jiān)控和器件級(jí)的診斷分析預(yù)測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)異常,將通過(guò)伊頓完善的服務(wù)網(wǎng)絡(luò),提供第一時(shí)間進(jìn)行運(yùn)維服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,模塊化UPS冗余功率模塊數(shù)量、功率模塊容量以及功率模塊可靠度決定了數(shù)據(jù)中心模塊化UPS供配電系統(tǒng)的可靠性。為獲得更高的可靠度,UPS應(yīng)選擇最佳顆粒度的功率模塊容量和機(jī)架容量,用以實(shí)現(xiàn)UPS內(nèi)部和供電系統(tǒng)的“N+X”冗余。盡可能通過(guò)各種方式提高功率模塊電路設(shè)計(jì)、器件選擇和安規(guī)設(shè)計(jì)的可靠度;除考慮冗余、功率模塊可靠性之外還應(yīng)考慮靜態(tài)旁路、蓄電池、并聯(lián)控制方式和一次故障保護(hù)機(jī)制等輔助系統(tǒng)的可靠度,只有所有子系統(tǒng)無(wú)短板整個(gè)系統(tǒng)的可靠性才能提升。

審核編輯：彭菁