如何選擇和配置UPS及其供電架構

本文從用戶在UPS電源及其供電架構的選擇和配置以保證可靠供電等方面進行概述，試圖解決用戶的某些困惑。

作為負載用電可靠保障的UPS電源，在各行業(yè)領域中得到了廣泛的應用。UPS的研發(fā)和應用已有幾十年的歷程，現(xiàn)有的各種品牌、機型和架構為用戶提供了更多的選擇余地。而在實際案例中，有些用戶卻因選擇了不適合的UPS產品而對供電系統(tǒng)帶來隱患或造成經(jīng)濟上的損失。為此，數(shù)據(jù)中心的UPS電源及其供電架構的選擇和配置值得令人關注。

施耐德電氣日前發(fā)布的《UPS如何選擇、配置和降低成本》白皮書，為用戶在選擇UPS和配置架構時提供了更多的選擇。文章指出，由于面臨IT設備不斷增多、用電量加劇、機房空間緊張、節(jié)能降耗需求等挑戰(zhàn)，用戶在選擇UPS時，應重點考慮適用性、可靠性和可用性、節(jié)能減排、運維管理、成本等多方面因素。

根據(jù)需求選擇適用的UPS

隨著UPS技術的成熟與進步，行業(yè)廠商開發(fā)并提供了工頻機型、高頻機型、模塊化機型和專用工業(yè)機型等多種UPS。用戶可以根據(jù)自己的需求選擇適用的機型。

單相或三相UPS的選擇

根據(jù)UPS要保護的負載以及設備的電壓范圍或功率值，就可以確定是需要單相還是三相UPS。通常情況下，20kVA或更低的負載可以采用單相UPS，而功率較大的負載則需要三相UPS。

如果確定采用三相UPS，那么需要確定使用三相輸入/單相輸出配置還是三相輸入/三相輸出配置？這與負載類型有關。數(shù)據(jù)中心的服務器等IT設備通常使用單相電源，如磁共振成像系統(tǒng)(MRI)等醫(yī)療設備或大型工廠車間機器可能使用三相電源。

在需要三相輸入/三相輸出UPS的情況下，負載平衡問題將會很棘手。例如在石油天然氣等行業(yè)中，不希望花費更多的精力去處理其負載平衡的問題，因此通常選用三相輸入/單相輸出UPS。

另一方面，使用三相輸入/三相輸出的優(yōu)勢在于可以采用集中式電源保護方案，使用一臺大型UPS用于保護整棟建筑物或一組關鍵電路。從這個意義上講，可以簡化用戶的電源保護方案。

如何確定UPS和電池容量 1

UPS的容量

根據(jù)所保護的負載的能耗確定UPS容量。UPS基本容量E與負載能耗P的關系如下：E≥1.2P應考慮其運行時不超過其額定容量的60％至70％，出于安全性和將來擴容的需要，實際上40％至50％更常見。

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電池的容量

電池容量的計算可按恒電流法或恒功率法進行計算。

一個粗略估算法如下：

UPS功率（VA）×后備時間（h）÷UPS啟動直流電壓（V）=電池容量（Ah）

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后備時間的選擇

當市電中斷時客戶所需后備時間的長短取決于現(xiàn)場是否有發(fā)電機。如果現(xiàn)場有發(fā)電機，那么在發(fā)電機啟動之前，客戶只需要一兩分鐘的延時來為負載供電即可。如果現(xiàn)場沒有發(fā)電機，UPS將單獨為負載供電，必須確定客戶需要多長時間。

功能的選擇

UPS供電系統(tǒng)所具備的功能對于系統(tǒng)的運維管理來說是相當重要的。用戶所關注的功能主要有：遠程管理、自動關機、冗余、斷電通知、電池更換警告、環(huán)境監(jiān)控、狀態(tài)顯示、事件日志等。

UPS的供電架構配置

按可靠性高低依次增加，UPS五種供電架構配置如下：

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滿容量或N設計

N系統(tǒng)包括單個UPS或一組UPS，其容量與關鍵負載容量相匹配，如圖1所示。

N冗余配置的缺點是如果UPS出現(xiàn)問題，負載可能不會得到保護。特別是在具有多個模塊的三相UPS中，這種結構帶來了多個單點故障的風險。

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串聯(lián)冗余

通過隔離冗余配置，主UPS通常為負載供電，而第二級UPS則為主UPS的靜態(tài)旁路供電，如圖2所示。這要求主UPS具有用于靜態(tài)旁路電路的單獨輸入。如果主UPS所帶負載切換到靜態(tài)旁路，那么第二級UPS會立即承載全部負載，而非將其轉移到市電回路。該設計提供了一種增加冗余而無需完全替換已有UPS的方法。但其復雜程度大為提升，增加了更多的器件，引入了新的故障風險，從而導致可靠性降低。

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并聯(lián)冗余（N+1）

并聯(lián)冗余配置由多個容量相同的UPS并聯(lián)運行并提供公共輸出總線。如果“備用”UPS容量至少等于一個UPS的容量，則該系統(tǒng)被認為是N+1冗余，如圖3所示。與串聯(lián)冗余結構相比，故障概率較低，因為所有UPS始終在線運行。這也是一種更簡單、更具成本效益的結構。

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分布式冗余

分布式冗余設計是在20世紀90年代后期開發(fā)的，用以提供完全冗余的能力而無需增加相關成本。這種設計通常用于大型數(shù)據(jù)中心，尤其是金融機構。此設計將用到3個或以上帶有獨立輸入和輸出饋線的UPS，輸出總線通過多個PDU連接到關鍵負載，在某些情況下還連接到靜態(tài)轉換開關（STS）。STS有兩個輸入和一個輸出。其通常接受來自兩個不同UPS的電源，并為負載提供來自其中一個UPS的電源。如果主UPS發(fā)生故障，STS將在大約4到8毫秒內將負載切換到輔助UPS，從而始終為負載提供電源保護。

這種方案效率較低，因為UPS通常在遠低于滿載的情況下運行。如圖4所示。

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系統(tǒng)+系統(tǒng)（2N，2N+1）

“系統(tǒng)+系統(tǒng)”模型是業(yè)內公認的最可靠的設計。該設計可以組成一個可能永遠不需要將負載切換到市電的UPS系統(tǒng)，因為這個設計旨在消除所有可能存在的單點故障。

與分布式冗余方案一樣，對于如何配置系統(tǒng)+系統(tǒng)模型存在許多選項，其中還包含多種架構，其中包括：串聯(lián)并行、多并行總線、雙端系統(tǒng)、2（N+1）、2N+2、[（N+1）+（N+1）]和2N。根據(jù)用戶的需求，其架構設計可能很簡單，也可能非常復雜。

該設計需要兩路供電來支持所有關鍵負載，并實現(xiàn)從系統(tǒng)的進入端一直到末端，即關鍵負載端的完全冗余。

毫無疑問，由于冗余組件的數(shù)量及其較低的能效水平，系統(tǒng)+系統(tǒng)的系統(tǒng)設計在五個系統(tǒng)中成本最高。但考慮到其所保護負載的重要性，這種設計的高成本是合理的。實際上，許多大型企業(yè)都使用這種設計來保護他們的關鍵負載。

結束語

綜上所述，提出如下建議：

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在選擇和配置UPS及其供電架構時，不要過分追求降低前期建設成本，要選購知名廠商的UPS和電池。要著眼于降低后期的運行和管理成本，盡快收回前期建設的投資；

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鋰電池的研發(fā)和應用現(xiàn)已成為業(yè)界技術潮流，不管在動力或儲能領域，應充分重視鋰電池的安全性。

隨著現(xiàn)代電力技術的不斷發(fā)展，對于供電質量要求也明顯提高，隨著電子器件和技術的進步與發(fā)展，使UPS在控制、結構、管理體系方面得到了加強和完善。只要用戶根據(jù)自己的需求，充分了解各種品牌的技術特點和系統(tǒng)方案，一定能選擇到最適合的UPS以及供電架構。