IDC机房UPS供电系统存在的几个问题梅兰日兰.ppt

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1、IDC机房UPS供电系统,存在的几个问题,目录,一、UPS供电系统的现状与存在的问题二、IT行业用户关注的焦点-UPS供电系统优劣评价标准,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,一、UPS供电系统的现状与存在的问题,1、关注硬件关注数据关注可用性关注适应性,建造方法：在供电系统中，简单地加入UPS 设备运行状况：UPS系统故障多于电网停电故障；,2、受厂商和媒体的误导，用户选用UPS的标准存在错误观念,追求高指标；以功率等级确定指标；以电路结构形式确定指标；忽视对电网的污染；忽视对可靠性指标的考察；重设备忽视系统；稳压范围问题；变压器的功能、抗干扰和隔离问题；输出功率因数问题；UPS的双输

2、入配置问题；长延时UPS备用电池和备用油机问题；市电冗余配置；双总线UPS的配置；3、安全性和可靠性是当前UPS供电系统最主要的问题可靠性的衡量方法与可靠性量化指标：ACAC效率、输出电流峰值系数、输出电流浪涌系数(启动)、输出过载能力、输出负载功率因数、三相负载不平衡能力；4、仅仅提高UPS设备的可靠性，是不能从根本上解决整个供电系统的安全性和可靠性的系统故障总数中的5070%是由于配电系统中其它环节和设备的质量问题、安装问题、人为操作和维护问题引起的，或者由于这些问题而诱发UPS产生误动作乃至发生故障；,一、UPS供电系统的现状与存在的问题,5、用户感到困惑的事是，供电系统故障后，修复时间

3、长且困难,非标准化系统过于复杂；产品供应商反应速度慢；维修人员的技术水平和工作经验不高；备件储备和提供不理想；各种设备供应厂商之间的互相推诿；,6、UPS已经具备的智能管理和通讯功能没有得到充分的发挥,在实际的运行维护中，对UPS的智能管理和通讯功能的应用率大概只有20-30%。,7、UPS供电系统在设计上不规范，配置不尽合理，存在诸多隐患,系统串连形成多个单路径故障点；各种设备输入输出阻抗不匹配；存在输入谐波电流大和启动冲击电流大的设备；传输线过长和布局零乱；系统中零地电压差过大；零、地线系统设计和线缆选用不符合标准等；,8、提高使用维护水平与提高UPS技术水平同等重要,维护水平不高；对UP

4、S监测监控信息和显示功能不熟悉；选用配置UPS时的选型不当；对UPS运行时的常规维护要求执行不严格等。9、当前已建和正在设计建造的UPS供电系统中，普遍存在适应性、可扩充性、资源浪费和生命周期成本问题,二、IT行业用户关注的焦点-UPS供电系统优劣评价标准,1、集成一体化系统,2、高可靠性、高可用性,4、对UPS设备性能指标评定的标准变化,3、系统可维护性和可扩展性,二、IT行业用户关注的焦点UPS供电系统优劣评价标准,1、集成一体化系统,解决设备多供应商带来的问题：,结构、连接、阻抗匹配、培训与维护、故障分析与修复等；,系统管理问题：,供电、空调、环境、安全等集中管理；,提高供电质量：,设备

5、质量保证、减少系统单路经故障点、便于维护、降低成本；降低对系统的污染；,机房系统的集成一体化：,一体化UPS供电系统；空气调节及气流组织；供电、空调及环境参数的集中管理；机柜微环境的配电和空调系统；线缆铺设、管理和地线系统；机房建设与装修、机房安全等,可靠度：,可用性：,t,R(t)=e,1MTBF当考察的时间工作时间tMTBF时,MTTR,MTBF+MTBF,A=,二、IT行业用户关注的焦点-UPS供电系统优劣评价标准2、高可靠性、高可用性失效率：=n/n s(t 1 t 2)式中：ns试验开始时正常工作的样品数;n在运行（t1-t2）时间间隔内出现故障的样品数；,tMTBFMTTR,=1

6、t,R(t)1 平均维护时间：,二、IT行业用户关注的焦点-,UPS供电系统优劣评价标,3、系统可适应性和可扩展性,在原设计规模范围内，按需要逐渐配置扩展，以降低一次性投入和运营成本；,适应IT技术进步和用户业务量的,变化；,预计生命周期：1015年实际生命周期：58年,生命周期缩短的最重要的原因是不可预计的变化，包括IT技术进步和设备更新、业务量和业务性质的变化；,二、IT行业用户关注的焦点-UPS供电系统优劣评价标准4、对UPS设备性能指标评定的标准的变化UPS的各项输出电性能指标，已经不再是影响负载正常运行的因素和购置时衡量性能优劣的主要标准了。新的衡量标准：,输入有源功率因数校正：输入

7、功率因数：0.99；,有冗余并机功能和可热插拔在线维护功能；先进的智能管理技术；强劲的输出能力和可靠性；良好的系统配置能力；,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,1、计算机类负载对UPS电性能指标要求不高2、隔离变压器在供电系统中的功能3、如何配置双市电输入,4、双总线系统的单路径故障点与新的配置方法5、冗余系统中再冗余对可用性的影响6、UPS输出功率因数与实际带载能力7、关于UPS输入电压变化范围,8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法9、长延时系统中的电池与油机10、机房接地问题,11、IT系统交流输入环节不能加漏电保护器,性能指标电压稳定精度波形失真度三相电压不平衡度频率变化范围市电

8、掉电时转换时间（ms）市电掉电后维持供电时间市电恢复后电池再充电能力抗干扰能力,计算机类负载的要求15%10%（峰值变化10%）5%（48）%10视用户要求和电池容量而定UPS容量的1/10（即0.1C）对高频干扰有双向抗干扰能力,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题1、计算机类负载对电性能指标要求不高,中间轨迹：,输入电压和,Input voltage,Input current,18 ms,AC input interrupted,电流断开 AC 后，,承担大容量负载的计算机电源输出延迟一段时间后才开始下降。,输入掉电后，计算机内部直流电压变化情况上部轨迹：电源低电压DC 输出DC o

9、utput collapses,NominalLine Voltage,UPS zone,接的Comfort输出中出现大All transients with,magnitudes 位 绿,are”中的电压,“瞬变电压”）；“compliant power）；,小和持续时间and于time色durations within this zone“区域acceptable to 扰动（瞬变电压”supplies.Undervoltage transient zoneZeroVoltageTransient Duration(ms)摘自 IEC 标准 62040-3：SMPS 负载兼容的可接受 AC

10、 电压异常的大小和持续时间,计算机输入电压变化与持续时间的关系VoltageVariation(%)DoubleLine VoltageOvervoltage transient zone允许在与 SMPS 设备连,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,2、隔离变压器在供电系统中的功能,UPS输入12脉冲整流必须配置隔离变压器输出DC/AC全桥逆变器需要隔离变压器系统零地电压差大时需配置隔离变压器普通隔离变压器抗干扰能力不强全桥逆变器可去掉输出隔离变压器,UPS输入12脉冲整流必须配置隔离变压器,输出DC/AC全桥逆变器需要隔离变压器,输出产生零线变压器,滤波器,输出变压器,滤波器,静态旁

11、路,零地电压差,系统零地电压差大时需配置隔离变压器机内输出隔离变压器没有系统隔离功能维护旁路系统隔离变压器,UPS主机,L,NE,L,NE,配电,带抗共模干扰屏蔽层的隔离变压器,超极隔离变压器,普通隔离变压器抗干扰能力不强,（1）.全桥逆变器带输出隔离变压器,优点：交流输出与直流母线电压隔离；,对开关管（IGBT）静态耐压（380V）和dv/dt要求低；,缺点：输出三相电路不能单独控制调整；,逆变器带变压器工作频率难以提高（不符合高频化小,型化趋势）；,必须用隔离变压器输出，不仅体积大而重，也是整机,成本高的一个原因；,输出三相不平衡对逆变器工作状态影响大；当产生正负开关波的信号不对称时，变压

12、器存在着磁,化不平衡问题，严重时会使输出变,压器进入饱和状态。（2）半桥逆变器不带输出隔离变压器,优缺点:正好与全桥逆变器带输出隔离变压器相反,半桥逆变器可去掉输出隔离变压器比较,（3）系统配置的共同点：系统零地电压差大时，都需要单独配置隔离变压器；UPS输入输出端都需要配置集中参数滤波器从电路技术的角度讲，去掉变压器是UPS电路技术的一种进步,UPS静态旁路,UPS主电路,市电输入1,市电输入2,无转旁路功,能的UPS,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题3、如何配置双市电输入市电输入1,市电输入2,(b)交流输入1掉电时的系统状态(a)UPS双输入接法,可延时(电池供电时间)不间断转换

13、的STS,市电输入1,市电输入2,(c)交流输入2掉电时的系统状态,市电输入1,市电输入2,ATS,UPS,（d）双路市电的正确接法,错误的配电系统,ATS1,UPS5,输入配电1,负载1,输出配电1,负载2负载3负载4,输出配电2输出配电3输出配电4,柴油发电机1,市电,AT,S,2,旁路配电,UPS2静态旁路UPS2主电路UPS3静态旁路UPS3主电路UPS4静态旁路UPS4主电路,UPS1静态旁路UPS1主电路,1市电2问题：1、2、3、,4、5、,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题4、双总线系统的单路径故障点与新的配置方法市电1,市电2,油机,ATS1,ATS2,配电1,配电2,

14、UPS1,UPS2,配电3,配电4,双电源,STS,单电源,总线同步器,配电1,UPS1,UPS1.2,R1配电2R1,R2UPS2R2,R2.1UPS1.2R1.2,配电3,总线同步器R3,R4配电4R4,市电,市电,2,ATS2ATS3,配电1配电2,UPS1UPS2,配电3配电4,双电源90%,机架ATS,单电源10%,完全隔离,1ATS1油机,最高可用级别的双总线系统,Aa=At 1(1 A1 AU A1)AS=0.9999799857,Ab t 1A11(1 AU)2 A1,=A,A S=0.9999799994 9,（a）,配电1 A1配电2 A1,配电3 A1配电4 A1,UPS

15、1 AUUPS2 AU,STSAs,电网输入系统包括ATS,At,（b）,UPS1.2 AUUPS2.1 AU,UPS1.1 AU,配电1,A1配电2A1,配电3,A1配电4A1,电网输入系统包括ATS,At,STSAs,2,UPS2.2 AU2,输入输出配电柜,1-4,A1=0.99999，UPS,AU=0.9999（MTBF=10万小时，MTTR=8小时），STS,As=0.99999。电网输入冗余系统,At=0.99999，,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题5、冗余系统中再冗余对可用性的影响,A a=1 1(1 A i)A t 1 1 A y,111(1A)A11(1A)AA,市

16、电1,市电2,ATS1,油机,ATS2,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题5、冗余系统中再冗余对可用性的影响市电1,市电2,ATS1,油机1,ATS3,油机2,ATS2,(a),ATS At=0.99999,油机 Ay=0.999，市电（在电网环境较好的地区）Ai=0.999,1,2,(b)A t 2=0.9999899890,9,2 2,=0.9999899998,t 3,i t 1 y t 2,Ab=,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,6、UPS输出功率因数与实际带载能力,UPS的实际输出功率因数完全由负载功率因数决定,当UPS的设计输出功率因数PF1与负载功率因数PF2不匹

17、配时：,PF1 PF2 UPS输出能力由负载无功功率决定；PF1 PF2 UPS输出能力由负载有功功率决定；,UPS可在与负载功率因数不匹配情况下工作，但逆变器脱,离最佳工作状态，可靠性降低；,UPS带单台负载时，负载功率因数低，带多台负载时，负,载功率因数高；,在不同实际负载功率因数下UPS的输出计算容量,表达形式为：P W,输出电压与电流相移不明显，cos 1 接近1；,PwPs,PF=,=cos,P S,=,PF=,=,cos 1=r cos 1,I 1IR,VI 1 cos 1VI R,对计算机类型的负载，输入为整流滤波电路，功率因数的,输出电流不是正弦波，而是脉冲波；输出电流波形严重

18、失真，富含高次谐波成份；在电压为正弦波的情况下，无功功率主要由高次电流谐波形成；电流峰值系数为3-5，而正弦波峰值系数为1.41；UPS输出能力主要由过载能力决定,高峰值系数可能造成逆变器过载；所以输出100KVA,PF=0.8的UPS,不保证可带有功功率80KW,PF=0.8的计算机负载；,UPS的实际带载能力,输出功率因数传统表达形式：,输出功率因数完全是由负载电压与电流的相移决定的；对输出100KVA,PF=0.8的UPS,可带80KW 纯电组性负载；,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题7、关于UPS输入电压变化范围输入电压范围小的缺点：不能保证电池总是能够处在饱满的能量备用状态解

19、决办法一：加大UPS允许的输入电压变化范围，例如2025%，这样做会带来下面三个问题：,在电网电压长时间偏高或偏低时，使UPS失去执行转旁路运行的功能。UPS可靠性大幅度降低，带静态旁路功能的UPS的MTBF为15万小时，失去转旁路功能后，MTBF降到几（例如3）万小时。当电网电压长期处于偏高或偏低状态时，UPS逆变器（AC/DC、DC/AC）也就长期工作在边缘状态。会使逆变器负荷加重，工作状态恶化，可靠性降低。电网电压长期处于偏低状态时,电池处在放电状态.,解决办法二：在UPS 前级加交流稳压器,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法谐波的问题:,单相输

20、入整流器,输入电流市电输入（a）单相输入整流电流波形,6脉冲整流器,输入电流市电输入（b）6脉冲输入整流电流波形,12脉冲,整流器,输入电流,市电输入（c）12脉冲输入整流电流波形,PFC校正,输入电流,市电输入（d）PFC（高频）输入整流电流波形,PF=,=cos 1=r cos 1,四、UPS系统设计和应用中存在的若干问题8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法谐波的问题:(1),谐波形成无功功率p S=(V1rms I1rms cos 1)+(V2 rms I 2 RMS cos 2)+(Vnrms I nrms cos n),n,sin(n t+n)I n sin(n t+n)d t=0,

21、12,2 V0,(2),谐波电流是UPS输入功率因数低的主要原因对计算机类型的负载，输入为整流滤波电路，功率因数的,表达形式为：,P WP S,I 1I R,VI 1 cos 1VI R,2,PWPS,cos 1,PF=,11+THDI,=r cos 1=,(输入电压为正弦波),基波,三次谐波,0,2,0,/3,2/3,4/3,5/3,2,L1,L2,L3,三相的三次谐波在零线中叠加,(3),三次谐波在零线中叠加,四、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法,P I R,(4),输入功率因数低是降低电能利用率和系统工作效率低的原因之一,2,2,1COS,(5)

22、,电流峰值因数对供电设备和传输导线容量的影响对UPS容量的影响对传输线和开关触点的影响I=20AI=10A,100R,200R,四、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法,(6),系统自污染,非线性负载谐波源,谐波失真感性分,量,主低压开关柜,第2级分开关柜,末级开关柜,系统,输入,设备,电缆,电缆、开关,电缆、开关电缆、开关,谐波电流通过传输阻抗形成谐波电压电源谐波失真阻性分量变压器、发电机类,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法,(7),系统污染,谐波电流通过传输阻抗形成谐波电压,同（异）部电机：转子局部过热、定

23、子零件过热、输出功率降低、震动与躁声；变压器：引起硅钢片、金属紧固件及外壳发热、输出功率降低、震动与躁声；电容器：介质局部放电和热老化、机械震动；电缆：绝缘局部放电和温升、缩短寿命；消弧线圈：延时或阻碍消弧作用；短路器：降低遮断能力，延缓甚至阻碍吸弧，有时损坏短路器；避雷器：涌流延缓其放电时间，可能导制损坏；换流装置：使燃弧间隔不匀，个别不能运行；电压互感器：可能引发参数谐频谐震而损坏；电力系统：损耗增大，降低安全；计算机谣控、数据传输等：引起数据丢失、误显示、误动、误传、元件损坏；电能表：增加误差，增大供电线损率；自动装置、集成线路板：导制误判断、误动、误控制等；继电保护：引起误启动、误跳闸

24、、拒动、损坏，引起事故或扩大事故；通信系统：引起电话杂音，有时出现过电压；其他常规表计：增加误差，造成基波值大于实际值的错觉。,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法,对UPS输入高次电流谐波抑制方法：（1）、被动式加无源滤波器加有源滤波器,（2）、输入高频整流（PFC）,典型的无源滤波器设置输入滤波器是为整流器添加一个谐波陷阱，使UPS输入电流中的谐波成分在这里分流。调节电感L2和电容C使该分路的谐振频率与待取消的谐波频率相同。L1用于换向目的，并确保市电基波电流不被分流，以

25、防止由于陷阱设计而引发其他电路设计问题。一个被调至6次谐波频率的陷阱电路可用于削弱6脉冲整流器电路中的5次和7次谐波成分，从而可使THD从34%降至10%。,四、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法,混合型并联有源滤波器,标配UPS,并联有源滤波器Sineware,市电输入,无源滤波器,四、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法,一般高频整流有源滤波电路功率因数校正电路-PFC,四、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,8、UPS输入电流谐波污染与抑制方法,9、长延时系统中的电池与油机,UPS供电系配置长延时蓄电池组时，

26、存在以下几个问题：,1,外配长延时蓄电池的后备时间不确定,最终不能确保不出停电供电；2,市电中断现象很少（RS1=99.9%),对蓄电池维护工作量大且困难；3,长延时蓄电池配置的成本高：,一次性购置成本,维护附加成本,蓄电池更换成本,二、UPS系统设计和应用中存在的若干问题,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题10、机房接地问题机房接地原则：（1）一点接地（2）等电位接地,供电系统1,供电系统2,IT系统1,IT系统2,电源地信号地屏蔽地,TN-C接地系统(适用三相平衡负载),TN-S接地系统,TN-C-S接地系统,IT接地系统(浮空)进户前,进户后,TT接地系统(保证PE 不带电),接地

27、原则及类型,电源火线电源零线电源接地线,数字电路数字地线模拟电路模拟地线继电器电路电源电路功率地线机箱外壳,机箱地线信号地螺栓安全地螺栓接地线接地极,电源滤波器,三、UPS系统设计和应用中存在的若干问题11、IT系统交流输入环节不能加漏电保护器电压谐波源：计算机负载谐波电流产生谐波电压；UPS输入谐波电流产生谐波电压；设备启动；漏电流产生途径:,滤波器对地电容,说明：当输入电流i1和i2相等时，漏电保护器输出电压v=0，漏电保护器无信号输出；当输入电压突变时（例如UPS启动时）火线和零线都会通过共模干扰电容对地产生电流，,造成输入电流i1和i2不再相等，于是v 0，漏电保护器输出漏电保护信号。,L,UPSAC/DC,控制,漏电保护器,i1,Ni2PE,v,C,dV cdt,I EP=,谢 谢,