摘要在过去20～25年里,用户一直被灌输这样一个UPS系统的设计理念:即无视成本地把高可靠性作为唯一的设计标准。随着数据中心整体规模的快速增长,以及非常高的功率密度,使得传统的UPS设计方案过于复杂而且成本昂贵。现在可以通过提高数据中心的电能效率来解决这个问题,并遏制难于控制的成本增长。
文中介绍了用独特的方法来满足不断增长的电源需求,在机械负荷上增加UPS保护,降低整个供电基础设施的成本,但是仍然可以保持传统UPS系统设计的特点和整个系统的可靠性。
1 大容量UPS的影响
由上世纪70年代开发的并联冗余方案演变而来的UPS系统的设计,已经发展为“双冗余”系统,这是一个第IV等级(TierIV)的UPS系统设计的核心。在此之前的论文中提到,最为常见的UPS配置最少需要两套并联冗余的低压UPS系统来支持双母线开关,此开关装置用以支持两套PDU,PDU包含固态开关输入端子,由每套UPS系统或者两个独立的配电盘供电,并为双路服务器机架提供电源。每套UPS母线通常由4个4000A、750kVA/480V的UPS模块并联而成。这两套UPS系统通常以“N+1”冗余方式轮流工作,因此每套“双冗余”UPS系统的总负荷被限制为2,250kVA。正常运行时,每套UPS系统为50%的总负荷提供电力供应,导致每套UPS系统的负荷系数低至25%,这种状况导致每套UPS系统的运行效率非常低下。导致这种低效率还有另一个原因,即冷却UPS系统的空调系统运行所造成的额外消耗。这些在评估业主的总拥有成本(TCO)时常常被忽略。以下阐述提高总体运行效率的方法。
使用这种UPS解决方案来满足第IV等级的要求,并且每个UPS模块为750kVA,哪么对一个容量为2,250kVA的最大负荷来说,就需要使用8个750kVA的UPS系统(容量为6,000kVA)。这种解决方案可以按比例增加到更大的容量,但现今数据中心的高密度加大了实施这种方案的难度
图1为一个典型的低压UPS配置方案,其设施规模为20,000ft2.(平方英尺)的计算机机房,计算机机房的功率密度为200W/ft.(瓦/平方英尺)。
由于功率密度较高,UPS系统需要为CRAC风扇提供电力,从而确保在市电事故期间计算机房的空气是流通的。因此,如果采用这样的设计方案保护高达4,500kVA的关键负荷时,则需要16个750kVA的UPS(总容量为12,000kVA)。当数据中心增长至更大的规模时,所需要的UPS系统数量和与之相称的UPS模块数量将飞速增长,这是非常不切实际的。
表1显示了满足关键的计算机负荷所要求的UPS设备和系统的数量。再加上必要的负载要求的不间断电源保护,设计超过150W/ft2.,使得总的设计负荷完全超过采用大容量UPS系统这种方法的设计负荷。
2 中压UPS解决方案
2007年3月,在UptimeInstitute发表的一篇论文中提出了使用中压(通常为12.47kV)离线式(off-line)UPS系统设计一个100%冗余的UPS系统的理念。对于更高的工作电压,特别是大规模数据中心的主配电系统,允许设计更大规模的UPS系统,单个UPS系统容量可高达20,000kVA。