本文基于可靠度數(shù)學(xué)模型對模塊化UPS冗余功率模塊數(shù)量、模塊容量和模塊質(zhì)量與UPS主機可靠性的關(guān)系進(jìn)行了定量計算和定性分析,最后從功率模塊設(shè)計和實際應(yīng)用兩個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市場中,工頻機、高頻機和模塊機是三種常見的機型,模塊化UPS以其下特性逐漸成為行業(yè)關(guān)注的焦點:

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

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)最佳運行效率點,從而獲得系統(tǒng)的最高運行效率;

③因其可以調(diào)整在線運行功率模塊的數(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)該主機內(nèi)系統(tǒng)中各UPS功率模塊之統(tǒng)計上是相互獨立，即不存在相關(guān)性。下面重點從模塊化UPS冗余功率模塊數(shù)量對系統(tǒng)可靠性的影響和功率模塊自身可靠度對主機可靠性影響兩個方面對模塊化UPS可靠性進(jìn)行定量計算和定性分析。

(1)模塊化UPS冗余功率模塊數(shù)量對系統(tǒng)可靠性的影響

①N+0配置方式可靠度分析

UPS主機采用N+0時,即功率模塊系統(tǒng)不存在冗余度,當(dāng)一個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,將會影響UPS整機的正常運行,此時邏輯上各功率模塊可靠性為串聯(lián)關(guān)系,此時可靠度數(shù)學(xué)模型為:

　(1)

式中RS(t)表示模塊化UPS主機的可靠度,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的機型,因其不能做到故障退出,任何一個功率模塊故障均會影響UPS整機的正常運行,對其進(jìn)行可靠性分析時應(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)部存在一個功率模塊冗余時,主機內(nèi)任何一個功率模塊故障均不會影響UPS整機的運行,只有當(dāng)兩個及以上功率模塊出現(xiàn)運行故障時才會影響系統(tǒng)的正常運行,邏輯上相當(dāng)于CN2個“1+1”系統(tǒng)串聯(lián)運行,此時的可靠度數(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

(3)

當(dāng)N<2時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)部存在兩個功率模塊冗余時,主機內(nèi)任何兩個UPS功率模塊故障均不會影響UPS整機的運行,只有當(dāng)三個及以上功率模塊出現(xiàn)運行故障時才會影響UPS主機的正常運行,邏輯上相當(dāng)于CN3個“1+2”系統(tǒng)串聯(lián)運行,此時的可靠度數(shù)學(xué)模型為

當(dāng)N≥3時

(4)

當(dāng)N<3時按單模塊及式(3)考慮。

④N+3配置方式可靠度分析

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

當(dāng)N≥4時(5)

當(dāng)N<4時按單模塊、式(3)及式(4)考慮。根據(jù)公式(2)～(4),下面以一個主機10個模塊為例(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”可靠度曲線是一個遞減的曲線,主機的可靠度在一個功率模塊時達(dá)到最大值,而后隨著主機內(nèi)并機功率模塊數(shù)量的增加可靠度曲線出現(xiàn)遞減趨勢;

②“N+1”配置時,主機可靠度曲線在兩個功率模塊即“1+1”時達(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,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)功率模塊數(shù)量為N=5時可靠度數(shù)值與單個模塊的數(shù)值接近;

③“N+2”配置時,主機可靠度曲線在三個功率模塊即“1+2”時達(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,當(dāng)N值為9和10之間時可靠度數(shù)值與單個模塊的數(shù)值接近;

④“N+3”配置時,主機可靠度曲線在四個功率模塊即在“1+3”時達(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,當(dāng)N值達(dá)到10時主機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,即主機內(nèi)所有功率模塊在邏輯上都是并聯(lián)運行關(guān)系。當(dāng)N>1時則進(jìn)入串聯(lián)邏輯,此時系統(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功率模塊容量對系統(tǒng)可靠性的影響

在實際設(shè)計時應(yīng)考慮模塊“顆粒度”即模塊容量大小對系統(tǒng)可靠性的影響,當(dāng)按《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174-2017第8.1.7條、公式(8.1.7-1)進(jìn)行設(shè)計時UPS應(yīng)留有余量,UPS基本容量不應(yīng)小于1.2倍計算負(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)實際負(fù)載容量小于UPS容量時,就會有一部分功率模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)。然而當(dāng)功率模塊容量過大,大于“余量”容量時,所有功率模塊均在線工作,無法實現(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,系統(tǒng)可靠性將大大提高。為此,當(dāng)實際負(fù)載容量不超UPS容量時,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時為最經(jīng)濟(jì)配置,即功率模塊最大容量為UPS單機容量的倍,否則按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計時主機內(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,為實現(xiàn)至少一個獨立模塊的功率冗余,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)值太大則會使系統(tǒng)成本升高、性價比降低,也使系統(tǒng)的負(fù)載率降低,運行效率低下。因此在選擇功率模塊容量及主機容量時應(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主機可靠性影響

下面以“N+1”配置方式即式(2)研究主機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,在主機內(nèi)功率模塊都采用“N+1”配置方式時,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”時可靠度最高、在“Ri=0.9”時次之,在“Ri=0.85”最低。說明在功率模塊配置方式一樣時,功率模塊的可靠度是決定UPS主機可靠度的關(guān)鍵因素。

2 功率模塊設(shè)計和實際應(yīng)用應(yīng)注意的問題

模塊化UPS的設(shè)計理念區(qū)別于塔式設(shè)計的UPS，其所有的功率模塊層疊在同一個機架當(dāng)中,且都是水平擺放，在進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計時不能利用自然對流只能依靠風(fēng)扇強制風(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)計的都很小；對安規(guī)設(shè)計和散熱設(shè)計提出了非常高的要求。

在數(shù)據(jù)中心配電設(shè)計時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小等原因?qū)е聝蓸O間具備燃弧條件時出現(xiàn)電弧性短路,其短路電流由于受阻抗影響數(shù)值不大,不會引起斷路器等保護(hù)器件的馬上動作。致使其持續(xù)時間長、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),主機內(nèi)所有模塊都有可能會出現(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,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500kVA模塊化UPS并聯(lián)而成,功率模塊容量為50kVA。某一時刻負(fù)載容量為940kVA,兩臺UPS均分負(fù)載,即單機帶載量為470kVA,假設(shè)其中一臺UPS中的一個模塊因故障退出,此時UPS剩余容量變?yōu)?50kVA,處于過載狀態(tài),一段時間后轉(zhuǎn)旁路工作,隨之整個系統(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)。此時系統(tǒng)中兩臺UPS內(nèi)可使用的功率模塊總?cè)萘渴谴笥谪?fù)載容量的,有沒有一種控制算法可以不受主機柜邊界的限制,將兩個主機柜內(nèi)的功率模塊無差別的融合在一起。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,可實現(xiàn)并機系統(tǒng)內(nèi)一個模塊退出后,剩余功率模塊不受主機柜邊界的限制自動均分負(fù)載,達(dá)到不同主機內(nèi)的功率模塊無差別的融合成一個整體的目的,即不同容量的UPS并機。

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題,保證了核心器件的可靠性;

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

④使用了長壽命、免維護(hù)、更安全的油浸式鋁殼薄膜電容,相對于目前市場上大部分模塊化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)力對電容壽命的影響,避免了電容在失效模式下的起火風(fēng)險;

⑤使用了行內(nèi)可靠性最高的“熱同步”并機技術(shù),功率模塊間無信息交互通信,消除由并機方式帶來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)并機系統(tǒng)中一臺UPS中的某個功率模塊故障導(dǎo)致并機系統(tǒng)中各UPS容量不一致產(chǎn)生的主機間均流問題的發(fā)生;

⑥100kAIC超高短路分?jǐn)嗄芰?能夠及時分?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),實時監(jiān)控和器件級的診斷分析預(yù)測,一旦發(fā)現(xiàn)異常,將通過伊頓完善的服務(wù)網(wǎng)絡(luò),提供第一時間進(jìn)行運維服務(wù)。

4 結(jié)束語

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架容量,用以實現(xiàn)UPS內(nèi)部和供電系統(tǒng)的“N+X”冗余。盡可能通過各種方式提高功率模塊電路設(shè)計、器件選擇和安規(guī)設(shè)計的可靠度;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)機制等輔助系統(tǒng)的可靠度,只有所有子系統(tǒng)無短板整個系統(tǒng)的可靠性才能提升。

審核編輯：彭菁