被采访人:中国科学院计算技术研究所研究员 本刊编委会主任张广明先生

采访人:本刊主编张乃国

随着不间断电源(UPS)及其供电系统在各个领域的广泛应用,使用者正在逐步接受并理解专家们对UPS供电系统可靠性、可用性的研究理论。然而随着人们对可靠性研究的深入,专家们又在寻找供电系统不可靠因素之所在,同时,提出解决这些不可靠因素的新理念、新思路。传统设计理念的局限性可归结为备用电源配置方式问题。必须改变备用电源的配置方式,将备用能源(电池)的直流电直接对负载供电,可使UPS系统的可靠性、制造成本、能源利用率、系统效率、系统标准化等方面发生革命性的变化。本刊对此表示关注和探寻,带着这种关注和探寻,本刊主编张乃国先生于2010年2月3日采访了中科院计算所研究员张广明先生,请他就直流输出型UPS的主要研究思路和我们关注的话题进行了解答。

问:传统UPS供电系统现在存在哪些问题?     

答：现在所说的UPS供电系统由AC/DC整流器、DC/AC逆变器、各级配电柜、各级滤波器、STS转换开关(双路供电系统用)、电池组、变压器等设备和环节组成。

传统UPS供电系统存在的问题可归纳成下述几个方面。

(1)系统可靠性问题

系统复杂、单路径故障点多、设备可靠性差、维护难度大等。

(2)系统电流谐波干扰问题

系统中存在两个谐波源——负载开关电源和UPS输入侧AC/DC整流器。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波设备、降低输入功率因数和能源利用率,以及对零-地线系统等提出苛刻要求。

(3)系统成本和能源消耗问题

能源两次转换降低了效率(双总线系统的效率<80%),系统复杂性提高了购置成本和运行成本,电流谐波的存在需增加滤波设备,输入功率因数的低下降低了系统设备容量的利用率。

(4)系统标准化问题

系统复杂为标准化带来困难,系统设计建造多采用定制式手段，基本方法还停留在手工业阶段。

(5)系统的灵活性和可扩展、变更问题

以计划容量一次性投入、难以变更和扩展,缩短了系统生命周期。    

(6)系统使用维护难度问题

要求较高的维护水平,供应商家多且产品非标准化使故障修复困难。

问:从技术角度讲,当前传统UPS系统要解决的重点问题是什么呢？

答:从当前用户关注的焦点和UPS厂家技术改造的重点来看,要解决的问题和技术措施归纳起来有以下三点:

(1)提高系统可用性

设备降容使用,提高可靠性,延长使用寿命;

增大成本,对设备采用冗余配置,使其有容错功能;

对系统采用双总线冗余配置,可以最大限度地减少整个系统的单路径故障点;

配置模块化UPS,有冗余功能,可以大幅度降低故障修复时间;

提高设备智能监测和管理功能,便于维护,并可把潜在的故障隐患消除在故障发生之前;

采用集成化系统设计,解决系统中各类设备阻抗和连接方式的匹配问题,提高系统运行的可靠性和集中管理问题,并最大限度地减少安装和维护过程中的人为错误。

(2)抑制系统中谐波电流的产生和治理问题

加大零线截面积规格和前端设备(变压器、柴油发电机、配电开关、转换开关等)容量,以便降低谐波电流的影响;

输入三相整流改为12脉波整流+11次无源滤波器,使功率因数PF=0.95,谐波THDI≤10%;

三相整流前加有源滤波器,使输入电流成正弦波,PF=0.99,THDI≤5%;

输入改为IGBT高频整流,使PF=0.99,THDI≤5%;

要求负载IT设备输入开关电源采用PFC高频整流。

(3)提高系统的适应性

采用模块化设计,使局部系统有扩容功能,减少系统运行初期的设备购置成本和运行成本;
采用标准化设计,简化系统设计和制造流程,为系统快速安装和可能的变更、移动、扩容提供方便。

问:当前UPS系统的可靠性还不够高的根本原因是什么？

答:不间断供电系统实现其功能的最基本条件是必须有两路电源,一路是市电供电,另一路是备用电源供电。市电供电是有可能故障掉电的,这是建立UPS供电系统的初衷。

备用电源应该是实现不间断供电的底线,是最后的保障。电池设备的故障是可预见的,并且故障发生是缓慢渐变的、非突发性的,只要维护得好,定期检测,可以在不影响系统正常运行的情况下消除故障隐患,因此电池具备了“底线”、“保险”的后备能源的条件。

但是,遗憾的是,传统UPS设计方案并没有给电池发挥作用的充分条件,电池并没有直接放在负载的前面为负载“保驾护航”,而是把它放到了UPS 主机设备中,市电掉电时,电池要通过UPS主机设备中最不可靠的环节——逆变器向负载供电。这样,备用电源供电途径的不可靠就成为传统UPS供电系统的可靠性难以有效提高的根本原因。

问题出在系统设计方案的指导思想上,选择不间断供电的主角是市电、备用电源,还是两路都必须经过UPS的逆变器环节?

如果把备用电源放在负载前面,市电掉电时由高可靠的备用电源直接给负载供电,那么备用电源不仅可在市电掉电时向负载供电,当市电正常而主机供电系统发生故障时,也可保证负载的正常运行。  

保证IT负载连续可靠工作的关键在于市电和备用电源的配置方法。

传统UPS供电系统中,两路能源的供电方法是:一是市电输入+双变换系统;二是备用电池+逆变系统。

所以,保证IDC不停电的关键是,当市电供电一路电源中断时,备用电源能否可靠地不间断地向负载供电。

原则上讲,备用电源配置方法有两种:串联型和直接型。

(1)串联型

传统UPS供电系统的备用电源配置方法是串联型的,平时市电(电网+双变换系统)对负载供电,而在电网掉电或系统故障时,备用电源(电池组)要经过UPS设备中的DC/AC变换环节向负载供电。

根据当前设备可靠性水平,电池系统的可靠度R1在0.99左右,而UPS DC/AC逆变器的可靠度只有R2=0.9,根据串联型可靠性模型可计算出这时备用电源供电的可靠度:

R=R1R2=0.99×0.9=0.891

显然,备用电源在系统中的可靠性比电池设备本来具备的可靠性相差近10倍。

(2)直接型

由备用电源(电池组)直接对负载供电。平时市电(电网+双变换系统)对负载供电,而在电网掉电或系统故障时,备用电源(电池组)直接向负载供电。

显然备用电源供电的可靠度就是电池组的可靠度R1= 0.99。

比较两种配置,可靠性相差很多。

问:看来,供电系统的可靠性与其故障性质有关,请您再深入谈谈设备的故障性质问题。

答:备用电源(电池组)可靠性高,是因为其故障相对而言具有“可预见和非突发性”特点。

供电设备中可能发生的故障主要有两种类型:

(1)可预见非突发性故障

例如电池组,其故障现象有两个最基本的特点,一是它的故障现象诸如:电池槽变形、电池漏液、电池容量不足、电池浮充电压均匀性差、排气阀失效等,是直观可见的,或者是很容易被检测到的;二是所有这些故障都有发生过程时间长、有渐变过程、且发生故障不是突发性的特点。对于这种类型的设备,通过维护很容易发现故障隐患,也有充裕的时间在不影响系统运行的情况下排除故障隐患,或者安排计划停电进行维护。

(2)不可预见突发性故障

例如供电系统中的UPS主机、ATS和STS开关等设备,系统管理和监控只能判定其工作状态,而硬件失效、控制电路板焊点的隐患、系统对控制电路的干扰等,是不可预见的,也很难检测到。另外,故障发生的时间是不可预测的、随机性的、突发性的。对于这种类型的设备,很难在故障前发现它,一但故障发生,必然使系统瘫痪。

在可靠性研究中,一个产品的可靠性数据通常是根据产品生命周期内的失效率参数或运行数据统计计算的,而设备在使用维护过程中可能进行的局部更换,则不作为可靠性计算的因素。实际上对只存在可预见非突发性故障的设备,定期的维护并对有故障隐患的零部件进行更换,这无异于系统的更新。从可靠性模型的角度看,这相当于在原设备的可靠性基础上冗余并联了一个连续工作时间等于设备维护周期的可靠性环节。以电池组为例,假定电池组的年可靠度R=0.99,平均三年一次通过维修更换部分有质量问题的电池,这个等效的可靠性环节的连续工作时间就是三年,即26280h,MTBF也是26280h。

则其可靠度R=1-(1-R1)×(1-R2)=0.99667

可见,对可预见非突发性故障的电池组来说,定期的维护和更新有故障隐患的个别电池,这相当于为电池增加了等效的并联冗余环节,可使其可靠度提高许多。

值得注意的是,对于UPS主机、ATS和STS开关等故障不可预见并具有突发特性的设备来说,这种效果是没有的。

问:电信通讯设备是用直流48V供电的,请问您的直流UPS设想的产生与此有关吗？

答:有关系,应该说是直流UPS设想的实践基础之一。同样是UPS供电系统,但电信行业的UPS供电系统却完全不同于IDC UPS供电系统。这里虽然有电信设备需要直流48V供电的客观要求,但这种要求是由整个供电系统的传统模式决定的,是延续了传统的系统设计思维模式,即所谓“存在的就是合理的”。电信系统UPS供电系统与传统IDC机房UPS供电系统的区别主要表现在以下几个方面:

(1)通信设备要求直流48V供电,所以功率变换电源输出直流48V;

(2)电池组直接对负载供电,输入市电正常时,电池由直流模块电源浮充,浮充电压是54V。直流模块电源给电池浮充电的同时也给负载供电。所以给负载供电的电压值是负载要求的额定电压48V的(1+11.25%),而市电故障失压后,直流模块电源停止输出,电池不间断地给负载供电,电池电压值随着电池放电而下降,放电下限电压是48V的(1-11.25%)。所以此电压的变化范围为(48V±11.25%),完全在负载允许的输入电压变化范围(48V±20%)之内;

(3)由于负载由直流供电，所以从根本上消除了负载产生的谐波电流和对无功功率的要求,而直流模块电源的输入端又采用了PFC整流技术，输入功率因数可高达0.98以上，输入谐波电流降到5%以下，所以整个系统基本上消除了高次谐波电流，不仅解决了谐波电流对系统和电网的污染问题，简化了系统各环节的谐波滤波设备，还可明显地降低功率变换电源前端设备的容量;

(4)后备电池直接对负载供电，而电池故障又是可预见的,并可通过日常维护避免，所以就从根本上消除了不可预见、突发性的故障对负载的威胁，使负载供电的可靠性达到理想的程度;

(5)负载机架电缆传输的要求变得非常简单,只需要两根线,同时消除了交流电传输对负载数据传输的影响,也简化了对零-地线系统的要求;

(6)系统中的电池组电压统一为48V, 可独立地进行配置和管理;

(7)电池组不仅可在市电中断时保证持续向负载供电，当市电正常而主机供电系统发生故障时,也起到了保证负载正常运行的作用，完全消除了市电掉电和供电系统本身故障对负载的影响;

(8)备用电池的能量可不打折扣的100%供给负载;

问:那么,IT设备(计算机)能直接用直流供电吗？

答:答案是肯定的,IT设备也可以用直流供电。

IT设备本身的输入是开关电源的全桥整流器,在滤波电容上形成300V的直流电压。由于只有当输入正弦波电压超过电容电压时,输入才有电流，使输入电流成脉冲状态，在输入端产生大量的高次谐波(THDI>30%),输入功率因数很低(PF=0.7),使电容上的电压有较大的纹波,而电压纹波是直流电容发热和损坏的主要原因。

既然输入整流器是在正负电压交替(周期10ms)情况下工作的,自然地就可认为能在连续正的直流电压下工作,也可在连续负的直流电压下工作。因为输入电流成为平滑的直流,不仅从根本上消除了高次谐波电流,输入不再需要无功功率,还使输入电流的幅值降低到原来脉冲波幅值的1/3,电容电压上不再有纹波电压,改善了电容器的工作环境,也有利于改善后面DC/DC变换器的工作,对延长电容和DC/DC变换器的寿命是绝对有益的。

问:这里还有一个问题,当市电掉电后由电池组向负载直接供电时,电池电压是不稳定的,电信设备能承受,而IT设备可以吗?

答:肯定是可以的,有三点根据:

一是电信设备和IT设备的输入端都是开关电源,后面接的都是DC/DC变换器;

二是大量的PC机在市电掉电时是用并不稳定的电池电压供电的;

三是计算机对输入电源电压变化范围的要求是±20%。

在电信行业UPS供电系统中,输入市电正常时,功率变换电源输出的是电池的浮充电压值,而市电故障失压后,直流电源停止输出,而用电池不间断地对负载供电,电池电压值随着电池放电而下降,直到放电至下限电压为止。此电压变化范围是48V±11.25%,完全在负载允许的输入电压变化范围内,所以用户对此没有任何疑义,并已成为业界的国家和行业标准。

在IDC机房中,IT设备使用的是交流220V/380V供电系统,其整流后的直流电压在300V左右,如果同样在市电正常时,用电池的浮充电压300V(1+11.25%)=334V供电,而市电故障失压后,电池不间断地对负载供电,电池供电电压下限是300V(1-11.25%)=266V,且电压变化范围控制在300V±11.25%以内,不是也可以保证IT设备正常运行吗?

实际上IT设备允许的输入电压范围远远大于300V±11.25%,当前在各种IT设备中使用的开关电源输入电压允许变化范围是300V±20%。

在UPS设备中,方波输出的后备式UPS占有相当大的比例,以我国UPS应用情况为例,自上世纪80年代至今,针对计算机供电的方波输出的后备式UPS何止千万台。但是,被长期忽视的一个事实是,市电掉电后,方波输出的后备式UPS并没有稳压功能,实际上是逐渐降低的电池电压经输出变压器按不变的匝比升压后向负载供电的。

在方波输出后备式UPS供电系统中,市电故障后由电池通过逆变器供电,此时UPS输出方波,方波最大幅值与电池浮充电压对应。在电池放电过程中,电池电压逐渐下降,同时输出方波的幅值也按相同的比例降低,此时逆变器通过调整增大输出方波的宽度,以便保持输出电压有效值稳定不变,这就是所谓的稳压功能。但是,对于计算机负载输入开关电源而言,整流后的直流电压只与输入电压的峰值有关,而与有效值无关。电池电压下降到下限时,UPS关机。所以在电池供电的整个过程中,相当于电池直接对负载供电,电压变化范围对应于电池浮充电压和放电下限电压,即额定电压的±11.25%,只不过这个电压范围小于IT负载设备允许的输入电压变化范围,没有影响设备的正常工作而已。

问:在说明以上问题之后,自然地就得出了一种新的IDC机房供电系统的设计理念。您能总结性地介绍一下直流输出型UPS的优点吗？

答:将当前UPS供电系统结构和设想的IDC机房供电系统进行比较,可以明显地看出两者在降低成本、降低能耗、降低污染、提高系统可靠性、提高适应性等多方面的巨大区别:

(1)备用能源的功能得到充分发挥

备用能源(电池)本身的可靠性比在传统UPS系统中提高了很多倍;

电池供电不需要经过DC/AC逆变器转换,电池能量利用率提高10%。

(2)从根本上消除了谐波电流对系统和电网的污染

负载电流成为稳定的直流,谐波成分从30%～50%降到0;输入谐波电流降到<5%,输入功率因数提高到0.99;

最大限度地减少谐波电流对系统和电网的污染;

可降低上游设备(动力变压器、各级配电开关、发电机等)和传输线的容量,可简化各环节的滤波设备。

(3)简化主机设计、降低成本、提高效率和可靠性

取消DC/AC逆变器和静态旁路开关,UPS主机元器件数量和成本节省40%～50%;

UPS主机工作效率提高,降低运行能耗6%～8%;

不再有输出与输入电压的频率同步问题,不存在并机环流问题,大大降低了冗余并机技术难度,冗余并机简单可靠,可以很方便地组成“N+1”模块化系统;

UPS输入电压范围可达+20%～-25%,不再有转旁路±10%的限制;

主机输出能力提高,输出有功功率等于输出容量。

(4)提高系统可用性

系统结构简化、系统设备和元器件减少,有利于提高可靠性;

备用电源(电池)与负载之间去掉了低可靠环节——逆变器,彻底消除了不可预见突发性故障(UPS、ATS等前端设备)与负载的联系,不仅可在市电掉电时向负载供电,当市电正常而供电系统发生故障时,也可保证负载的正常运行。可使对负载供电的可靠性提高到理想的高度;

充分利用电池“可预见非突发性故障”的特点,把系统可用性提高到1。

(5)提高整个供电系统效率

主机(例如10kVA)提高6%～8%

减少谐波和滤波设备损耗2%～3%;

与传统系统结构比,总效率提高8%～10%;

与冗余并机系统传统结构比,总效率提高12%～15%。

(6)降低设备成本

主机(去掉DC/AC)降低40%～50%;

去掉各级滤波器、负载前端STS、简化线缆等;

系统总成本(购置成本和运营成本)基本结构可降低20%～30%。

(7)改善系统配置

UPS输入和输出都不再有三相电流不平衡的问题;

负载机架电源线缆量减少50%;

不再有负载平衡分配的问题;

负载端没有电流谐波,所以不再有零地电压差的问题;

系统简化,制式规范,对单相输入负载和三相输入负载都可供电;

单相和三相输入都可对系统供电,不存在UPS规格中“3/3、3/1和1/1”(三相入三相出、三相入单相出和单相入单相出)的区别,对各种供电环境和使用环境都适用。

(8)有利于系统模块化、标准化进程

功率转换设备标准化,机架标准化；

主机规格由几十种减少到几种,可覆盖5～400kW;

电池组电压规格由十几种减少到一种;

电池配置和结构标准化。

问:您说的直流输出型UPS的优点很多,但当前还难以实现,您认为需要解决哪些问题?

答:直流输出型UPS系统从研究到推广使用是个较长的过程,在设计中首先想到的是需要解决下列两个问题:

(1)关于后备电池额定电压值的确定问题

选择并确定后备电池额定电压值时,一个最重要的原则是:当选用直流UPS为IT负载供电时,最好不要对IT设备提出需要变动的要求,特别是在推动数据中心直流UPS供电方案的初期,应保证所有的IT设备既可用交流系统供电,又可用直流系统供电。要做到这一点,实际上就限定了所确定的直流UPS电池电压额定值应该等于交流电网输入时整流后的直流母线电压值,当然还要是电池单体电压12V的倍数。也就是说,当电网电压为交流220V时,直流UPS电池电压额定值应该确定为300V;当电网电压为交流230V时,直流UPS电池电压额定值应该确定为312V。另外,当前IT设备的输入开关电源增加了升压型的PFC环节,目的是为了降低输入电流谐波,提高输入功率因数。这类开关电源的直流母线电压是380～400V,所以为了IT设备在两种输入电压制式下都可用,直流UPS输出电压值可选在380V,但是,当所有IT设备都用直流UPS供电时,PFC整流环节也就是多余的了,所以380V应该是一种过渡性的选择。

(2)关于直流配电的问题

UPS由交流输出改为直流输出,在系统设计和配置方面会有相应的变化,变化最明显的是直流UPS与IT负载之间的直流配电问题。在电源配电系统中,断路器(空气开关)、熔丝(熔断器)、接触器(继电器)被广泛使用。这种器件大都按照220Vac/380Vac来设计,但是直流断路器的燃弧和熄弧过程与交流断路器是不同的。所以在直流供电系统中,必须采用符合安全要求的直流配电器件。

问:研究工作已经开始了，您能介绍一下国际和国内在这一项目上的进展情况吗？

答:当前,由交流输出改为直流输出的设计理念已经受到国内外业界的普遍重视,例如,江苏盐城电信从提高48V直流电压以达到提高供电效率和改变交流UPS供电系统可靠性不理想的目的出发,把直流电池电压提高到240V,提高效率和提高系统可靠性的效果非常显著,为此,电信标准化协会于2009年12月1日通过了“通信用240V直流供电系统技术要求”研究报告,将作进一步研究和推广工作。与此同时,电信标准化协会又提出了开展“数据中心直流UPS技术报告”研究的立项。中达电通有限公司于两年前就开始了高压直流供电的研究工作,他们建立了直流350V供电系统为IT设备供电,并做了各种安全试验。长期稳定运行表明,直流供电方案可行,并表现出明显的性能优势。某北方计算中心在他们自行开发的供电系统中也采用了直流UPS供电方案,已稳定运行四年之久。国际上已有多家研究机构提出直流UPS供电理念并开展了实际的应用研究,也有实际应用的案例。

张乃国主编:您作为我刊的编委会主任,多年来对刊物的发展十分关心,做出了突出贡献,我们表示感谢。今天听您讲述有关直流输出型UPS的现况及发展趋势,很受启发,请您把我们探讨的话题做一下归纳性的小结吧。

张广明主任:应该说传统UPS的设计是历史形成的,由于器件水平的限制,早期的计算机设备内置输入电源必须经过变压器,这就决定了计算机设备必须由交流电供电,而如今则不同了,随着半导体功率开关器件的耐压和开关性能的提高，计算机设备机内都采用了不带工频变压器的开关电源,就连风扇都是直流的,这正是专家们研发推广直流输出型UPS新理念的重要前提。

传统UPS在几十年的发展过程中,为各行业机房供电提供了不间断保障,但实践证明传统UPS的确存在一些致命的不可靠因素。UPS系统中的电池要经过UPS设备中最薄弱环节——逆变器才能向负载供电。备用电源供电的不可靠是造成传统UPS供电系统不断复杂化、设备堆积、结构臃肿、成本攀升、效率低下、可靠性难以有效提高的根本原因。要改变备用能源的配置方法,自然也就归结到对计算机负载采用直流供电这个理念上来。

技术可行而前景又是诱人的,剩下的就是革新传统观念的问题了,UPS产业的现状和IDC供电系统的传统观念将成为这一技术变革的主要阻力。■