IDC机房直流UPS供电系统的冗余容错系统和容错调控方法

摘要

一种IDC机房直流UPS供电系统的冗余容错系统，其特征在于：在由配电隔离变压器、AC/DC变换、备用电源电池、配电3组成的UPS供电系统中的AC/DC变换上并联配置一输出电压稳定在DC300V的在线旁路，并由AC/DC变换和并联在线旁路组成IDC机房D-UPS供电系统冗余容错系统；该在线旁路利用三相可控整流技术组成，控制电路由经稳压器输入的三相线电压A、B、C，通过由三组可控硅元件、电感器以及一个并联在整流后输出电路上的电容器R构成的一个整流稳压电路或稳压装置。本发明解决数据中心直流UPS供电系统中存在的问题，从根本上消除由于AC/DC变换系统单路径故障点而使系统宕机的风险，并大幅度地降低备用电源(电池)配制数量。新的设计思想和实施策略的实现，将明显地提高供电系统的可靠性，并大幅度的降低建造和维护成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种IDC机房直流UPS供电系统的冗余容错系统和容错调控方法，属于机房和互联网数据中心直流UPS供电技术类。

背景技术

用直流供电的方式改造传统的用交流供电的UPS，是IDC机房(互联网数据中心)不停电供电系统的一次重大的变革，直流UPS供电方案解决了用交流供电的UPS的一系列固有的问题，受到数据中心业内的高度重视，电信、移动等行业已着手试验，众多电源设备厂家都在根据用户要求开展研究开发和样机制作工作。但是从当前情况来看，现有的供电方案设计还存在严重的问题，对系统的可靠性和降低成本都有明显地影响。

本发明人针对传统的交流供电的UPS系统存在的问题，曾经发明了一种IDC机房D-UPS供电系统(中国专利文献公开号：CN101127453，公开日：2008-02-20)，在该供电方案中把高可靠的备用电源电池直接配置在被保护负载的前面，在市电掉电和系统故障的两种情况下都可保护负载持续不停电供电。如图7，市电输入系统由市电、油机、ATS双电源自动转换开关、配电₁等组成；UPS供电系统由配电₂、隔离降压变压器和AC/DC变换等组成，该环节完成交流/直流变换功能并通过配电3向计算机负载输出直流电源；在市电输入或AC/DC变换出现问题时，由备用电源电池通过配电3直接向计算机负载供电。

当前普遍采用的直流UPS供电系统是沿用传统的电信直流48V供电方案改造设计的，系统结构上的最大缺欠是没有旁路配置，该供电系统工作时，在不同的供电条件下存在以下三种状态：

1，交流输入正常，AC/DC变换向负载供电，同时向备用供电电源(电池)浮充；

2，交流输入故障掉电，AC/DC变换停止工作，备用供电电源(电池)向负载供电；

3，交流输入正常，AC/DC变换故障停止工作，备用电源(电池)向负载供电；

由于上述供电系统在设计结构中存在固有的缺陷，因此当处于第三种工工作状态时，没有旁路辅助电路或装置的状况时，上述AC/DC变换既是整个系统的技术核心，同时也是整个系统可靠性最薄弱的环节，没有旁路的整个工作系统会带来三个问题：

(1)AC/DC变换系统在供电系统中是单路经故障点，参阅该系统的可靠性模型(如图8)，可以看出：它将使系统的可靠性难以提高；

(2)在交流输入正常情况下(通常是两路市电冗余配置)，有两种状态都需要备用电源(电池)维持继续向负载供电，一是AC/DC变换系统故障停止工作，二是系统计划维护。由于系统计划维护需要4小时以上的时间，但是现场AC/DC故障的修复时间是个未知数。备用电源(电池)配置以后，电池数量和备用时间都不允许再变动，备用时间就是个常数，当AC/DC变换系统故障的修复时间超过电池供电时间时，系统只能宕机。

(3)造成备用电源电池成本的数倍增大

在图7所示的直流UPS供电方案中，用户要求备用电源电池备用时间要4-8个小时.但是在数据中心不停电供电系统中，由于系统用电功率很大，4-8个小时的备用电源电池备用时间是很难做到的.

发明内容

本发明的目的：旨在提出一种可为IDC机房D-UPS供电系统提供冗余容错系统和容错调控方法，解决数据中心直流UPS供电系统中存在的问题，从根本上消除由于AC/DC变换系统单路径故障点而使系统宕机的风险，并大幅度地降低备用电源电池配制数量。达到既提高供电系统的可靠性，并又能大幅度的降低建造和维护成本。

这种IDC机房直流UPS供电系统的冗余容错系统，由配电隔离变压器、AC/DC变换、备用电源电池、配电3组成，其特征在于：在由配电隔离变压器、AC/DC变换、备用电源电池、配电3组成的UPS供电系统中的AC/DC变换上并联配置一输出电压稳定在DC300V的在线旁路，并由AC/DC变换和并联在线旁路组成IDC机房D-UPS供电系统冗余容错系统。

所述的一种IDC机房直流UPS供电系统的容错调控方法是：AC/DC变换环节正常工作时，并联的在线旁路不输出电压；当AC/DC变换环节故障或该环节计划维护时，供电系统首先由备用电源电池组组成的备用电源维持向负载供电，备用电源电池由浮充电压值334V很快下降到额定值300V，当其下降到310V时，在线旁路开始稳压输出，并当备用电源电池电压降到300V时，开始向计算机负载供电；在备用电源电池电压310V至300V期间，在线旁路空载输出；当AC/DC变换系统恢复供电时，备用电源电池的电压很快上升到浮充电压334V，并当备用电源电池电源电压上升到325V时，在线旁路系统关闭；在电池电压300V至325V期间，在线旁路空载输出。

根据以上技术方案提出的这种IDC机房D-UPS供电系统提供冗余容错系统和容错调控方法，不仅解决数据中心直流UPS供电系统中存在的问题，从根本上消除由于AC/DC变换系统单路径故障点而使系统宕机的风险，而且能大幅度地降低备用电源电池配制数量。这种新系统将明显地提高供电系统的可靠性，并大幅度的降低建造和维护成本。

附图说明

图1为本发明带有“在线旁路”的直流UPS供电系统框图；

图2为在线旁路的电路构成图；

图3“在线旁路”的工作过程示意图；

图4AC/DC变换与“在线旁路”冗余并联可靠性模型；

图5不带旁路系统的备用电源电池放电时间需求；

图6带旁路系统的备用电源电池放电时间需求；

图7当前直流UPS供电系统框图；

图8当前直流UPS供电系统可靠性模型。

具体实施方式

以下结合说明书附图具体说明IDC机房D-UPS供电系统的冗余容错系统以及容错调控方法。

本发明提出的这种IDC机房直流UPS供电系统的冗余容错系统，它是对现有普遍使用的机房或者数据中心的IDC机房D-UPS供电系统中的供电电源系统的一种创新，它是在由配电隔离变压器、AC/DC变换、备用电源电池、配电3组成的UPS供电系统中的AC/DC变换上并联配置一输出电压稳定在DC300V的在线旁路，并由AC/DC变换和并联在线旁路组成IDC机房D-UPS供电系统冗余容错系统(见附图1).

在线旁路是一个简单且可靠性极高的稳压设备，其输出电压稳定在DC300V(见附图2)。

该在线旁路利用三相可控整流技术组成，器控制电路由经稳压器输入的三相线电压A、B、C，通过由三组可控硅元件、电感器以及一个并联在整流后输出电路上的电容器R构成的一个整流稳压电路或稳压装置，经过对可控硅通导相位的调整，实现对直流输出电压的调整和稳定，并将输出电压稳定在DC300V，该控制电路根据AC/DC变换输出电压的状态，同时完成对D-UPS供电系统的容错调控。

本技术方案的核心是在“一种IDC机房D-UPS供电系统”中为“AC/DC变换”环节并联配置一个“在线旁路”。

上述UPS供电系统通过与试点系统的组合构成带有旁路在线旁路的直流UPS供电系统。

这种IDC机房D-UPS供电系统的容错调控方法是：AC/DC变换环节正常工作时，在线旁路不输出电压；当AC/DC变换环节故障或该环节计划维护时，供电系统首先由电池组组成的备用电源维持向负载供电，备用电源电池由浮充电压值334V很快下降到额定值300V，当其下降到310V时，在线旁路开始稳压输出，并当备用电池电源电压降到300V时，开始向计算机负载供电，在备用电源电池电压310V至300V期间，在线旁路空载输出；当AC/DC变换系统恢复供电时，备用电源电池的电压很快上升到浮充电压334V，并当电池电源电压上升到325V时，在线旁路系统关闭，在备用电源电池电压300V至325V期间，在线旁路空载输出。

以上过程表示在图3中。

下面具体从以下三个方面分析本发明的技术方案对现有技术方案的改进效果；

(1)把AC/DC变换系统的可靠性提高了100倍

从可靠性角度分析，实际上是在线旁路与AC/DC变换环节组成了冗余容错系统，可靠性模型如图5所示。

从当前的设备可靠性水平来看，R(AC/DC变换)＝0.99(模块化冗余系统)，R(在线旁路)＝0.99(最低值)

并联环节的可靠性为：

R＝1-(1-R_AC/DC变换)(1-R_在线旁路)

＝1-(1-0.99)(1-0.99)

＝0.9999

结论是，增加在线旁路环节后，AC/DC变换系统的可靠性提高了两个9，即不可靠性降低为原来的1/100。

(2)从根本上杜绝了因AC/DC变换系统故障造成系统宕机的风险

当市电输入正常情况下(通常是两路市电冗余配置)，AC/DC变换环节发生故障时，由在线旁路不间断地继续向负载供电和向备用电源电池供电，不需要动用备用电源电池的容量，因此也就不存在因AC/DC变换系统故障修复时间大于备用电源电池备用时间而使系统宕机的风险.

(3)备用电源电池备用时间需求减少到1/8

图5是不带旁路的系统对备用电源电池放电时间的需求。

从图5可以看出，当前的直流UPS供电系统有三种情况需要备用电源电池供电：

●市电掉电，油机启动和ATS转换，供电时间需要15秒钟；

●市电恢复，ATS转换，供电时间需要200ms；

●市电(或油机)正常，AC/DC变换系统故障修复或系统计划维护(通常另加电源)，供电时间需要4-8小时；

值得注意的是，第三种情况需要的供电时间是无法预计的，尽管设计时就加大备用电源电池备用时间，但是在系统运行中，备用电源电池数量和备用时间都不允许再变动，备用时间就是个常数，当AC/DC系统故障修复所需时间超过备用电源电池备用时间时，系统仍然要菪机。

图6是带旁路系统对备用电源电池放电时间的需求

从图6可以看出，这里只有两种情况需要备用电源电池供电：

●市电掉电，油机启动和ATS转换，供电时间需要15秒钟；

●市电恢复，ATS转换，供电时间需要200ms；

特别是这两个时间都是固定的，系统设计时可准确的计算备用电源电池容量，因为最长的用电时间是15秒钟，即使再考虑油机启动的不可知因素，备用20分钟的备用电源电池也就足够了。表1是两种情况备用电源电池的比较

表1两种情况备用电源电池的比较

  带旁路系统  不带旁路系统  输出满负荷功  率  100KW  100KW  备用电源电池放  电时间  0.33小时  4小时  备用电源电池能  量利用率  50％  80％  备用电源电池总  AH数  (100KW/300V)×0.33h/0.58  (利用率)＝190AH  (100KW/300V)×4h/0.80(利  用率)  ＝1667AH  备用电电池)规  格与数量  100AH，25支×2(组)＝50  支  100AH，25支×17(组)＝425  支

表1中数据是以100KW的系统为例，并考虑了不带在线旁路系统的备用电源电池利用率是80％，而带旁路系统的备用电源电池利用率只有50％.

从表1可以看出，在线旁路的设置可把系统备用电源电池容量减少到原来的1/8。

表2是100KW系统备用电源电池成本、重量和占地面积的比较

表2100KW系统备用电源电池成本、重量和，占地面积的比较

  带旁路系统  不带旁路系统  备用供电电源电  池  总AH数  (100KW/300V)×0.33h/0.58  (利用率)＝190AH  (100KW/300V)×4h/0.80(利  用率)＝1667AH  备用供电电源电  池规格与数量  100AH，25支×2(组)＝50  支  100AH，25支×17(组)＝425  支  价格：1000元/  支  50支×1000元＝50,000元  425支×1000元＝425,000元  重量：33Kg/支  75支×33Kg＝2475Kg  750支×33Kg＝24750Kg  占地面积比例  1  8.4

从表2可以看出，增加在线旁路后，备用电源电池的购置成本由43万元降到5万元，当然重量、占地面积以及维护量都会以同样的比例减少。

总结：在直流UPS系统中，在AC/DC变换环节并联加入“在线旁路”环节，可明显的提高系统可靠性，消除系统宕机的潜在危险，并大幅度地降低备用电池成本。

1、AC/DC变换环节的可靠性提高100倍；

2、从根本上杜绝了因AC/DC故障使系统宕机的风险；

3、把备用供电电源电池配置的数量以及备用电源电池的购置成本、重量、占地面积等都降低到原来的1/8。