本文基于可靠度數學模型對模塊化UPS冗余功率模塊數量、模塊容量和模塊質量與UPS主機可靠性的關系進行了定量計算和定性分析,最后從功率模塊設計和實際應用兩個方面給出了提高模塊化UPS可靠性的方法。

數據中心在線式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關注的焦點:

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

②可以根據負載率調整在線工作功率模塊的數量,使剩余模塊很容易到達最佳運行效率點,從而獲得系統的最高運行效率;

③因其可以調整在線運行功率模塊的數量,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(N為非冗余功率模塊數量,X為冗余功率模塊數量),提高了系統的可靠性。

1 模塊化UPS可靠性分析

假設該主機內系統中各UPS功率模塊之統計上是相互獨立，即不存在相關性。下面重點從模塊化UPS冗余功率模塊數量對系統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可靠性進行定量計算和定性分析。

(1)模塊化UPS冗余功率模塊數量對系統可靠性的影響

①N+0配置方式可靠度分析

UPS主機采用N+0時,即功率模塊系統不存在冗余度,當一個小容量功率模塊出現故障,剩余模塊不能負擔負載容量,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關系,此時可靠度數學模型為:

　(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。

在行業內采用小容量功率模塊堆疊方式構成大容量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,對其進行可靠性分析時應采用該模型。

②N+1配置方式可靠度分析

由參考文獻1可知,并聯系統可靠度數學模型可用下面模型進行描述:

(2)

當UPS系統內部存在一個功率模塊冗余時,主機內任何一個功率模塊故障均不會影響UPS整機的運行,只有當兩個及以上功率模塊出現運行故障時才會影響系統的正常運行,邏輯上相當于CN2個“1+1”系統串聯運行,此時的可靠度數學模型為(假設各模塊可靠度相等,即Ri(t)為恒定值):

當N≥2時

(3)

當N<2時RS(t)按單模塊考慮。

③N+2配置方式可靠度分析

當UPS系統內部存在兩個功率模塊冗余時,主機內任何兩個UPS功率模塊故障均不會影響UPS整機的運行,只有當三個及以上功率模塊出現運行故障時才會影響UPS主機的正常運行,邏輯上相當于CN3個“1+2”系統串聯運行,此時的可靠度數學模型為

當N≥3時

(4)

當N<3時按單模塊及式(3)考慮。

④N+3配置方式可靠度分析

當UPS系統內部存在三個功率模塊冗余時，系統內任何三個功率模塊故障均不會影響UPS主機的運行，只有當四個及以上功率模塊出現運行故障時才會影響UPS主機正常運行，邏輯上相當于CN4個“1+3”系統串聯運行，此時的可靠度數學模型為

當N≥4時(5)

當N<4時按單模塊、式(3)及式(4)考慮。根據公式(2)～(4),下面以一個主機10個模塊為例(為方便分析假設單功率模塊可靠度為0.9),分別畫出上述四種不同冗余數量與可靠度對應關系的曲線,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到最大值,而后隨著主機內并機功率模塊數量的增加可靠度曲線出現遞減趨勢;

②“N+1”配置時,主機可靠度曲線在兩個功率模塊即“1+1”時達到最大值,而后隨著功率模塊數量增加出現遞減趨勢,當系統內功率模塊數量為N=5時可靠度數值與單個模塊的數值接近;

③“N+2”配置時,主機可靠度曲線在三個功率模塊即“1+2”時達到最大值,而后隨著功率模塊數量增加出現遞減趨勢,當N值為9和10之間時可靠度數值與單個模塊的數值接近;

④“N+3”配置時,主機可靠度曲線在四個功率模塊即在“1+3”時達到最大值,而后隨著功率模塊數量增加出現遞減趨勢,當N值達到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量的增加系統可靠度隨之增加,“N+X”系統可靠度的最大值出現在N數量為“1”時,即主機內所有功率模塊在邏輯上都是并聯運行關系。當N>1時則進入串聯邏輯,此時系統可靠度隨著并聯功率模塊數量的增加而降低。

(2)模塊化UPS功率模塊容量對系統可靠性的影響

在實際設計時應考慮模塊“顆粒度”即模塊容量大小對系統可靠性的影響,當按《數據中心設計規范》GB50174-2017第8.1.7條、公式(8.1.7-1)進行設計時UPS應留有余量,UPS基本容量不應小于1.2倍計算負荷,即:

E≥1.2P (6)

式中E——不間斷電源系統的基本容量(kW/kVA);

P——電子信息設備的計算負荷(kW/kVA)

由式(6)可知“余量”容量為:

(7)

由式(7)可知,滿足標準設計要求的“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具備根據負載率調整在線工作功率模塊的數量,剩余模塊進入休眠備份狀態的功能,即當實際負載容量小于UPS容量時,就會有一部分功率模塊進入休眠狀態。然而當功率模塊容量過大,大于“余量”容量時,所有功率模塊均在線工作,無法實現部分模塊的休眠。

由圖1可知當系統中存在冗余功率模塊時,系統可靠性將大大提高。為此,當實際負載容量不超UPS容量時,為提高系統可靠性應使單體功率模塊容量不大于“余量”容量,使UPS內部功率模塊形成“N+X”系統。當X=1時為最經濟配置,即功率模塊最大容量為UPS單機容量的倍,否則按標準設計時主機內部功率模塊形不成冗余而使系統可靠性降低。

例如,目前數據中心經常使用的400kVA、500kVA、600kVA的UPS,為實現至少一個獨立模塊的功率冗余,功率模塊容量不應大于為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數值越大系統可靠性越低;也不是X數值越大越好,X數值太大則會使系統成本升高、性價比降低,也使系統的負載率降低,運行效率低下。因此在選擇功率模塊容量及主機容量時應綜合考慮各方面因素以達到最優配置。

(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系。取功率模塊“Ri=0.85”、“Ri=0.9”和“Ri=0.95”三種可靠度數值,圖2給出了相應的可靠度曲線。

從圖2中可以看出,在主機內功率模塊都采用“N+1”配置方式時,在平面坐標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主機可靠度的關鍵因素。

2 功率模塊設計和實際應用應注意的問題

模塊化UPS的設計理念區別于塔式設計的UPS，其所有的功率模塊層疊在同一個機架當中,且都是水平擺放，在進行風道設計時不能利用自然對流只能依靠風扇強制風冷降溫；為提高功率密度，模塊間距離及模塊內部器件間距離設計的都很小；對安規設計和散熱設計提出了非常高的要求。

在數據中心配電設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不僅應考慮一次故障而且應考慮由一次故障引起的二次故障。例如,當某個功率模塊內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導致兩極間具備燃弧條件時出現電弧性短路,其短路電流由于受阻抗影響數值不大,不會引起斷路器等保護器件的馬上動作。致使其持續時間長、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、產生的煙霧內所含導電物質使爬電距離和電氣間隙被破壞。進入連鎖反應,主機內所有模塊都有可能會出現故障甚至燃燒。因此功率模塊在允許的情況下應預留足夠的空間以提高污染等級,避免發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在組成并聯系統時其失效模式不同于傳統的塔式UPS并聯方式。例如,系統由兩臺500kVA模塊化UPS并聯而成,功率模塊容量為50kVA。某一時刻負載容量為940kVA,兩臺UPS均分負載,即單機帶載量為470kVA,假設其中一臺UPS中的一個模塊因故障退出,此時UPS剩余容量變為450kVA,處于過載狀態,一段時間后轉旁路工作,隨之整個系統都轉旁路工作由市電直接供電,系統將處于不可靠狀態。此時系統中兩臺UPS內可使用的功率模塊總容量是大于負載容量的,有沒有一種控制算法可以不受主機柜邊界的限制,將兩個主機柜內的功率模塊無差別的融合在一起。由參考文獻1和參考文獻2可知,如果功率模塊采用伊頓專利的HotSync熱同步控制算法,可實現并機系統內一個模塊退出后,剩余功率模塊不受主機柜邊界的限制自動均分負載,達到不同主機內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,保證拓撲結構的可靠性;

②使用了SiC混合型IGBT封裝模塊,集成了第三代碳化硅半導體技術與第六代IGBT半導體技術,使IGBT模塊具備更好的抗沖擊性、過電流保護和更高的效率,解決了分立器件在大功率應用下,外部并聯的批次匹配和均流問題,保證了核心器件的可靠性;

③對電路板進行了三防保護、優化了風道布局,避免了環境因素對主機的影響,模塊采用4U設計為安規設計預留充足的空間;

④使用了長壽命、免維護、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力對電容壽命的影響,避免了電容在失效模式下的起火風險;

⑤使用了行內可靠性最高的“熱同步”并機技術,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。該技術允許不同容量的UPS并聯,避免了傳統并機系統中一臺UPS中的某個功率模塊故障導致并機系統中各UPS容量不一致產生的主機間均流問題的發生;

⑥100kAIC超高短路分斷能力,能夠及時分斷負載或線路出現的短路電流,靜態旁路模塊標配快速熔絲保護以確保短路故障下的安全操作;

⑦提供基于云技術的了PredictPulse7x24h遠程監控服務,實時監控和器件級的診斷分析預測,一旦發現異常,將通過伊頓完善的服務網絡,提供第一時間進行運維服務。

4 結束語

綜上所述,模塊化UPS冗余功率模塊數量、功率模塊容量以及功率模塊可靠度決定了數據中心模塊化UPS供配電系統的可靠性。為獲得更高的可靠度,UPS應選擇最佳顆粒度的功率模塊容量和機架容量,用以實現UPS內部和供電系統的“N+X”冗余。盡可能通過各種方式提高功率模塊電路設計、器件選擇和安規設計的可靠度;除考慮冗余、功率模塊可靠性之外還應考慮靜態旁路、蓄電池、并聯控制方式和一次故障保護機制等輔助系統的可靠度,只有所有子系統無短板整個系統的可靠性才能提升。

審核編輯：彭菁