第3章 数据中心UPS供电系统设计

3.1 数据中心的供电环境

3.1.1 公共电网干扰

在公共电网上存在着各种形式的干扰。除了供电中断可以明显察觉外，绝大多数干扰都是不容易察觉的。然而，正是这种不易察觉的干扰对正常运行的电子设备存在着严重的威胁。高次谐波在零线上的干扰会严重影响高频通信设备的工作，使数字电路误操作，从而导致通信中断、信息系统数据丢失等严重后果。习惯上将电网干扰分为下述几种。

1.低频干扰

① 过压：电压持续高于额定值的10%以上。

② 久压：电压持续低于额定值的15%以下。

③ 断电：持续1个周期以上的电压为0；大于300ms的供电中断。

④ 间断：小于300ms的供电中断。

⑤ 浪涌：电压高于额定值的10%以上，持续一个至数个周期。

⑥ 频率漂移：频率偏移正常值的±2%。

低频干扰产生的主要原因有大型电气设备的开、关机，电网负荷变化过大（超载或轻载），负载短路等。

2.高频干扰

① 尖峰：高于额定电压若干倍，有时可高达数千伏，持续时间为毫秒级的短时过压。尖峰常见的情况有：叠加在正常波形上的瞬间电压突升（0.5～100μs），突升值大于额定幅值的150%；高压尖脉冲（由闪电、电子开关的工作、电焊设备、静电放电等引起）；电压峰值高达6000V，持续时间一般为0.5～5个周期。

② 毛刺：高于额定电压若干倍，有时可高达上万伏，持续时间为微秒级的瞬时过压。

③ 高次谐波：由于负载的非线性引起的电网波形的畸变。

高频干扰产生的主要原因有由电网供电的非线性负载、高频工作方式的设备产生的辐射、雷电、电气设备启停瞬间等。

由于供电网络和负载的复杂性及自然界雷击、地电等的影响，供给负载的交流电并不是稳定的标准的正弦波，会出现各种不良现象。通常所说的电网故障，使用者一般只知道停电、电压低等，这是两种最常见的现象。作为公共电网，上面连接着各种各样的负载，这些负载中有些不但从电网上得到电能，还会反过来影响电网本身，造成电网供电品质恶化。电网中经常发生且对计算机和电子设备产生干扰或破坏的问题主要有以下几种。

①电涌：输出电压有效值高于额定值的110%，而且持续时间达一个或数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备停止时电网因突然卸载而产生的高压。而高压瞬态（由雷电、电子开关的工作、电焊设备、静电放电等引起）的电压峰值高达20000V，持续时间为0.5～5个周期。

② 高压尖脉冲：峰值达6000V，持续时间从万分之一秒至二分之一周期（10ms）的电压。这主要是由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生的。

③ 暂态过电压：峰值电压高达20000V，但持续时间介于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。其产生及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。

④电压下陷：市电电压有效值介于额定值的80%和85%之间的低压状态，并且持续时间达一个或多个周期。大型设备开机或大型电力变压器接入都可能造成电压下陷。

⑤电磁噪声：射频干扰（RFI）和电磁干扰（EFI）及其他各种高频干扰。它是叠加在正常波形上的高频电压，频率超过400Hz，幅值大于额定幅值的100%。电动机的运行、继电器的动作、电动机控制器的工作、广播发射、微波辐射及电磁风暴等，都会引起电磁噪声干扰。

⑥ 频率偏移：市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳定运行或由频率不稳定的电源供电所致。

⑦ 持续低电压：市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。其产生原因有大型设备启动和应用、主电力线切换、线路过载等。

⑧ 市电中断：市电中断且持续至少两个周期到数小时的情况。其产生原因有线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障等。

⑨ 波动：持续的高电压或低电压。其产生原因有：电力变压器的调节能力差、负载重时电压降低、负载轻时电压升高。

3.UPS对电源故障的处理能力

针对以上各种电网问题，有不同的几种解决方式，UPS对电源故障的处理能力也有所差异，如表3-1所示。

从表3-1中可以看出，后备式和在线互动式UPS对暂态干扰的处理能力有限，这是由其逆变器不在线的工作原理决定的，因此，这两种结构的UPS只能应用于一些不是十分关键的领域。

双变换在线式UPS由于其逆变器实时在线工作，因而能对所有的电源故障具有隔离和处理功能。由于目前电网情况发生了很大变化，真正的长时间断电只占所有电源故障的30%甚至更低，而非线性负载的大量使用使得电网中时刻存在着各种暂态干扰，而这些干扰正是目前威胁关键领域用电设备的主要因素。因此，对于关键应用领域，为了避免可能存在的电源故障，采用双变换在线式UPS是最佳选择。

为了克服电网干扰对用电设备的破坏，消除形形色色的干扰对用电设备造成的影响，为用电设备提供高可靠性和高质量的纯净的电源，选择一套功能完善的UPS可以最大限度地消除来自电网上的各类干扰。各UPS厂家当前普遍的做法是使UPS具有稳压、稳频功能，排除了电压过高、过低及频率漂移的影响；UPS自带蓄电池，解决了电网故障及停电问题；使用谐波滤波器，有效地滤除高次谐波；使用射频干扰滤波器，消除射频干扰，并采用良好的屏蔽措施。

然而，UPS作为一种电子设备，在为所保护的负载提供纯净的电源的同时，自身也会产生干扰，这称为电网的二次污染源。如何消除UPS自身产生的干扰，在为用户提供纯净的电源的同时，又不污染电网是UPS发展中新的技术课题。

UPS的基本工作流程是：将交流电进行整流（AC/DC）变换成直流电后，再进行逆变换（DC/AC）将直流电再变换成交流电供负载使用。通过二次变换后基本上消除了来自电网的各种干扰。与此同时，因UPS的整流器本身的非线性，输入功率因数一般在0.9左右，六脉冲整流器产生的输入电流谐波失真可达27%～34%，而使电网受到二次污染。

UPS的逆变器和控制电路均工作在高频方式，尤其是逆变器的工作状态为高频、高压、大电流状态，其产生的射频辐射若无有效的治理措施将会对周边的电子设备产生干扰，尤其是对高频干扰敏感的设备，例如，对以数字方式工作的网络设备、通信设备等造成严重的干扰；同时，也会对UPS的控制系统产生影响，严重时会造成UPS失控，从而使整个UPS系统瘫痪。因此，在选择UPS时既要考虑其滤除电网对负载的干扰的能力，更要考虑UPS自身的干扰问题。

通常在线工作方式的UPS均能有效地滤除电网干扰对负载的影响，而要消除UPS自身的干扰则需要UPS制造商在设计生产时从电路结构上进行解决。例如，英国克劳瑞德电力电子集团生产的CHLORIDE（克劳瑞德）UPS采用了先进的DSP控制技术、双重隔离技术， IGBT整流器的输入电压（Uin）范围可宽达Uin+25%（一般UPS为Uin+15%），在此范围内输出电压均稳定在额定值。从而彻底解决了输入电压过高或过低的问题，使其具有十分优良的稳压、稳频、抗干扰性能。若输入电压超出此范围，则由UPS内的蓄电池供电，使输出电压仍保持在额定值，解决了电网故障及停电的问题。

IGBT整流器的功率因数校正技术配合输入谐波滤波器及特殊的中线设计，使得输入谐波失真小于10%，功率因数大于0.99（一般UPS谐波失真为27%～34%，功率因数大于0.9），既消除了高次谐波的干扰，又防止对电网产生污染，可称其为绿色UPS，该项指标大大高于我国的电网污染限制等级（欧洲现行标准为大于0.97）。

CHLORIDEUPS在输入端及输出端均配置了射频干扰滤波器，其电磁兼容性符合EN50091-2A，可为各类广播、通信设备使用。CHLORIDEUPS的外壳为2mm厚的不锈钢板制成，机柜内部各单元电路均有独立的屏蔽措施，各部分均有接地极。它具有十分优良的电磁屏蔽作用，既可防止外界干扰，保证 UPS自身可靠地工作，又可防止对周边设备的干扰。