UPS電池組的線損是什么？怎么計(jì)算？

?本文通過(guò)對(duì)OVH數(shù)據(jù)中心火災(zāi)事故案例的技術(shù)回顧與分析,強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)中心UPS最核心的價(jià)值是“高可靠性”,并就數(shù)據(jù)中心建設(shè)中如何識(shí)別和選擇高可靠性UPS進(jìn)行了系統(tǒng)化的分析,期待為數(shù)據(jù)中心建設(shè)者有效避免OVH事故提供必要的理論依據(jù)。

一、引言
　　
　　數(shù)據(jù)中心設(shè)備眾多,功率和耗電量大,機(jī)房線纜多、分布廣并布線復(fù)雜,電氣火災(zāi)串火快,有毒煙氣擴(kuò)散迅速,其中因數(shù)據(jù)中心電源故障引起的災(zāi)難事故也不時(shí)出現(xiàn)。如何讓決策者在UPS電源的選擇上抓住“高可靠性”這個(gè)核心,最大限度地避免將數(shù)據(jù)中心送上類似OVH災(zāi)難的道路是本文討論的主題。
　　
　　1.1 OVH數(shù)據(jù)中心事故的技術(shù)回顧
　　
　　法國(guó)OVH數(shù)據(jù)中心因UPS起火引起整棟大樓被燒毀已經(jīng)過(guò)去一年多了,最近東南亞及國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心又頻傳來(lái)因UPS故障引起的事故。慘痛的教訓(xùn)似乎已被決策者遺忘,前車之覆,后車之鑒,現(xiàn)在依然有必要再回顧一下那次深刻的教訓(xùn);
　　
　　1.2 事件回放:
　　
　　2021年3月10日,歐洲最大的云服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)托管服務(wù)運(yùn)營(yíng)商OVH位于法國(guó)斯特拉斯堡的數(shù)據(jù)中心發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi),如圖1所示。OVH擁有超過(guò)100萬(wàn)個(gè)客戶、300多個(gè)托管網(wǎng)站,服務(wù)范圍涉及138個(gè)國(guó)家和4個(gè)大洲。這場(chǎng)大火無(wú)疑是IDC史無(wú)前例的一場(chǎng)災(zāi)難。此次事件導(dǎo)致了該數(shù)據(jù)中心的四個(gè)設(shè)施中,SBG-2設(shè)施嚴(yán)重受損,SBG-1的十二個(gè)機(jī)房中的四個(gè)受到損失,SBG-3、SBG-4的機(jī)房大樓盡管未受到損失,但其服務(wù)也受到了不同程度的影響,經(jīng)濟(jì)損失或高達(dá)3億美金。

　此次災(zāi)難另外引起的客戶索賠官司至今也遠(yuǎn)未結(jié)束,時(shí)至今年6月,OVHcloud客戶又發(fā)起集體訴訟,要求超過(guò)1000萬(wàn)歐元的損害賠償……
　　
　　是什么原因造成了OVH的火災(zāi)?OVH創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)OctaveKlaba表示,UPS可能是火災(zāi)的原因。消防部門的熱像儀圖像表明兩臺(tái)UPS不間斷電源是SBG2火災(zāi)的源頭,如圖2所示。

　　二、如何識(shí)別高可靠性UPS
　　
　　作者以在數(shù)據(jù)中心行業(yè)從事UPS應(yīng)用工作多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)出發(fā),就如何圈定一臺(tái)高可靠性UPS,談幾點(diǎn)個(gè)人看法。
　　
　　2.1要圈定高可靠性UPS,首先是機(jī)型的選擇
　　
　　1）建議首先注重品牌。在當(dāng)今環(huán)境下,UPS品牌眾多,不同品牌的UPS在參數(shù)或功能上相互模仿,盡管滿足標(biāo)書或高于標(biāo)書要求,但在“可靠性”方面良莠不齊。
　　
　　2）品牌的建立需要多年積累，其技術(shù)專利，制造經(jīng)驗(yàn)，品質(zhì)管控及售后服務(wù)等都不是短時(shí)間容易獲得。
　　
　　下面以常用的塔式型和大模塊型為例,提供基本分析,供讀者選型參考。
　　
　　2.2塔式型UPS
　　
　　本文將滿足國(guó)家YD/T1095-2018《通信用交流不間斷電源(UPS)》標(biāo)準(zhǔn)要求,并依此進(jìn)行泰爾檢測(cè)并獲得中國(guó)泰爾實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)報(bào)告的UPS,稱為為塔式型UPS;將滿足國(guó)家YD/T2165-2017《通信用模塊化不間斷電源》標(biāo)準(zhǔn)要求并檢驗(yàn)的UPS,稱為模塊化UPS。后續(xù)所指的各品牌塔式UPS型號(hào)均據(jù)此分類列出。
　　
　　實(shí)際上塔式機(jī)UPS內(nèi)部也是由一個(gè)或多個(gè)功率模塊在內(nèi)部并聯(lián)組成，通常單個(gè)功率模塊不可獨(dú)立工作（某些特別的設(shè)計(jì)除外），當(dāng)某個(gè)功率模塊故障，則整機(jī)故障，不具有容錯(cuò)功能。如果需要擴(kuò)展容量，必須通過(guò)整機(jī)并聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　
　　依據(jù)產(chǎn)品的YD/T1095-2108檢測(cè)報(bào)告,下表(1)列出了部分知名品牌原廠設(shè)計(jì),原廠制造的塔式UPS系列:
　　
　　2.3大模塊容錯(cuò)型UPS
　　
　　大模塊容錯(cuò)型UPS，盡管也是滿足YD/T1095-2018《通信用交流不間斷電源(UPS)》標(biāo)準(zhǔn)要求并按此來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)的，但是其內(nèi)部由多個(gè)大功率模塊組成，單個(gè)模塊容量約200-400KVA，每個(gè)模塊可以獨(dú)立工作，也可以通過(guò)增加模塊，實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展。據(jù)此定義，表(2)中列出了部分知名品牌原廠制造的大模塊容錯(cuò)型UPS系列:
　　
　　2.4?塔式型UPS與大模塊容錯(cuò)型UPS比較
　　
　　依據(jù)公開(kāi)的網(wǎng)站資料與介紹,表(3)列出了通常大模塊容錯(cuò)型UPS和塔式型UPS在可靠性和安全性方面的典型性能比較(注:個(gè)別品牌/型號(hào)的大模塊容錯(cuò)型UPS不滿足下列指標(biāo)除外):
　　
　　三、高可靠性UPS電路架構(gòu)的特點(diǎn)
　　
　　1.高可靠性UPS基本采用三電平主電路架構(gòu)

?? 所謂UPS的主電路架構(gòu)通常指的是整流器、逆變器機(jī)和電池變換器所采用的電路形式，如整流器是采用SCR相控整流器還是采用IGBTPWM整流器；如果采用IGBT整流、逆變器，那采用的是兩電平、三電平還是四電平，整流器與逆變器的電路結(jié)構(gòu)是否完全一樣、對(duì)稱可互換等。目前主流的高頻機(jī)型，基本都采用的是三電平整流、逆變可互換的架構(gòu)，也有個(gè)別采用二、四混合構(gòu)成平均三電平的，即整流是兩電平而逆變是四電平的。
　　
　　三電平架構(gòu)的UPS,高次諧波幅度要小于兩電平的高次諧波,單個(gè)IGBT承受的電壓更低,開(kāi)關(guān)損耗更小，增加了一定的系統(tǒng)可靠性。但實(shí)際上，電平數(shù)越多，相應(yīng)的元器件也越多，控制也越復(fù)雜，太多的元器件和復(fù)雜的控制都會(huì)降低可靠性，所以幾乎沒(méi)有采用五電平或六電平架構(gòu)的UPS；綜合來(lái)看，行業(yè)中采用三電平架構(gòu)是主流，上面提到的B級(jí)塔式型UPS除了個(gè)別機(jī)型采用二電平以外，基本都是采用三電平架構(gòu)；而A級(jí)大模塊容錯(cuò)型UPS全部采用三電平架構(gòu)或平均三電平架構(gòu)。表(4)列出了二電平，三電平和四電平主電路架構(gòu)供參考。
　　
　　2.高可靠性UPS須具有獨(dú)立的充、放電器,不復(fù)用整流器電路
　　
　　整流器和充電器是2個(gè)獨(dú)立的硬件電路。如圖3所示,即使整流器故障,獨(dú)立的充、放電器也可將電池能量安全釋放,從而蓄電池放電路由的可靠性與切換時(shí)效性都大大提升,不會(huì)受到整流器故障的影響。另外,此架構(gòu)下,整流器和電池放電可同時(shí)工作,即功率比例分配的聯(lián)合供電,當(dāng)市電電壓較低時(shí),或者啟動(dòng)發(fā)電機(jī)供電時(shí),采用聯(lián)合供電的模式,可以減少對(duì)市電或發(fā)電機(jī)的電力需求與沖擊,提升UPS對(duì)上游電力的適應(yīng)性。
　　
　　3.高可靠性UPS的電池充電/放電電路須采用無(wú)中性線設(shè)計(jì)
　　
　　電池是UPS系統(tǒng)中最不可靠的部分,UPS設(shè)計(jì)得好壞直接影響到電池的可靠性。如圖4(b)所示為有中線設(shè)計(jì)原理圖4(a)所示為無(wú)中性線的架構(gòu),中性線兩邊的電池節(jié)數(shù)必須對(duì)稱,電池總節(jié)數(shù)必須是偶數(shù)(上下對(duì)稱),只要有一側(cè)電池?fù)p壞,兩側(cè)直流電壓就不對(duì)稱,導(dǎo)致輸出電壓不對(duì)稱,必定產(chǎn)生直流分量輸出,易損壞負(fù)載,引起不必要的事故。
　　
　　對(duì)于無(wú)需中性線的UPS,UPS內(nèi)部有平衡電路,不存在以上問(wèn)題,并且電池?cái)?shù)量單節(jié)可調(diào),也降低運(yùn)維的復(fù)雜度。
　　
　　含電池中線的UPS通常需要采用四極電池開(kāi)關(guān),增加了開(kāi)關(guān)的復(fù)雜性。電池中性線N實(shí)際是與交流輸入的零線相連,而零線遠(yuǎn)端又是與大地相連;電池架也是與大地相連,如圖(5)所示,任何一節(jié)電池(除了中性點(diǎn)),任意一點(diǎn)只要漏液或維護(hù)時(shí)不小心碰觸到了接地裝置,就通過(guò)中性線與大地構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)的電流回路,極易引發(fā)起火冒煙,進(jìn)一步引起消防報(bào)警從而使負(fù)載斷電。過(guò)去市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)生大量這樣的災(zāi)害事故。另一方面,如果人類不小心觸到電池電極,也容易通過(guò)中性線與大地形成回路,引起觸電事故。對(duì)于無(wú)需中性線的UPS,因?yàn)殡姵氐娜魏我粯O沒(méi)有接地,難以形成以上引起事故的電流回路,會(huì)更加安全可靠。
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　　4.高可靠性UPS須具有系統(tǒng)級(jí)冗余電路
　　
　　UPS風(fēng)扇冗余設(shè)計(jì),靜態(tài)旁路風(fēng)扇冗余設(shè)計(jì),系統(tǒng)電源冗余設(shè)計(jì)。即使UPS的部分關(guān)鍵部件出現(xiàn)故障,也能保證UPS系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的供電不中斷。
　　
　　如靜態(tài)旁路(STS)，必須具有獨(dú)立的輔助電源與獨(dú)立的CPU控制單元，即使中央控制單元故障和其它所有輔助電源失效，UPS也可以安全切換到靜態(tài)旁路，留有足夠時(shí)間處理故障而不會(huì)使負(fù)載斷電。
　　
　　如輔助電源(SPS),它是給內(nèi)部控制系統(tǒng)供電的核心單元,必須冗余和多路取電。最可靠的冗余設(shè)計(jì)是每個(gè)模塊有獨(dú)立的輔助電源,且有一個(gè)備份電源,每個(gè)電源又分三路取電,如圖(6)架構(gòu)。
　　
　　5.從核心元器件的選型確認(rèn)UPS高可靠性
　　
　　高可靠電路需要高可靠性元器件來(lái)支撐;每臺(tái)UPS元件眾多,限于篇幅,本文建議抓重點(diǎn),主要從IGBT和電容兩個(gè)核心元件的選型上去識(shí)別。
　　
　　6.高可靠UPS功率器件必須選用IGBT模塊,而不是IGBT單管.IGBT是UPS的心臟,是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠最主要的元器件。特別容易引起故障和炸機(jī)的就是多個(gè)IGBT單管并聯(lián)的UPS。兩種類別IGBT對(duì)比見(jiàn)表(5)。
　　　

7.高可靠UPS必須選用高可靠電容
　　
　　電容是一個(gè)具有較短壽命周期且不太穩(wěn)定的關(guān)鍵元件。以最易出現(xiàn)問(wèn)題的交流濾波電容為例,高可靠UPS交流濾波電容須采用更加可靠的“油浸式防爆電容”。要盡量避免干式塑殼電容,因其壽命周期短,易起火冒煙(分析稱OVH數(shù)據(jù)中心最有可能就是UPS內(nèi)干式塑殼電容起火引發(fā)整棟大樓被燒毀)。兩種類別電容對(duì)比見(jiàn)表(6)。
　　
　　四、總結(jié)
　　
　　數(shù)據(jù)中心,特別是大型數(shù)據(jù)中心,選擇UPS的核心價(jià)值就是“高可靠性”,因此識(shí)別和選擇高可靠性的UPS非常重要。
　　
　　先圈定品牌,然后圈定品牌下的高端產(chǎn)品,優(yōu)先選擇大模塊容錯(cuò)性UPS;確定UPS的電路架構(gòu),含獨(dú)立充、放電器,采用無(wú)電池中性線設(shè)計(jì);UPS具有系統(tǒng)級(jí)的冗余設(shè)計(jì),防止單點(diǎn)故障;關(guān)注UPS內(nèi)的重要器件選型,要采用IGBT功率模塊,而不是分立式IGBT單管,交流濾波電容器應(yīng)選擇油浸式防爆電容。
　　
　　從以上幾個(gè)方面綜合考慮,就可以簡(jiǎn)單識(shí)別出符合數(shù)據(jù)中心需求的高可靠UPS,避免類型法國(guó)OVH數(shù)據(jù)中心因UPS而引起的慘痛事故的重演。