如何提高帶有電池備份的UPS的可靠性

在人工智能和HPC需求推動(dòng)數(shù)據(jù)中心電力消耗不斷增加的背景下，不間斷電源(UPS)的作用變得越來越重要。預(yù)計(jì)主要云服務(wù)提供商今年的用電量將增加50%，因此確保不間斷電源變得至關(guān)重要。

在這種情況下，帶有分布式電池備份的UPS系統(tǒng)通過維持電能質(zhì)量、保護(hù)電子設(shè)備免受電網(wǎng)不穩(wěn)定的影響以及確保關(guān)鍵應(yīng)用的不間斷服務(wù)，在保障工業(yè)運(yùn)營方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

要充分了解分布式電池UPS系統(tǒng)的重要性和功能，深入了解其工作原理和優(yōu)勢至關(guān)重要。了解這些系統(tǒng)的運(yùn)行方式及其對數(shù)據(jù)中心彈性的深遠(yuǎn)影響，可以揭示寶貴的見解，了解如何在能源需求不斷增長和潛在中斷的情況下，保障運(yùn)營連續(xù)性。繼續(xù)閱讀，探索分布式電池UPS背后的技術(shù)及其在為未來數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施供電方面的關(guān)鍵作用。

UPS系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商和所有者通常會從各種UPS架構(gòu)中，選擇適合更高功率系統(tǒng)應(yīng)用的架構(gòu)，尤其是那些運(yùn)行大型設(shè)施的架構(gòu)。UPS系統(tǒng)的類型是電能電池備份配置的重要因素，這些包括單片和模塊化UPS系統(tǒng)。

單片UPS系統(tǒng)

單片式UPS可為關(guān)鍵操作提供令人滿意的電源保護(hù)，可作為單個(gè)單元或集成子系統(tǒng)的一部分運(yùn)行。雖然它可以是并聯(lián)或雙總線系統(tǒng)的一部分，但它缺乏內(nèi)部冗余和可擴(kuò)展性，無法應(yīng)對重大的電源轉(zhuǎn)移。

模塊化UPS系統(tǒng)

模塊化UPS系統(tǒng)由一個(gè)裝有電源模塊的框架組成，這些電源模塊可以根據(jù)容量或冗余度進(jìn)行排列。模塊化UPS中的每個(gè)電源模塊都獨(dú)立運(yùn)行，即使在帶電系統(tǒng)中也可以安全地拆卸或安裝。

電池集成在UPS可靠性和基礎(chǔ)設(shè)施中的意義

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電池對電力系統(tǒng)的功能起著至關(guān)重要的作用。它們在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)儲存電能，在停電時(shí)提供備用電源。在數(shù)據(jù)中心，它們有助于無縫過渡到發(fā)電機(jī)等長期備用能源存儲源，從而保持不間斷的IT操作。業(yè)主和運(yùn)營商選擇不同的UPS系統(tǒng)支持選項(xiàng)，具有不同的優(yōu)勢和權(quán)衡。

集中式電池架構(gòu)

UPS系統(tǒng)中的集中式電池架構(gòu)將所有電池連接到一個(gè)點(diǎn)，為主要組件提供簡單的安裝和成本效益。然而，它可能會導(dǎo)致電池?cái)嗦菲鞯容o助設(shè)備的成本更高。雖然集中式系統(tǒng)在故障隔離方面存在局限性，但數(shù)據(jù)中心所有者和運(yùn)營商可以將其應(yīng)用于單片和模塊化UPS。

分布式電池架構(gòu)

分布式電池架構(gòu)采用模塊化方法，將每個(gè)電源模塊與專用電池柜配對，以增強(qiáng)負(fù)載保護(hù)。單片式UPS缺乏模塊化，無法在單個(gè)系統(tǒng)中與分布式電池配合使用。這種架構(gòu)僅與模塊化UPS系統(tǒng)兼容。然而，由于直流配電板配置限制，并非所有模塊化UPS都支持分布式電池設(shè)置。

集中式和分布式電池配置的系統(tǒng)依賴性比較

分布式電池增強(qiáng)了模塊化UPS系統(tǒng)的優(yōu)勢，而集中式電池則需要考慮各種權(quán)衡。采用分布式電池的模塊化UPS系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢，特別是在電池?cái)嗦菲?BCB)和UPS之間的電源中斷、電池故障隔離、電能保護(hù)成本以及可用性和可靠性方面。

BCB和UPS短路

當(dāng)電池?cái)嗦菲?BCB)與UPS之間發(fā)生短路時(shí)，分布式電池系統(tǒng)的效率更高。由于環(huán)境因素、設(shè)備問題、外部干擾或基礎(chǔ)設(shè)施老化等原因?qū)е轮绷麟娫淳€絕緣損耗。

集中式電池配置中的電源中斷風(fēng)險(xiǎn)

集中式系統(tǒng)中BCB和UPS之間的短路可能會中斷供電、損壞設(shè)備并導(dǎo)致停機(jī)。如果主電源發(fā)生故障，DC/DC轉(zhuǎn)換器上的保險(xiǎn)絲熔斷會關(guān)閉UPS備用電源，從而影響無縫電池備用電源轉(zhuǎn)換。

分布式電池的電力系統(tǒng)彈性

相比之下，分布式電池設(shè)置更具彈性。如果BCB和UPS之間發(fā)生短路，則只有連接的電池組會受到影響，其余電池組仍可正常運(yùn)行。這種隔離可防止整個(gè)系統(tǒng)關(guān)閉，確保不受影響的負(fù)載持續(xù)供電。與具有固有漏洞的集中式架構(gòu)不同，分布式電池可增強(qiáng)系統(tǒng)可用性和容錯(cuò)能力。

電池故障隔離

UPS系統(tǒng)可能在不同情況下面臨電池故障，對備用電源基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性和性能構(gòu)成挑戰(zhàn)?？赡軙l(fā)生絕緣損耗、短路或故障等問題。UPS與BCB連接以控制跳閘，從而提高安全性。

案例1：BCB可以清除故障

當(dāng)集中式電池系統(tǒng)中的電池柜發(fā)生故障時(shí)，如果BCB能夠隔離故障，剩余的電池仍可以為負(fù)載提供充足的電力。但是，由于電池柜減少，容量降低，這種冗余只能持續(xù)較短的時(shí)間。

相反，在機(jī)柜發(fā)生故障時(shí)，分布式系統(tǒng)中的負(fù)載繼續(xù)通過電池滿載供電，并與BCB進(jìn)行故障隔離。受影響的核心最初從剩余的電池中獲取能量，并在剩余核心過載的情況下繼續(xù)提供滿載。

案例2：BCB無法清除故障

如果BCB無法清除電池故障，分布式電池架構(gòu)比集中式電池架構(gòu)具有更好的容錯(cuò)能力。在集中式設(shè)置中，單個(gè)電池組故障可能會通過直流配電蔓延，從而導(dǎo)致DC/DC轉(zhuǎn)換器保險(xiǎn)絲燒斷和備用電源丟失。另一方面，分布式電池通過隔離電氣連接來提高系統(tǒng)彈性，這限制了特定電池組內(nèi)的故障，從而防止了大面積停電。

直流電源保護(hù)成本

在集中式電源系統(tǒng)設(shè)置中，每個(gè)BCB必須處理“N-1”串的電流，或者當(dāng)系統(tǒng)繼續(xù)以全容量運(yùn)行時(shí)，即使一個(gè)串發(fā)生故障。當(dāng)一個(gè)串發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)，所有其他電池串將堅(jiān)持支持發(fā)生故障的串，這可能會導(dǎo)致保護(hù)裝置過載。全球標(biāo)準(zhǔn)要求電源保護(hù)裝置的尺寸能夠確保電流中斷而不會破裂。

電池柜數(shù)量的增加對成本和組件可用性提出了挑戰(zhàn)。例如，在有四個(gè)柜子的設(shè)置中，BCB應(yīng)該處理三個(gè)柜子的電流，而在有八個(gè)柜子的設(shè)置中，它們必須管理七個(gè)柜子的電流。BCB通常是外部的，需要根據(jù)存儲容量要求進(jìn)行尺寸調(diào)整，這會導(dǎo)致額定電流更高的BCB和增加直流電源保護(hù)成本。

分布式儲能架構(gòu)涉及將電池模塊分布在單獨(dú)的機(jī)柜中。由于每個(gè)BCB僅負(fù)責(zé)管理其指定機(jī)柜組內(nèi)的電流，因此這種配置可顯著降低電流負(fù)載和相關(guān)成本。雖然這通常會導(dǎo)致更高的成本，但考慮到整體解決方案成本，這種情況有時(shí)才會發(fā)生。

可用性和系統(tǒng)可靠性

分布式電池設(shè)置具有維護(hù)優(yōu)勢，特別是在BCB安裝方面。集中式電池系統(tǒng)存在一個(gè)關(guān)鍵漏洞，那就是單點(diǎn)故障。這種設(shè)置會導(dǎo)致所有電池被斷路器同時(shí)斷開。維修或更換電池變得困難，因?yàn)閷σ粋€(gè)電池柜的任何操作都會影響所有電池柜，從而防止維護(hù)期間備用能源故障。

分布式電池設(shè)置可提高可維護(hù)性和故障控制能力。多個(gè)電池串可避免單點(diǎn)故障，從而提高可靠性，確保在故障期間持續(xù)供電。該系統(tǒng)可提高電力可靠性、減少中斷、優(yōu)化儲能容量并降低運(yùn)營成本。

每個(gè)電池柜或電池組安裝單獨(dú)的BCB

不管電池是集中式還是分布式，都可以為每個(gè)電池柜或電池組安裝單獨(dú)的BCB，從而消除單點(diǎn)故障和斷電。這樣可以最大限度地減少停機(jī)時(shí)間并提高系統(tǒng)可用性，但成本較高。然而，由于采用集中式邏輯，UPS仍然無法在集中式電池配置和單片UPS系統(tǒng)中單獨(dú)控制每個(gè)BCB。

總結(jié)

分布式電池系統(tǒng)提供強(qiáng)大的解決方案，與集中式系統(tǒng)相比，具有更好的容錯(cuò)性、可用性和成本節(jié)省。它們擅長隔離故障、確保不間斷供電并降低全系統(tǒng)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。通過管理跨獨(dú)立機(jī)柜的電池模塊，這些系統(tǒng)降低了直流電源保護(hù)成本并提高了效率，使其成為可靠UPS基礎(chǔ)設(shè)施的不二之選。

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