模塊化UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

通過不同系統(tǒng)架構(gòu)可用性及經(jīng)濟(jì)性的分析,對科學(xué)地選擇功率模塊的容量和數(shù)量進(jìn)行了探討,以期構(gòu)建經(jīng)濟(jì)高效的模塊化UPS系統(tǒng)。

1 引言
  
  模塊化UPS系統(tǒng)由功率模塊、旁路模塊、顯示模塊、機(jī)柜等組件構(gòu)成。其中功率模塊是最主要的構(gòu)成部分。在系統(tǒng)容量確定的情況下,模塊化UPS系統(tǒng)可由不同容量和數(shù)量的功率模塊構(gòu)成。
  
  可以說功率模塊的容量或數(shù)量的確定是影響系統(tǒng)架構(gòu)的主要因素。
  
  2 模塊數(shù)量對系統(tǒng)可用性的影響
  
  (1)系統(tǒng)分析模型
  
  為了簡化分析過程,只考慮功率模塊數(shù)量對系統(tǒng)可靠性的影響,采用圖1所示的系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型中雖然忽略了控制系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)等因素,但對系統(tǒng)的定性分析沒有影響。
  
  (2)可用性計(jì)算
  
  根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)理論,系統(tǒng)模型的可用性表達(dá)式為
  

  其中,A為系統(tǒng)可用性;A0為單模塊可用性;
  
  n為系統(tǒng)模塊總數(shù)量;
  
  k為必需模塊數(shù)量;
  
  n-k為冗余模塊數(shù)量。
  
  由式(1),分別計(jì)算一個(gè)模塊化電源系統(tǒng)在各種配置情況下的可用性,假設(shè)單個(gè)模塊的可用性為A0=0.99。其計(jì)算結(jié)果如表1～表4所示,分別為系統(tǒng)無冗余模塊時(shí)的可用性、系統(tǒng)冗余1個(gè)模塊時(shí)的可用性、系統(tǒng)冗余2個(gè)模塊時(shí)的可用性和系統(tǒng)冗余3個(gè)模塊時(shí)的可用性。
  

  (3)計(jì)算結(jié)果分析
  
  根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:
  
  ①模塊化UPS系統(tǒng)必須保持至少有1個(gè)冗余功率模塊(X≥1),否則系統(tǒng)的可用性將隨模塊數(shù)量增多而大幅下降,如表1所示;
  
  ②冗余模塊的數(shù)量X對系統(tǒng)的可靠性起到?jīng)Q定性的作用。每增加1個(gè)冗余模塊,可靠性呈現(xiàn)數(shù)量級增加。如表2、表3、表4所示;
  
  ③在冗余模塊數(shù)量一定的情況下,組成系統(tǒng)的模塊數(shù)量越多,可用性越低;
  
  ④從系統(tǒng)可用性考慮,希望系統(tǒng)冗余模塊數(shù)量X越大越好。
  
  3 模塊數(shù)量對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響
  
  模塊數(shù)量主要在以下兩個(gè)方面對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響:
  
  ① 初期的采購費(fèi)用
  
  在同一系統(tǒng)容量下,組成系統(tǒng)的模塊數(shù)量越多,成本越高。如20個(gè)10kVA模塊成本要高于10個(gè)20kVA模塊成本。
  
  ②系統(tǒng)后期運(yùn)維成本
  
  模塊的數(shù)量越多,后期的運(yùn)維成本越高。這可以由系統(tǒng)故障率反映出來。
  
  系統(tǒng)故障率的計(jì)算公式為 λ=(k+X)λ0 (2)

式中,λ0-單模塊故障率;
  
  k-基本功率模塊數(shù)量;
  
  X-冗余功率模塊數(shù)量。
  
  系統(tǒng)故障率λ與單模塊率λ0、模塊數(shù)量(k+X)的關(guān)系見表5。
  
  可見隨著模塊數(shù)量的增加,系統(tǒng)的故障率也成倍上升。而系統(tǒng)故障率與系統(tǒng)的后期運(yùn)維費(fèi)用有關(guān)。這里包括了用戶的運(yùn)維人員的工作量、模塊的維修費(fèi)用等。
  
  因此,從系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性考慮,希望系統(tǒng)的模塊數(shù)量(k+X)越小越好。
  
  4 電源系統(tǒng)容量和冗余模塊容量的確定

    依據(jù)國標(biāo)GB50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》,不間斷電源系統(tǒng)基本容量的計(jì)算公式為
  
  E≥1.2P (3)

式中,E-不間斷電源系統(tǒng)的基本容量;
  
  P-電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷。
  
  據(jù)此,模塊化UPS系統(tǒng)電源系統(tǒng)的基本容量可以表達(dá)為
  
  E=(k+X)P0  (4)

式中,P0-功率模塊容量;
  
  k-基本功率模塊數(shù)量;
  
  X-冗余功率模塊數(shù)量。
  
  由式(3)和式(4)可知:
  
  系統(tǒng)冗余功率為E-P=E-(1/1.2)E≈17%E≈XPo
  
  功率模塊的容量、數(shù)量和系統(tǒng)容量的關(guān)系為(5)
  
  可見雖然冗余數(shù)量X越大,系統(tǒng)可用性越高;但功率模塊容量P0越小。系統(tǒng)總模塊數(shù)量k+X越大,系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性越差。為兼顧系統(tǒng)的可用性和經(jīng)濟(jì)性,必須在一定的可用性指導(dǎo)下,合理選擇模塊數(shù)量。表6給出了不同冗余模塊數(shù)量X的可用性和經(jīng)濟(jì)性。
  
  由表6可知,X=2時(shí),即系統(tǒng)具有2個(gè)冗余模塊時(shí),模塊化UPS系統(tǒng)可獲得較好的綜合性能。X≥3時(shí),可獲得不具實(shí)際意義的超高的可用性,而且系統(tǒng)的復(fù)雜性增加,經(jīng)濟(jì)性將明顯變差。所以,合理的功率模塊的容量范圍應(yīng)該是:
  
  實(shí)際應(yīng)用中,由于運(yùn)行負(fù)荷往往低于計(jì)算負(fù)荷,系統(tǒng)實(shí)際冗余量遠(yuǎn)大于17%E。即便按照X=1設(shè)計(jì),系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí),冗余模塊的數(shù)量也可能等于或大于2,已經(jīng)具備了較高的可用性。因此,在確定模塊容量時(shí),可以適當(dāng)?shù)叵蚱蠓较蜻M(jìn)行修正。
  
  5 結(jié)束語
  
  在構(gòu)建模塊化UPS系統(tǒng)時(shí),功率模塊容量的確定至關(guān)重要。模塊的容量和數(shù)量決定了模塊化UPS系統(tǒng)的可用性和經(jīng)濟(jì)性。模塊容量越小(數(shù)量越多),越容易獲得系統(tǒng)高可用性;但同時(shí)系統(tǒng)故障率增加、經(jīng)濟(jì)性變差。功率模塊的容量應(yīng)在范圍內(nèi)選擇。