模塊化UPS系統設計淺析

通過不同系統架構可用性及經濟性的分析,對科學地選擇功率模塊的容量和數量進行了探討,以期構建經濟高效的模塊化UPS系統。

1 引言
  
  模塊化UPS系統由功率模塊、旁路模塊、顯示模塊、機柜等組件構成。其中功率模塊是最主要的構成部分。在系統容量確定的情況下,模塊化UPS系統可由不同容量和數量的功率模塊構成。
  
  可以說功率模塊的容量或數量的確定是影響系統架構的主要因素。
  
  2 模塊數量對系統可用性的影響
  
  (1)系統分析模型
  
  為了簡化分析過程,只考慮功率模塊數量對系統可靠性的影響,采用圖1所示的系統模型。系統模型中雖然忽略了控制系統、蓄電池系統、旁路系統等因素,但對系統的定性分析沒有影響。
  
  (2)可用性計算
  
  根據概率統計學相關理論,系統模型的可用性表達式為
  

  其中,A為系統可用性;A0為單模塊可用性;
  
  n為系統模塊總數量;
  
  k為必需模塊數量;
  
  n-k為冗余模塊數量。
  
  由式(1),分別計算一個模塊化電源系統在各種配置情況下的可用性,假設單個模塊的可用性為A0=0.99。其計算結果如表1～表4所示,分別為系統無冗余模塊時的可用性、系統冗余1個模塊時的可用性、系統冗余2個模塊時的可用性和系統冗余3個模塊時的可用性。
  

  (3)計算結果分析
  
  根據以上計算結果,可以得出以下結論:
  
  ①模塊化UPS系統必須保持至少有1個冗余功率模塊(X≥1),否則系統的可用性將隨模塊數量增多而大幅下降,如表1所示;
  
  ②冗余模塊的數量X對系統的可靠性起到決定性的作用。每增加1個冗余模塊,可靠性呈現數量級增加。如表2、表3、表4所示;
  
  ③在冗余模塊數量一定的情況下,組成系統的模塊數量越多,可用性越低;
  
  ④從系統可用性考慮,希望系統冗余模塊數量X越大越好。
  
  3 模塊數量對系統經濟性的影響
  
  模塊數量主要在以下兩個方面對系統的經濟性產生影響:
  
  ① 初期的采購費用
  
  在同一系統容量下,組成系統的模塊數量越多,成本越高。如20個10kVA模塊成本要高于10個20kVA模塊成本。
  
  ②系統后期運維成本
  
  模塊的數量越多,后期的運維成本越高。這可以由系統故障率反映出來。
  
  系統故障率的計算公式為 λ=(k+X)λ0 (2)

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

    依據國標GB50174-2008《電子信息系統機房設計規范》,不間斷電源系統基本容量的計算公式為
  
  E≥1.2P (3)

式中,E-不間斷電源系統的基本容量;
  
  P-電子信息設備的計算負荷。
  
  據此,模塊化UPS系統電源系統的基本容量可以表達為
  
  E=(k+X)P0  (4)

式中,P0-功率模塊容量;
  
  k-基本功率模塊數量;
  
  X-冗余功率模塊數量。
  
  由式(3)和式(4)可知:
  
  系統冗余功率為E-P=E-(1/1.2)E≈17%E≈XPo
  
  功率模塊的容量、數量和系統容量的關系為(5)
  
  可見雖然冗余數量X越大,系統可用性越高;但功率模塊容量P0越小。系統總模塊數量k+X越大,系統經濟性越差。為兼顧系統的可用性和經濟性,必須在一定的可用性指導下,合理選擇模塊數量。表6給出了不同冗余模塊數量X的可用性和經濟性。
  
  由表6可知,X=2時,即系統具有2個冗余模塊時,模塊化UPS系統可獲得較好的綜合性能。X≥3時,可獲得不具實際意義的超高的可用性,而且系統的復雜性增加,經濟性將明顯變差。所以,合理的功率模塊的容量范圍應該是:
  
  實際應用中,由于運行負荷往往低于計算負荷,系統實際冗余量遠大于17%E。即便按照X=1設計,系統實際運行時,冗余模塊的數量也可能等于或大于2,已經具備了較高的可用性。因此,在確定模塊容量時,可以適當地向偏大方向進行修正。
  
  5 結束語
  
  在構建模塊化UPS系統時,功率模塊容量的確定至關重要。模塊的容量和數量決定了模塊化UPS系統的可用性和經濟性。模塊容量越小(數量越多),越容易獲得系統高可用性;但同時系統故障率增加、經濟性變差。功率模塊的容量應在范圍內選擇。