電量傳感器在數據中心不間斷電源中的應用

隨著互聯網技術與應用的快速發(fā)展，云計算，云存儲，大數據等相關新型互聯網業(yè)務規(guī)模與日俱增，數據中心進入規(guī)?；ㄔO階段。數據中心巨大規(guī)模的建設與應用，導致數據中心對供電需求快速增長，根據ICT Research 機構預測，2016年的中國數據中心耗電量已逾1000億千瓦時，相當于三峽水電站年發(fā)電總量。于此同時，全球數據中心用電量也已超過10000億千瓦時。據美國媒體調查，全球各大網站僅數據中心的用電功率，就相當于30個核電站的供電功率，巨大的用電容量給數據中心的建設和運營都帶來了全新的挑戰(zhàn)。

目前在數據中心運營過程中，由于電力故障，設備故障，雷擊事件等導致的數據中心用電安全事故時有發(fā)生。事實上，數據中心的用電故障帶來的損失不僅僅是數百上千萬美元的直接經濟損失，對于眾多國際知名品牌與上市公司來說，品牌和股價等隱形價值的負面影響難以估量。

隨著新型功率半導體器件的發(fā)展，新型電力電子電能變化拓撲的發(fā)明與應用，以及現代控制理論與數字控制技術的發(fā)展，數據中心不間斷供電技術得到了顯著的提升，對供電系統(tǒng)的可靠性，成本與技能，配置靈活性和可擴展性等提供了有效的技術支撐。

大型數據中心供電的任何故障都可能給業(yè)主和客戶帶來重大的經濟損失或者災難性的后果。因此，數據中心能否可靠運營的關鍵之一是IT設備的不間斷供電。在保證不間斷供電的前提下，不斷提升不間斷供電架構的可靠性，是數據中心用戶一直以來的核心需求。

通常數據中心不間斷供電系統(tǒng)一般包括高壓配電系統(tǒng)，變壓器，柴油發(fā)電機組，低壓配電系統(tǒng)，防雷器，UPS，電池組，列頭柜，機架分配單元(PDU)，連接器等組成環(huán)節(jié)。其中UPS作為不間斷供電系統(tǒng)的核心部件，起到舉足輕重的作用。為了使不間斷供電系統(tǒng)始終保持高效的運作，在特定環(huán)境下，選擇雙轉換在線式可能更為合適。特別是在 AC 電源高度失真和/或具有極大電壓變化的地理區(qū)域，雙轉換在線式 UPS 無需頻繁轉換到電池供電即可維持正常輸出。較低的電池使用率可以保存電池容量以應對長時間的斷電事故，并延長電池使用壽命。此外，降低電池更換成本可以抵消在線互動式 UPS 低初始成本和低運營成本的優(yōu)勢。在某些特殊的情況下可能需要使用雙轉換在線式 UPS，比如對于某些醫(yī)療設備或儀器，需要進行功率因數校正(PFC)、要求較小的物理尺寸或需要進行頻率轉換等等。前文提到的高效包括：

轉換效率高(Po/Pin>96%)

輸入電流波形的正弦波畸變率小(<5%)

優(yōu)異的動態(tài)負載跟隨相應

N+X的冗余工作模式

為使UPS工作在上述的高效模式，這其中離不開電量傳感器對一些關鍵位置的電壓和電流信息的量測。

通常情況下，一個典型的雙變換在線式UPS的拓撲結構如下

正如其名稱所示，雙轉換在線式 UPS 會進行兩次電源轉換。首先，將 AC 輸入(包括所有電壓尖峰脈沖、失真和其他異常)轉換為 DC。然后，在 UPS 的精密調控下將 DC 重新轉換為 AC。這種 AC 輸出甚至可以具有與AC 輸入不同的頻率。在存在 AC 輸入時，為負載設備提供的所有電源都經過這種雙轉換過程。當 AC 輸入超出指定范圍時，UPS 會從電池獲取電能，這樣 UPS 輸出就不會受到影響。在大多數雙轉換在線式設計方案中，這種發(fā)生在 UPS 內部的 AC 輸入和電池之間的轉換需要數毫秒的時間。同樣，在這些轉換過程中，也是由“DC 鏈路”(請參考上圖)中的電容將存儲的能量提供給逆變器。因此，即使進入“DC 鏈路”的電源出現短暫中斷，UPS 輸出電壓也不會受到影響，可以持續(xù)供電。

在上述電能轉換過程中，在AC輸入和DC 鏈路以及最后的AC輸出等諸多環(huán)節(jié)上都會需要電量傳感器去監(jiān)測輸入輸出的電壓或者電流，主要因素如下：

1. 根據監(jiān)測的電壓值或者電流值去判斷當前電網或者負載的狀態(tài)然后決定UPS需要哪種模式工作

2. 根據監(jiān)測的電壓值或者電流值去進行精準的閉環(huán)控制，以滿足苛刻負載的要求。

另外，需要特別注意的是,在UPS AC輸入和AC輸出端，針對于電流傳感器的選型需要根據不同的應用特性加以區(qū)分。

用在UPS AC輸入端的電流傳感器在選型時主要依照原邊電流為正弦波去考慮，再按照設計的過載系數和紋波系數去確定電流傳感器的最大可量測峰值范圍即可。

用于UPS AC 輸出端的電流傳感器在選型時需要關注到UPS帶非線性負載的另一個關鍵指標—諧波因子(CF=Crest Factor)，通常UPS的CF值范圍選取根據不同的負載選擇也有所不同，通常會設定在2.1-3.0之間，因此在選擇電流傳感器的可量測范圍時需要特別注意到這一點，否則就會導致因采樣量程不夠而造成控制上的盲區(qū)使得最終UPS AC輸出電壓發(fā)生畸變。

還有一點需要注意的是：通常作為電壓源輸出的UPS設備都會具備抗瞬時的輸出短路能力，這需要UPS的控制單元能夠對輸出電流的檢測做出快速響應，因此作為檢測環(huán)節(jié)的電流傳感器，對于響應時間的參數要求，也應當在考慮范圍之內，否則就可能造成保護的延遲失調。

所以，選擇一款合適的電量傳感器對于數據中心不間斷電源的整體性能提升至關重要，從而保證設備的高效運行。