预制化并机UPS系统不均流问题的研究

滑 祥，张 锐

（万国数据服务有限公司，上海 200131）

0 引 言

近些年，在数字经济发展浪潮下，作为其核心生产力的算力及算力网络已成为影响国计民生的关键。2022年，我国在成渝、京津冀等8个区域布局建设国家算力枢纽节点，同时规划了张家口集群等10个国家数据中心集群，全面启动全国一体化大数据中心体系“东数西算”工程[1]。同时东南亚国家也有可持续性和成本效益的数据中心解决方案增长的需求，部分互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）积极实施海外项目落地。这些都对数据中心的建设提出了更高的要求，需要数据中心的敏捷交付，即“快速交付”与“灵活弹性”。

传统配电系统一般包含配电变压器、低压柜、不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）、UPS输出柜、UPS输入输出电缆等，各自独立，在建设安装过程中十分复杂，现场施工量大，交付工期长。现在，万国数据服务有限公司正在实施“设计模块化、生产预制化”的实践。本文以一例预制化配电系统中并机UPS出现静态旁路带载不均流问题进行研究，分析其原因及整改措施。

1 预制化产品及问题

1.1 产品系统简述

低压配电系统由10 kV配电变前置高压柜、配电变、低压柜、4台并机UPS系统以及UPS输出柜组成。与传统的配电设计相比较，此次把UPS与UPS输入、输出柜融为一体，设置为一个预制化模块。UPS的本体、输入、输出、动环监控部分均可以在工厂标准化安装，到现场后只需要把相应的接口部分连接。

低压配电模块与UPS并机模块采用面对面布置，两者之间通过低压绝缘密集母线连接。每台UPS主路、静态旁路的输入端采用内部短接，较传统的配电系统，省去1台输入用框架式开关及相应输入电缆。预制化配电产品平面如图1所示。

图1 预制化配电产品平面

1.2 测试问题

测试单位按照标准对4并机系统UPS在整流逆变模式、静态旁路模式下分别带载验证测试，检查整个系统性能是否满足设计要求。并机系统在整流逆变模式下，测试数据正常。并机系统在静态旁路模式带载，70%负载情况下，1#和4#UPS负载偏差55%。极限测试：负载2 060 kVA，负载率85.9%，出现4#UPS旁路过流紧急告警，UPS厂家建议暂停测试加载工作，本系统未达到满载设计测试要求。UPS并机带载测试数据如表1所示。

表1 UPS并机带载测试数据

2 不均流问题分析与处理

2.1 理论分析

配电设计说明中关于UPS并机系统的供电均流相关问题，一般都会要求并机系统中各台单机的输入、输出功率以及电缆长度和规格相同[2]。然而本系统UPS输入、输出电缆的长度、规格虽然一致，但仍出现了不均流问题，经判断，并机UPS输入、输出采用公共母线铜排形式。UPS本体、输入输出开关柜体间隔分布，每台UPS电源引入或引出点之间间隔2 m左右。估算铜排阻抗Z1约为0.147 mΩ，并机系统的等效电路示意如图2所示。不均流的程度要根据UPS静态旁路回路阻抗的大小来决定，主要包括输入、输出线路阻抗、连接部位的接触电阻、UPS内部的SCR阻抗。

图2 预制化UPS并机模块系统图

基于现场设备现状，为了解决上述问题，结合等效电路尝试是否可以通过更改UPS并机模块的电源接入点来解决这一问题。

2.2 仿真分析及处理

仿真是基于4台UPS静态旁路回路阻抗大小相等，其与UPS间铜排阻抗的比值根据表1中实测数据估算，本次取铜排阻抗值为回路阻抗的0.083倍。在MATLAB中建立相应的仿真模型，分别采取0.083、0.04、0.03共3种不同的比例系数进行数据比对，结果如表2所示。根据仿真结果，得出如下结论。估算的系统电流分布与实测数据接近，该比例系统可用于电路整改用。铜排阻抗相对静态旁路的回路阻抗比例越小，其不均流问题越不明显。缩短UPS电源引入、引出点之间的距离，可以降低不均流程度。预制化UPS 并机模块等效电路示意如图3所示。

图3 预制化UPS并机模块等效电路示意图

表2 UPS并机带载仿真与实测数据1

更改电源输入点后，其电流随等效电路的变换重新分布，计划整改后等效电路示意、仿真模型分别如图4、5所示，其仿真结果数据如表3所示，不平衡度较之前有很大改善，故决定组织低压盘柜厂商开展整改工作。具体整改措施：将绝缘密集母线电源点由ULP-4盘柜延迟至ULP-1处，并按照标准进行带负荷测试验证其效果。

图4 计划整改后等效电路示意图

图5 整改后回路仿真模型图

表3 UPS并机带载测试与实测数据2

整改完毕后，并机系统在静态旁路模式下分别记录带载1 050 kW、2 100 kW两个场景下的测试数据，其不同UPS间旁路回路的不均衡性与实际仿真数据基本一致，证实了改造方案有效性。

3 结 论

静态旁路作为UPS在逆变器异常、过载或者其他会关闭逆变器的故障场景下，保证后端无间断切换。如果负载率较高时，可能会由于不均流问题导致旁路过载、过温等风险。

优化预制化UPS模块的布局，UPS的输入、输出开关柜不宜分散在UPS设备中间，将输入开关柜、输出开关柜布置在UPS设备的前后侧。

UPS安装完毕后，带载验机是一种常规且有效的检验项目，主要目的是检验系统是否有足够的带载能力、各连接点和电缆是否连接牢固、电源的各项技术指标是否达到预先规定的数值等[3]。