浅谈电量传感器在数据中心不间断电源中的应用

• 关键词：电量传感器,数据中心,不间断电源
• 作者：周志健
• 摘要：随着互联网技术与应用的快速发展，云计算，云存储，大数据等相关新型互联网业务规模与日俱增，数据中心进入规模化建设阶段。数据中心巨大规模的建设与应用，导致数据中心对供电需求快速增长，根据ICT Research 机构预测，2016年的中国数据中心耗电量已逾1000亿千瓦时，相当于三峡水电站年发电总量。于此同时，全球数据中心用电量也已超过10000亿千瓦时。据美国媒体调查，全球各大网站仅数据中心的用电功率，就相当于30个核电站的供电功率，巨大的用电容量给数据中心的建设和运营都带来了全新的挑战。

随着互联网技术与应用的快速发展，云计算，云存储，大数据等相关新型互联网业务规模与日俱增，数据中心进入规模化建设阶段。数据中心巨大规模的建设与应用，导致数据中心对供电需求快速增长，根据ICT Research 机构预测，2016年的中国数据中心耗电量已逾1000亿千瓦时，相当于三峡水电站年发电总量。于此同时，全球数据中心用电量也已超过10000亿千瓦时。据美国媒体调查，全球各大网站仅数据中心的用电功率，就相当于30个核电站的供电功率，巨大的用电容量给数据中心的建设和运营都带来了全新的挑战。

目前在数据中心运营过程中，由于电力故障，设备故障，雷击事件等导致的数据中心用电安全事故时有发生。事实上，数据中心的用电故障带来的损失不仅仅是数百上千万美元的直接经济损失，对于众多国际知名品牌与上市公司来说，品牌和股价等隐形价值的负面影响难以估量。

随着新型功率半导体器件的发展，新型电力电子电能变化拓扑的发明与应用，以及现代控制理论与数字控制技术的发展，数据中心不间断供电技术得到了显著的提升，对供电系统的可靠性，成本与技能，配置灵活性和可扩展性等提供了有效的技术支撑。

大型数据中心供电的任何故障都可能给业主和客户带来重大的经济损失或者灾难性的后果。因此，数据中心能否可靠运营的关键之一是IT设备的不间断供电。在保证不间断供电的前提下，不断提升不间断供电架构的可靠性，是数据中心用户一直以来的核心需求。

通常数据中心不间断供电系统一般包括高压配电系统，变压器，柴油发电机组，低压配电系统，防雷器，UPS，电池组，列头柜，机架分配单元（PDU），连接器等组成环节。其中UPS作为不间断供电系统的核心部件，起到举足轻重的作用。为了使不间断供电系统始终保持高效的运作，在特定环境下，选择双转换在线式可能更为合适。特别是在 AC 电源高度失真和/或具有极大电压变化的地理区域，双转换在线式 UPS 无需频繁转换到电池供电即可维持正常输出。较低的电池使用率可以保存电池容量以应对长时间的断电事故，并延长电池使用寿命。此外，降低电池更换成本可以抵消在线互动式 UPS 低初始成本和低运营成本的优势。在某些特殊的情况下可能需要使用双转换在线式 UPS，比如对于某些医疗设备或仪器，需要进行功率因数校正(PFC)、要求较小的物理尺寸或需要进行频率转换等等。前文提到的高效包括：
 转换效率高(Po/Pin>96%)
 输入电流波形的正弦波畸变率小（<5%）
 优异的动态负载跟随相应
 N+X的冗余工作模式

为使UPS工作在上述的高效模式，这其中离不开电量传感器对一些关键位置的电压和电流信息的量测。

通常情况下，一个典型的双变换在线式UPS的拓扑结构如下

正如其名称所示，双转换在线式 UPS 会进行两次电源转换。首先，将 AC 输入（包括所有电压尖峰脉冲、失真和其他异常）转换为 DC。然后，在 UPS 的精密调控下将 DC 重新转换为 AC。这种 AC 输出甚至可以具有与AC 输入不同的频率。在存在 AC 输入时，为负载设备提供的所有电源都经过这种双转换过程。当 AC 输入超出指定范围时，UPS 会从电池获取电能，这样 UPS 输出就不会受到影响。在大多数双转换在线式设计方案中，这种发生在 UPS 内部的 AC 输入和电池之间的转换需要数毫秒的时间。同样，在这些转换过程中，也是由“DC 链路”（请参考上图）中的电容将存储的能量提供给逆变器。因此，即使进入“DC 链路”的电源出现短暂中断，UPS 输出电压也不会受到影响，可以持续供电。

在上述电能转换过程中，在AC输入和DC 链路以及最后的AC输出等诸多环节上都会需要电量传感器去监测输入输出的电压或者电流，主要因素如下：
1. 根据监测的电压值或者电流值去判断当前电网或者负载的状态然后决定UPS需要哪种模式工作
2. 根据监测的电压值或者电流值去进行精准的闭环控制，以满足苛刻负载的要求。
另外，需要特别注意的是,在UPS AC输入和AC输出端，针对于电流传感器的选型需要根据不同的应用特性加以区分。

用在UPS AC输入端的电流传感器在选型时主要依照原边电流为正弦波去考虑，再按照设计的过载系数和纹波系数去确定电流传感器的最大可量测峰值范围即可。

用于UPS AC 输出端的电流传感器在选型时需要关注到UPS带非线性负载的另一个关键指标—谐波因子（CF=Crest Factor），通常UPS的CF值范围选取根据不同的负载选择也有所不同，通常会设定在2.1-3.0之间，因此在选择电流传感器的可量测范围时需要特别注意到这一点，否则就会导致因采样量程不够而造成控制上的盲区使得最终UPS AC输出电压发生畸变。

还有一点需要注意的是：通常作为电压源输出的UPS设备都会具备抗瞬时的输出短路能力，这需要UPS的控制单元能够对输出电流的检测做出快速响应，因此作为检测环节的电流传感器，对于响应时间的参数要求，也应当在考虑范围之内，否则就可能造成保护的延迟失调。

所以，选择一款合适的电量传感器对于数据中心不间断电源的整体性能提升至关重要，从而保证设备的高效运行。