如何提高带有电池备份的UPS的可靠性

在人工智能和HPC需求推动数据中心电力消耗不断增加的背景下，不间断电源(UPS)的作用变得越来越重要。预计主要云服务提供商今年的用电量将增加50%，因此确保不间断电源变得至关重要。

在这种情况下，带有分布式电池备份的UPS系统通过维持电能质量、保护电子设备免受电网不稳定的影响以及确保关键应用的不间断服务，在保障工业运营方面发挥着至关重要的作用。

要充分了解分布式电池UPS系统的重要性和功能，深入了解其工作原理和优势至关重要。了解这些系统的运行方式及其对数据中心弹性的深远影响，可以揭示宝贵的见解，了解如何在能源需求不断增长和潜在中断的情况下，保障运营连续性。继续阅读，探索分布式电池UPS背后的技术及其在为未来数字基础设施供电方面的关键作用。

UPS系统概述

数据中心运营商和所有者通常会从各种UPS架构中，选择适合更高功率系统应用的架构，尤其是那些运行大型设施的架构。UPS系统的类型是电能电池备份配置的重要因素，这些包括单片和模块化UPS系统。

单片UPS系统

单片式UPS可为关键操作提供令人满意的电源保护，可作为单个单元或集成子系统的一部分运行。虽然它可以是并联或双总线系统的一部分，但它缺乏内部冗余和可扩展性，无法应对重大的电源转移。

模块化UPS系统

模块化UPS系统由一个装有电源模块的框架组成，这些电源模块可以根据容量或冗余度进行排列。模块化UPS中的每个电源模块都独立运行，即使在带电系统中也可以安全地拆卸或安装。

电池集成在UPS可靠性和基础设施中的意义

当电网发生故障时，电池对电力系统的功能起着至关重要的作用。它们在电网正常运行时储存电能，在停电时提供备用电源。在数据中心，它们有助于无缝过渡到发电机等长期备用能源存储源，从而保持不间断的IT操作。业主和运营商选择不同的UPS系统支持选项，具有不同的优势和权衡。

集中式电池架构

UPS系统中的集中式电池架构将所有电池连接到一个点，为主要组件提供简单的安装和成本效益。然而，它可能会导致电池断路器等辅助设备的成本更高。虽然集中式系统在故障隔离方面存在局限性，但数据中心所有者和运营商可以将其应用于单片和模块化UPS。

分布式电池架构

分布式电池架构采用模块化方法，将每个电源模块与专用电池柜配对，以增强负载保护。单片式UPS缺乏模块化，无法在单个系统中与分布式电池配合使用。这种架构仅与模块化UPS系统兼容。然而，由于直流配电板配置限制，并非所有模块化UPS都支持分布式电池设置。

集中式和分布式电池配置的系统依赖性比较

分布式电池增强了模块化UPS系统的优势，而集中式电池则需要考虑各种权衡。采用分布式电池的模块化UPS系统具有许多优势，特别是在电池断路器(BCB)和UPS之间的电源中断、电池故障隔离、电能保护成本以及可用性和可靠性方面。

BCB和UPS短路

当电池断路器(BCB)与UPS之间发生短路时，分布式电池系统的效率更高。由于环境因素、设备问题、外部干扰或基础设施老化等原因导致直流电源线绝缘损耗。

集中式电池配置中的电源中断风险

集中式系统中BCB和UPS之间的短路可能会中断供电、损坏设备并导致停机。如果主电源发生故障，DC/DC转换器上的保险丝熔断会关闭UPS备用电源，从而影响无缝电池备用电源转换。

分布式电池的电力系统弹性

相比之下，分布式电池设置更具弹性。如果BCB和UPS之间发生短路，则只有连接的电池组会受到影响，其余电池组仍可正常运行。这种隔离可防止整个系统关闭，确保不受影响的负载持续供电。与具有固有漏洞的集中式架构不同，分布式电池可增强系统可用性和容错能力。

电池故障隔离

UPS系统可能在不同情况下面临电池故障，对备用电源基础设施的可靠性和性能构成挑战。可能会发生绝缘损耗、短路或故障等问题。UPS与BCB连接以控制跳闸，从而提高安全性。

案例1：BCB可以清除故障

当集中式电池系统中的电池柜发生故障时，如果BCB能够隔离故障，剩余的电池仍可以为负载提供充足的电力。但是，由于电池柜减少，容量降低，这种冗余只能持续较短的时间。

相反，在机柜发生故障时，分布式系统中的负载继续通过电池满载供电，并与BCB进行故障隔离。受影响的核心最初从剩余的电池中获取能量，并在剩余核心过载的情况下继续提供满载。

案例2：BCB无法清除故障

如果BCB无法清除电池故障，分布式电池架构比集中式电池架构具有更好的容错能力。在集中式设置中，单个电池组故障可能会通过直流配电蔓延，从而导致DC/DC转换器保险丝烧断和备用电源丢失。另一方面，分布式电池通过隔离电气连接来提高系统弹性，这限制了特定电池组内的故障，从而防止了大面积停电。

直流电源保护成本

在集中式电源系统设置中，每个BCB必须处理“N-1”串的电流，或者当系统继续以全容量运行时，即使一个串发生故障。当一个串发生内部短路时，所有其他电池串将坚持支持发生故障的串，这可能会导致保护装置过载。全球标准要求电源保护装置的尺寸能够确保电流中断而不会破裂。

电池柜数量的增加对成本和组件可用性提出了挑战。例如，在有四个柜子的设置中，BCB应该处理三个柜子的电流，而在有八个柜子的设置中，它们必须管理七个柜子的电流。BCB通常是外部的，需要根据存储容量要求进行尺寸调整，这会导致额定电流更高的BCB和增加直流电源保护成本。

分布式储能架构涉及将电池模块分布在单独的机柜中。由于每个BCB仅负责管理其指定机柜组内的电流，因此这种配置可显著降低电流负载和相关成本。虽然这通常会导致更高的成本，但考虑到整体解决方案成本，这种情况有时才会发生。

可用性和系统可靠性

分布式电池设置具有维护优势，特别是在BCB安装方面。集中式电池系统存在一个关键漏洞，那就是单点故障。这种设置会导致所有电池被断路器同时断开。维修或更换电池变得困难，因为对一个电池柜的任何操作都会影响所有电池柜，从而防止维护期间备用能源故障。

分布式电池设置可提高可维护性和故障控制能力。多个电池串可避免单点故障，从而提高可靠性，确保在故障期间持续供电。该系统可提高电力可靠性、减少中断、优化储能容量并降低运营成本。

每个电池柜或电池组安装单独的BCB

不管电池是集中式还是分布式，都可以为每个电池柜或电池组安装单独的BCB，从而消除单点故障和断电。这样可以最大限度地减少停机时间并提高系统可用性，但成本较高。然而，由于采用集中式逻辑，UPS仍然无法在集中式电池配置和单片UPS系统中单独控制每个BCB。

总结

分布式电池系统提供强大的解决方案，与集中式系统相比，具有更好的容错性、可用性和成本节省。它们擅长隔离故障、确保不间断供电并降低全系统停机的风险。通过管理跨独立机柜的电池模块，这些系统降低了直流电源保护成本并提高了效率，使其成为可靠UPS基础设施的不二之选。

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