一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源、末端配電以及發(fā)電機(jī)等設(shè)備組成。其中，UPS的主要作用，是在市電電源中斷、發(fā)電機(jī)啟動(dòng)之前，確保所帶的負(fù)載持續(xù)供電，因此，UPS系統(tǒng)包含了儲(chǔ)能設(shè)備，如蓄電池或飛輪；此外，傳統(tǒng)UPS還具有隔離市電側(cè)浪涌、電壓驟升驟降等作用。?

UPS系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心供電連續(xù)性的重要保障，UPS系統(tǒng)的可靠性直接影響數(shù)據(jù)中心的可靠性，同時(shí)，在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心，UPS系統(tǒng)的損耗可占IT設(shè)備能耗的10%以上。因此，提高UPS系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)降低其損耗，就成為數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)架構(gòu)演變的主旋律。?

1.?傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)用最廣的不間斷電源還是傳統(tǒng)UPS，它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態(tài)旁路3部分電路組成，DC母線上掛接蓄電池，輸入AC正常時(shí)，經(jīng)整流和逆變兩次轉(zhuǎn)換后為負(fù)載供電，同時(shí)為蓄電池浮充，輸入AC中斷時(shí)，蓄電池由浮充轉(zhuǎn)放電，經(jīng)逆變器為負(fù)載供電，對(duì)負(fù)載來說，感受不到輸入端電源的中斷。?

UPS設(shè)備的分類

從結(jié)構(gòu)上看，UPS設(shè)備可以分為后備式、在線互動(dòng)式、雙轉(zhuǎn)換在線式、Delta?轉(zhuǎn)換在線式等類型，其中前兩種主要用于小容量負(fù)載（≤5kVA），Delta轉(zhuǎn)換在線式技術(shù)受專利保護(hù)，因此，大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設(shè)備。?

傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設(shè)備采用可控硅整流，主要的問題是諧波電流畸變率（THDi）高(10-30%)，轉(zhuǎn)換效率低(85-92%)。?

隨著電力電子器件的發(fā)展，呈現(xiàn)出IGBT取代可控硅整流的趨勢(shì)，IGBT整流的優(yōu)勢(shì)是取消變壓器，因而降低了成本，同時(shí)有比較好的輸入特性，在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)，可以將THDi控制在5-10%之間，最大的好處是效率的提升，通常在87-95%之間。目前，IGBT整流型UPS的可靠性比可控硅整流型略低。?

UPS冗余設(shè)計(jì)

由于UPS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此自身容易發(fā)生故障，設(shè)備冗余可以提高可用性，UPS系統(tǒng)便有了N、N+X、2N、”市電+U電“等架構(gòu)。?

N系統(tǒng)滿足基本需求，沒有冗余的UPS設(shè)備。它的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在設(shè)計(jì)滿負(fù)荷條件下，因此效率較高。其缺點(diǎn)是可用性低，當(dāng)UPS發(fā)生故障，負(fù)載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，無保護(hù)電源；在UPS、電池等設(shè)備維護(hù)期間，負(fù)載處于無保護(hù)電源狀態(tài)；存在多個(gè)單故障點(diǎn)。

N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺(tái)型號(hào)規(guī)格相同且具有并機(jī)功能的UPS設(shè)備并聯(lián)組成的系統(tǒng)，配置N臺(tái)UPS設(shè)備，其總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量，再配置X臺(tái)（X＝1～N）UPS冗余設(shè)備，允許X臺(tái)設(shè)備故障退出檢修。相對(duì)于“N”系統(tǒng)，“N+X”系統(tǒng)在UPS配置上有了一定的冗余，系統(tǒng)可靠性有所提高，同時(shí)帶來了系統(tǒng)配置成本的增加、系統(tǒng)負(fù)荷率的降低以及效率降低。N+X系統(tǒng)在成本增加不多的前提下提高了可用性，因此，在數(shù)據(jù)中心得到了廣泛的應(yīng)用，但是該系統(tǒng)在UPS輸出端仍然存在單故障點(diǎn)，實(shí)際項(xiàng)目中由此造成的系統(tǒng)宕機(jī)屢見不鮮。

2N，為了消除單點(diǎn)故障，高等級(jí)數(shù)據(jù)中心通常采用2N冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指由兩套或多套UPS系統(tǒng)組成的冗余系統(tǒng)，每套UPS系統(tǒng)N臺(tái)UPS設(shè)備的總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量。該系統(tǒng)從交流輸入經(jīng)UPS設(shè)備直到雙電源輸入負(fù)載，完全是彼此隔離的兩條供電線路，也就是說，在供電的整個(gè)路徑中的所有環(huán)節(jié)和設(shè)備都是冗余配置的，正常運(yùn)行時(shí)，每套UPS系統(tǒng)僅承擔(dān)總負(fù)荷的一部分。這種多電源系統(tǒng)冗余的供電方式，克服單電源系統(tǒng)存在的單點(diǎn)故障瓶頸，對(duì)于少數(shù)單電源設(shè)備的情況，可通過安裝小型STS設(shè)備，保證其供電可靠性。采用2N冗余系統(tǒng)可用性得到明顯提高。

2N冗余系統(tǒng)的缺點(diǎn)也非常明顯，設(shè)備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X系統(tǒng)更低。

“市電+U電”供電架構(gòu)由百度提出并在其自建M1數(shù)據(jù)中心規(guī)模應(yīng)用，它在N+1系統(tǒng)基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，UPS設(shè)備配置不變，將服務(wù)器等雙電源設(shè)備的其中1路改由市電直接供電，消除了單點(diǎn)故障，可靠性較N+1系統(tǒng)大大提高，同時(shí)，UPS系統(tǒng)的損耗降低為原先的50%。UPS系統(tǒng)整體效率提升至95%以上。UPS?ECO模式帶來了效率的提升，其代價(jià)是IT負(fù)載由市電供電，UPS必須不斷監(jiān)視市電狀態(tài)，并在發(fā)現(xiàn)問題且當(dāng)該問題尚未影響負(fù)載時(shí)，迅速切換到逆變器供電。這個(gè)聽起來簡單，但實(shí)際操作起來非常復(fù)雜并且需要承擔(dān)很多風(fēng)險(xiǎn)以及潛在的負(fù)面影響。

2.?高壓直流（HVDC）不間斷電源系統(tǒng)

盡管所有國家的市電都是交流，但是IT設(shè)備內(nèi)部都采用直流供電，這就為直流供電提供了可能。事實(shí)上，通信行業(yè)采用直流48V供電已經(jīng)有幾十年的歷史，電力行業(yè)也長期采用直流220V作為斷路器等設(shè)備的操作和控制電源（直流屏）。?

傳統(tǒng)UPS設(shè)備存在效率低、可靠性差、靈活性和擴(kuò)展性差、故障后不易修復(fù)等問題，所以業(yè)內(nèi)一直在尋找替換UPS的方案。

現(xiàn)有主流的高壓直流供電系統(tǒng)圖，與通信行業(yè)48V直流系統(tǒng)架構(gòu)基本一致。與傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換在線式UPS系統(tǒng)的主要區(qū)別，是取消了逆變環(huán)節(jié)，蓄電池掛接在直流母線，與整流器并聯(lián)，同時(shí)為IT設(shè)備供電。由于直流電源拓?fù)浜唵?，因此故障率較UPS有所降低，因采用模塊化設(shè)計(jì)，可在線維護(hù)。

3.?分布式不間斷電源系統(tǒng)

UPS或HVDC通常采用集中式供電方案，集中式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)資源共享，降低成本，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)故障范圍大，影響面廣。?

UPS也有小型機(jī)分布式供電方案，但是多套分布式小型機(jī)系統(tǒng)與1套集中式大型UPS系統(tǒng)相比，小型機(jī)的數(shù)量多，故障點(diǎn)多，成本高，因此大中型數(shù)據(jù)中心不會(huì)采用分布式UPS系統(tǒng)。?

盡管有如上問題，但是對(duì)于分布式不間斷電源系統(tǒng)的探索，從來沒有停止過。谷歌和Facebook都在探索分布式不間斷電源系統(tǒng)在IDC數(shù)據(jù)機(jī)房中的應(yīng)用。

谷歌是最早進(jìn)行服務(wù)器自研定制的互聯(lián)網(wǎng)公司，同時(shí)也最早放棄了集中式UPS電源方案，轉(zhuǎn)將蓄電池分布到每臺(tái)服務(wù)器電源直流12V輸出端。市電正常時(shí)，進(jìn)入服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換成DC12V為服務(wù)器主板供電，同時(shí)為蓄電池提供浮充電源，市電停電后，由DC12V母線并聯(lián)的蓄電池繼續(xù)給主板供電，直到柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后回復(fù)交流供電。谷歌早期采用鉛酸電池供電，因服務(wù)器內(nèi)部高溫導(dǎo)致鉛酸電池故障率高，后改為鋰電池方案。蓄電池的后備時(shí)間為分鐘級(jí)（通常為1-3分鐘）。?此方案的優(yōu)點(diǎn)是大大簡化了IT設(shè)備前端供電系統(tǒng)，缺點(diǎn)是服務(wù)器電源需要深度定制。

Facebook自建數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)采用DC48V離線備用系統(tǒng)。為每6個(gè)9kW的機(jī)柜配置1個(gè)鉛酸蓄電池柜，輸出為DC48V，服務(wù)器電源采用AC277V和DC48V雙輸入，市電正常時(shí)作為主用，市電中斷后由蓄電池輸出DC48V為服務(wù)器供電。蓄電池后備時(shí)間為45秒。此方案的系統(tǒng)效率與240V?HVDC?Offline方案及DC12V分布式系統(tǒng)相當(dāng)。

隨著業(yè)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗關(guān)注日益增強(qiáng)，國內(nèi)近幾年出現(xiàn)了一種新型的分布式DC240V電源設(shè)備，同樣采用離線方案，市電正常時(shí)，直接輸出市電電源，市電停電后，由內(nèi)部鋰電池提供DC240V輸出。?這種方案的優(yōu)勢(shì)是IT設(shè)備無需定制，只要兼容DC240V供電即可。其缺點(diǎn)是電源內(nèi)部存在AC220V和DC240V的切換，系統(tǒng)可靠性降低；鋰電池串聯(lián)數(shù)量多，單只電池故障會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。?從實(shí)際應(yīng)用效果看，某互聯(lián)網(wǎng)公司租用的數(shù)據(jù)中心一年中發(fā)生十幾起電源故障，證明此架構(gòu)還需完善。

4. 未來發(fā)展趨勢(shì)

過去，計(jì)算機(jī)作為一種非常嬌貴的設(shè)備，雙轉(zhuǎn)換在線式UPS消除了市電電能質(zhì)量問題，但帶來了6-10%的電能損失以及其自身可靠性低的問題。?

通過冗余可以提高系統(tǒng)可靠性，UPS發(fā)展出主備供電、N+1冗余并機(jī)、雙總線、分布冗余等方案，相應(yīng)帶來的是成本和能耗的進(jìn)一步增加。?

為了避免UPS設(shè)備故障率高的問題，國內(nèi)提出并已規(guī)模部署了直流240V電源系統(tǒng)，大部分IT設(shè)備可以直接兼容直流供電。

呈現(xiàn)如下三種趨勢(shì)：

第一，從在線到離線。UPS?ECO模式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等本質(zhì)上都是將電源離線，從而降低電源成本和運(yùn)行損耗。?

第二，從集中到分布。隨著鋰電池等新型儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時(shí)代服務(wù)器快速部署、靈活擴(kuò)展的需要，不間斷電源設(shè)備正在從集中到分布。?

第三，未來數(shù)據(jù)中心供電發(fā)展的整體趨勢(shì)是由高壓/集中式/交流大UPS向低壓/分布式/直流小UPS方向發(fā)展，由機(jī)房外集中式鉛酸電池向IT機(jī)柜內(nèi)分布式小（鋰）電池方向發(fā)展，從化石能源向綠色能源方向發(fā)展。

審核編輯：湯梓紅