浅析数据中心不间断电源系统架构演进！
来源：福州永正电子技术有限公司 | 发布时间：2020/12/31 10:06:44
一个典型的数据中心供电系统，由中压配电、变压器、低压配电、不间断电源（Uninterruptible power supply，UPS）、末端配电以及发电机等设备组成，其中，UPS的主要作用，是在市电电源中断、发电机启动之前，确保所带的负载持续供电，因此，UPS系统包含了储能设备，如蓄电池或飞轮；此外，传统UPS还具有隔离市电侧浪涌、电压骤升骤降等作用。
UPS系统是数据中心供电连续性的重要保障，UPS系统的靠谱性直接影响数据中心的靠谱性，同时，在绝大多数数据中心，UPS系统的损耗可占IT设备能耗的10%以上。因此，提高UPS系统的靠谱性，同时降低其损耗，就成为数据中心UPS系统架构演变的主旋律。
一、传统UPS供电系统
目前，数据中心内应用广的不间断电源还是传统UPS，它主要由整流AC-DC、逆变DC-AC和静态旁路3部分电路组成，DC母线上挂接蓄电池，输入AC正常时，经整流和逆变两次转换后为负载供电，同时为蓄电池浮充，输入AC中断时，蓄电池由浮充转放电，经逆变器为负载供电，对负载来说，感受不到输入端电源的中断。
1.1UPS设备的发展
从结构上看，UPS设备可以分为后备式、在线互动式、双转换在线式、Delta 转换在线式等类型，其中前两种主要用于小容量负载（≤5kVA），Delta转换在线式技术受保护，因此，大型数据中心主要采用双转换在线式UPS设备。
传统的双转换在线式UPS设备采用可控硅整流，主要的问题是谐波电流畸变率（THDi）高(10-30%)，转换效率低(85-92%)。
随着电力电子器件的发展，呈现出IGBT取代可控硅整流的趋势，IGBT整流的优势是取消变压器，因而降低了成本，同时有比较好的输入特性，在较宽的负载范围内，可以将THDi控制在5-10%之间，较大的好处是效率的提升，通常在87-95%之间。目前，IGBT整流型UPS的靠谱性比可控硅整流型略低。
1.2UPS系统的发展
由于UPS设备结构复杂，因此自身容易发生故障，设备冗余可以提高可用性，UPS系统便有了N、N+X、2N、”市电+U电“等架构。
N系统满足基本需求，没有冗余的UPS设备。它的优点是系统简单，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在设计满负荷条件下，因此效率较高。其缺点是可用性低，当UPS发生故障，负载将转换到旁路供电，无保护电源；在UPS、电池等设备维护期间，负载处于无保护电源状态；存在多个单故障点。
N+X并联冗余系统是指由N+X台型号规格相同且具有并机功能的UPS设备并联组成的系统，配置N台UPS设备，其总容量为系统的基本容量，再配置X台（X＝1～N）UPS冗余设备，允许X台设备故障退出检修。相对于“N”系统，“N+X”系统在UPS配置上有了一定的冗余，系统靠谱性有所提高，同时带来了系统配置成本的增加、系统负荷率的降低以及效率降低。N+X系统在成本增加不多的前提下提高了可用性，因此，在数据中心得到了广泛的应用，但是该系统在UPS输出端仍然存在单故障点，实际项目中由此造成的系统宕机屡见不鲜。
为了消除单点故障，高等级数据中心通常采用2N冗余系统。该系统是指由两套或多套UPS系统组成的冗余系统，每套UPS系统N台UPS设备的总容量为系统的基本容量。该系统从交流输入经UPS设备直到双电源输入负载，完全是彼此隔离的两条供电线路，也就是说，在供电的整个路径中的所有环节和设备都是冗余配置的，正常运行时，每套UPS系统仅承担总负荷的一部分。这种多电源系统冗余的供电方式，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，对于少数单电源设备的情况，可通过安装小型STS设备，确保其供电靠谱性。采用2N冗余系统可用性得到明显提高。2N冗余系统的缺点也非常明显，设备配置多、成本高，通常情况下效率比N+X系统更低。
“市电+U电”供电架构由百度提出并在2011年其自建M1数据中心规模应用，它在N+1系统基础上做了改进，UPS设备配置不变，将服务器等双电源设备的其中1路改由市电直接供电，消除了单点故障，靠谱性较N+1系统大大提高，同时，UPS系统的损耗降低为原先的50%。UPS系统整体效率提升至95%以上。
