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關于數(shù)據(jù)中心UPS不間斷電源系統(tǒng)架構介紹！
來源：www.vsrekpp.cn 發(fā)布時間：2020年12月31日
一個典型的數(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)電機等設備組成。其中，UPS的主要作用，是在市電電源中斷、發(fā)電機啟動之前，確保所帶的負載持續(xù)供電，因此，UPS系統(tǒng)包含了儲能設備，如蓄電池或飛輪；此外，傳統(tǒng)UPS還具有隔離市電側浪涌、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)的靠譜性直接影響數(shù)據(jù)中心的靠譜性，同時，在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心，UPS系統(tǒng)的損耗可占IT設備能耗的10%以上。因此，提高UPS系統(tǒng)的靠譜性，同時降低其損耗，就成為數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)架構演變的主旋律。
1.傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)
目前，數(shù)據(jù)中心內應用較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，經(jīng)整流和逆變兩次轉換后為負載供電，同時為蓄電池浮充，輸入AC中斷時，蓄電池由浮充轉放電，經(jīng)逆變器為負載供電，對負載來說，感受不到輸入端電源的中斷。
UPS設備的分類
從結構上看，UPS設備可以分為后備式、在線互動式、雙轉換在線式、Delta?轉換在線式等類型，其中前兩種主要用于小容量負載（≤5kVA），Delta轉換在線式技術受保護，因此，大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉換在線式UPS設備。
傳統(tǒng)的雙轉換在線式UPS設備采用可控硅整流，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，IGBT整流的優(yōu)勢是取消變壓器，因而降低了成本，同時有比較好的輸入特性，在較寬的負載范圍內，可以將THDi控制在5-10%之間，較大的好處是效率的提升，通常在87-95%之間。目前，IGBT整流型UPS的靠譜性比可控硅整流型略低。
UPS冗余設計
由于UPS設備結構復雜，因此自身容易發(fā)生故障，設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。
N系統(tǒng)滿足基本需求，沒有冗余的UPS設備。它的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在設計滿負荷條件下，因此效率較高。其缺點是可用性低，當UPS發(fā)生故障，負載將轉換到旁路供電，無保護電源；在UPS、電池等設備維護期間，負載處于無保護電源狀態(tài)；存在多個單故障點。
N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺型號規(guī)格相同且具有并機功能的UPS設備并聯(lián)組成的系統(tǒng)，配置N臺UPS設備，其總容量為系統(tǒng)的基本容量，再配置X臺（X＝1～N）UPS冗余設備，允許X臺設備故障退出檢修。相對于“N”系統(tǒng)，“N+X”系統(tǒng)在UPS配置上有了一定的冗余，系統(tǒng)靠譜性有所提高，同時帶來了系統(tǒng)配置成本的增加、系統(tǒng)負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用，但是該系統(tǒng)在UPS輸出端仍然存在單故障點，實際項目中由此造成的系統(tǒng)宕機屢見不鮮。
2N，為了消除單點故障，高等級數(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UPS設備的總容量為系統(tǒng)的基本容量。該系統(tǒng)從交流輸入經(jīng)UPS設備直到雙電源輸入負載，完全是彼此隔離的兩條供電線路，也就是說，在供電的整個路徑中的所有環(huán)節(jié)和設備都是冗余配置的，正常運行時，每套UPS系統(tǒng)僅承擔總負荷的一部分。這種多電源系統(tǒng)冗余的供電方式，克服單電源系統(tǒng)存在的單點故障瓶頸，對于少數(shù)單電源設備的情況，可通過安裝小型STS設備，保障其供電靠譜性。采用2N冗余系統(tǒng)可用性得到明顯提高。
2N冗余系統(tǒng)的缺點也非常明顯，設備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X系統(tǒng)更低。
“市電+U電”供電架構由百度提出并在其自建M1數(shù)據(jù)中心規(guī)模應用，它在N+1系統(tǒng)基礎上做了改進，UPS設備配置不變，將服務器等雙電源設備的其中1路改由市電直接供電，消除了單點故障，靠譜性較N+1系統(tǒng)大大提高，同時，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，其代價是IT負載由市電供電，UPS必須不斷監(jiān)視市電狀態(tài)，并在發(fā)現(xiàn)問題且當該問題尚未影響負載時，迅速切換到逆變器供電。這個聽起來簡單，但實際操作起來非常復雜并且需要承擔很多風險以及潛在的負面影響。
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)的靠譜性直接影響數(shù)據(jù)中心的靠譜性，同時，在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心，UPS系統(tǒng)的損耗可占IT設備能耗的10%以上。因此，提高UPS系統(tǒng)的靠譜性，同時降低其損耗，就成為數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)架構演變的主旋律。
1.傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)
目前，數(shù)據(jù)中心內應用較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，經(jīng)整流和逆變兩次轉換后為負載供電，同時為蓄電池浮充，輸入AC中斷時，蓄電池由浮充轉放電，經(jīng)逆變器為負載供電，對負載來說，感受不到輸入端電源的中斷。
UPS設備的分類
從結構上看，UPS設備可以分為后備式、在線互動式、雙轉換在線式、Delta?轉換在線式等類型，其中前兩種主要用于小容量負載（≤5kVA），Delta轉換在線式技術受保護，因此，大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉換在線式UPS設備。
傳統(tǒng)的雙轉換在線式UPS設備采用可控硅整流，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，IGBT整流的優(yōu)勢是取消變壓器，因而降低了成本，同時有比較好的輸入特性，在較寬的負載范圍內，可以將THDi控制在5-10%之間，較大的好處是效率的提升，通常在87-95%之間。目前，IGBT整流型UPS的靠譜性比可控硅整流型略低。
UPS冗余設計
由于UPS設備結構復雜，因此自身容易發(fā)生故障，設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。
N系統(tǒng)滿足基本需求，沒有冗余的UPS設備。它的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在設計滿負荷條件下，因此效率較高。其缺點是可用性低，當UPS發(fā)生故障，負載將轉換到旁路供電，無保護電源；在UPS、電池等設備維護期間，負載處于無保護電源狀態(tài)；存在多個單故障點。
N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺型號規(guī)格相同且具有并機功能的UPS設備并聯(lián)組成的系統(tǒng)，配置N臺UPS設備，其總容量為系統(tǒng)的基本容量，再配置X臺（X＝1～N）UPS冗余設備，允許X臺設備故障退出檢修。相對于“N”系統(tǒng)，“N+X”系統(tǒng)在UPS配置上有了一定的冗余，系統(tǒng)靠譜性有所提高，同時帶來了系統(tǒng)配置成本的增加、系統(tǒng)負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用，但是該系統(tǒng)在UPS輸出端仍然存在單故障點，實際項目中由此造成的系統(tǒng)宕機屢見不鮮。
2N，為了消除單點故障，高等級數(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UPS設備的總容量為系統(tǒng)的基本容量。該系統(tǒng)從交流輸入經(jīng)UPS設備直到雙電源輸入負載，完全是彼此隔離的兩條供電線路，也就是說，在供電的整個路徑中的所有環(huán)節(jié)和設備都是冗余配置的，正常運行時，每套UPS系統(tǒng)僅承擔總負荷的一部分。這種多電源系統(tǒng)冗余的供電方式，克服單電源系統(tǒng)存在的單點故障瓶頸，對于少數(shù)單電源設備的情況，可通過安裝小型STS設備，保障其供電靠譜性。采用2N冗余系統(tǒng)可用性得到明顯提高。
2N冗余系統(tǒng)的缺點也非常明顯，設備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X系統(tǒng)更低。
“市電+U電”供電架構由百度提出并在其自建M1數(shù)據(jù)中心規(guī)模應用，它在N+1系統(tǒng)基礎上做了改進，UPS設備配置不變，將服務器等雙電源設備的其中1路改由市電直接供電，消除了單點故障，靠譜性較N+1系統(tǒng)大大提高，同時，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，其代價是IT負載由市電供電，UPS必須不斷監(jiān)視市電狀態(tài)，并在發(fā)現(xiàn)問題且當該問題尚未影響負載時，迅速切換到逆變器供電。這個聽起來簡單，但實際操作起來非常復雜并且需要承擔很多風險以及潛在的負面影響。
