- $
淺析數據中心不間斷電源系統架構演進！
來源：www.vsrekpp.cn 發布時間：2020年12月31日
一個典型的數據中心供電系統，由中壓配電、變壓器、低壓配電、不間斷電源（Uninterruptible power supply，UPS）、末端配電以及發電機等設備組成，其中，UPS的主要作用，是在市電電源中斷、發電機啟動之前，確保所帶的負載持續供電，因此，UPS系統包含了儲能設備，如蓄電池或飛輪；此外，傳統UPS還具有隔離市電側浪涌、電壓驟升驟降等作用。
UPS系統是數據中心供電連續性的重要保障，UPS系統的靠譜性直接影響數據中心的靠譜性，同時，在絕大多數數據中心，UPS系統的損耗可占IT設備能耗的10%以上。因此，提高UPS系統的靠譜性，同時降低其損耗，就成為數據中心UPS系統架構演變的主旋律。
一、傳統UPS供電系統
目前，數據中心內應用廣的不間斷電源還是傳統UPS，它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態旁路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。
1.1UPS設備的發展
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，大型數據中心主要采用雙轉換在線式UPS設備。
傳統的雙轉換在線式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展，呈現出IGBT取代可控硅整流的趨勢，IGBT整流的優勢是取消變壓器，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。
1.2UPS系統的發展
由于UPS設備結構復雜，因此自身容易發生故障，設備冗余可以提高可用性，UPS系統便有了N、N+X、2N、”市電+U電“等架構。
N系統滿足基本需求，沒有冗余的UPS設備。它的優點是系統簡單，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；存在多個單故障點。
N+X并聯冗余系統是指由N+X臺型號規格相同且具有并機功能的UPS設備并聯組成的系統，配置N臺UPS設備，其總容量為系統的基本容量，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，“N+X”系統在UPS配置上有了一定的冗余，系統靠譜性有所提高，同時帶來了系統配置成本的增加、系統負荷率的降低以及效率降低。N+X系統在成本增加不多的前提下提高了可用性，因此，在數據中心得到了廣泛的應用，但是該系統在UPS輸出端仍然存在單故障點，實際項目中由此造成的系統宕機屢見不鮮。
為了消除單點故障，高等級數據中心通常采用2N冗余系統。該系統是指由兩套或多套UPS系統組成的冗余系統，每套UPS系統N臺UPS設備的總容量為系統的基本容量。該系統從交流輸入經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節和設備都是冗余配置的，正常運行時，每套UPS系統僅承擔總負荷的一部分。這種多電源系統冗余的供電方式，克服單電源系統存在的單點故障瓶頸，對于少數單電源設備的情況，可通過安裝小型STS設備，確保其供電靠譜性。采用2N冗余系統可用性得到明顯提高。2N冗余系統的缺點也非常明顯，設備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X系統更低。
“市電+U電”供電架構由百度提出并在2011年其自建M1數據中心規模應用，它在N+1系統基礎上做了改進，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系統大大提高，同時，UPS系統的損耗降低為原先的50%。UPS系統整體效率提升至95%以上。
UPS系統是數據中心供電連續性的重要保障，UPS系統的靠譜性直接影響數據中心的靠譜性，同時，在絕大多數數據中心，UPS系統的損耗可占IT設備能耗的10%以上。因此，提高UPS系統的靠譜性，同時降低其損耗，就成為數據中心UPS系統架構演變的主旋律。
一、傳統UPS供電系統
目前，數據中心內應用廣的不間斷電源還是傳統UPS，它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態旁路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。
1.1UPS設備的發展
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，大型數據中心主要采用雙轉換在線式UPS設備。
傳統的雙轉換在線式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展，呈現出IGBT取代可控硅整流的趨勢，IGBT整流的優勢是取消變壓器，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。
1.2UPS系統的發展
由于UPS設備結構復雜，因此自身容易發生故障，設備冗余可以提高可用性，UPS系統便有了N、N+X、2N、”市電+U電“等架構。
N系統滿足基本需求，沒有冗余的UPS設備。它的優點是系統簡單，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；存在多個單故障點。
N+X并聯冗余系統是指由N+X臺型號規格相同且具有并機功能的UPS設備并聯組成的系統，配置N臺UPS設備，其總容量為系統的基本容量，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，“N+X”系統在UPS配置上有了一定的冗余，系統靠譜性有所提高，同時帶來了系統配置成本的增加、系統負荷率的降低以及效率降低。N+X系統在成本增加不多的前提下提高了可用性，因此，在數據中心得到了廣泛的應用，但是該系統在UPS輸出端仍然存在單故障點，實際項目中由此造成的系統宕機屢見不鮮。
為了消除單點故障，高等級數據中心通常采用2N冗余系統。該系統是指由兩套或多套UPS系統組成的冗余系統，每套UPS系統N臺UPS設備的總容量為系統的基本容量。該系統從交流輸入經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節和設備都是冗余配置的，正常運行時，每套UPS系統僅承擔總負荷的一部分。這種多電源系統冗余的供電方式，克服單電源系統存在的單點故障瓶頸，對于少數單電源設備的情況，可通過安裝小型STS設備，確保其供電靠譜性。采用2N冗余系統可用性得到明顯提高。2N冗余系統的缺點也非常明顯，設備配置多、成本高，通常情況下效率比N+X系統更低。
“市電+U電”供電架構由百度提出并在2011年其自建M1數據中心規模應用，它在N+1系統基礎上做了改進，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系統大大提高，同時，UPS系統的損耗降低為原先的50%。UPS系統整體效率提升至95%以上。
