引言：

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（Uninterruptible power supply，UPS）、末端配電以及發(fā)電機等設(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(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，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。

一、傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)用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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

1.1 UPS設(shè)備的發(fā)展

從結(jié)構(gòu)上看，UPS設(shè)備可以分為后備式、在線互動式、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載（≤5kVA），Delta轉(zhuǎn)換在線式技術(shù)受專利保護，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，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(nèi)，可以將THDi控制在5-10%之間，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。

1.2 UPS系統(tǒng)的發(fā)展

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)點是系統(tǒng)簡單，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在設(shè)計滿負荷條件下，因此效率較高。其缺點是可用性低，當(dāng)UPS發(fā)生故障，負載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，無保護電源；在UPS、電池等設(shè)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(shè)備并聯(lián)組成的系統(tǒng)，配置N臺UPS設(shè)備，其總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量，再配置X臺（X＝1～N）UPS冗余設(shè)備，允許X臺設(shè)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)可靠性有所提高，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(yīng)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。

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(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(shè)備都是冗余配置的，正常運行時，每套UPS系統(tǒng)僅承擔(dān)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(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2011年其自建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，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，消除了單點故障，可靠性較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。

圖1.2.1 N+1冗余系統(tǒng)和“市電+U電”系統(tǒng)

1.3 UPS ECO模式

前文已經(jīng)提到，雙轉(zhuǎn)換在線式UPS配置有靜態(tài)旁路，當(dāng)正常情況下負載由旁路供電，交流輸入中斷后再切換至逆變由電池供電的運行模式，被稱為ECO模式，又稱為經(jīng)濟運行模式，某些UPS廠家將此模式也稱為ESS（節(jié)能系統(tǒng)）、SEM（超級節(jié)電模式）、VFD（基于電壓和頻率的模式），等等。

由于正常情況下電能不再經(jīng)過整流和逆變兩次轉(zhuǎn)換，因此，整機效率有所提升，不少廠家聲稱的ECO模式效率高達99%，但是實測數(shù)據(jù)與此相差較大。圖1.3.1是5種型號UPS ECO模式效率的實測數(shù)據(jù)。（注：圖中“工頻”表示可控硅整流機型，“高頻”表示IGBT整流機型）

圖1.3.1 UPS ECO模式實測效率曲線

對上述6個型號UPS在逆變工況和ECO工況實測效率做平均后的對比如圖1.3.2?？梢姡煌a(chǎn)品ECO-逆變效率提升差異較大，30%負載率下，某些工頻機效率僅提升2.69%，某些高頻機效率提升可達5.89%，整機效率高達98%。 

圖1.3.2 UPS ECO和逆變模式實測效率對比曲線

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(dāng)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(fù)雜并且需要承擔(dān)很多風(fēng)險以及潛在的負面影響。

經(jīng)過對主流的3種品牌6個型號UPS實測的ECO和逆變切換時間，在大約100次切換中，UPS大切換時間為6.6ms，滿足IEC 標(biāo)準(zhǔn) 62040-3，UPS要求服務(wù)器等設(shè)備在瞬時斷電10ms內(nèi)時應(yīng)能維持正常工作；以及ITIC標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)器等設(shè)備在瞬時斷電20ms內(nèi)時能維持正常工作的要求。采用UPS ECO模式不需要改變服務(wù)器電源，可以取得類似Facebook DC 48V離線供電的節(jié)能效果。