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(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。?

1.?傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)?
       目前，數(shù)據(jù)中心內(nèi)應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，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。?
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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，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
       由于UPS設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，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。

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       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(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)由百度提出并在其自建M1數(shù)據(jù)中心規(guī)模應用，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。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。?

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、靈活性和擴展性差、故障后不易修復等問題，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)，同時為IT設(shè)備供電。由于直流電源拓撲簡單，因此故障率較UPS有所降低，因采用模塊化設(shè)計，可在線維護。

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)點是可以實現(xiàn)資源共享，降低成本，其缺點是系統(tǒng)故障范圍大，影響面廣。?

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

       盡管有如上問題，但是對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)機房中的應用。

       谷歌是最早進行服務器自研定制的互聯(lián)網(wǎng)公司，同時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服務器電源直流12V輸出端。市電正常時，進入服務器電源轉(zhuǎn)換成DC12V為服務器主板供電，同時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)電機啟動后回復交流供電。谷歌早期采用鉛酸電池供電，因服務器內(nèi)部高溫導致鉛酸電池故障率高，后改為鋰電池方案。蓄電池的后備時間為分鐘級（通常為1-3分鐘）。?此方案的優(yōu)點是大大簡化了IT設(shè)備前端供電系統(tǒng)，缺點是服務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9kW的機柜配置1個鉛酸蓄電池柜，輸出為DC48V，服務器電源采用AC277V和DC48V雙輸入，市電正常時作為主用，市電中斷后由蓄電池輸出DC48V為服務器供電。蓄電池后備時間為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。?
       隨著業(yè)內(nèi)對數(shù)據(jù)中心能耗關(guān)注日益增強，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，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)勢是IT設(shè)備無需定制，只要兼容DC240V供電即可。其缺點是電源內(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，單只電池故障會影響系統(tǒng)的可靠性。?從實際應用效果看，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
       過去，計算機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、雙總線、分布冗余等方案，相應帶來的是成本和能耗的進一步增加。?

       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：?
       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行損耗。?

       第二，從集中到分布。隨著鋰電池等新型儲能設(shè)備的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代服務器快速部署、靈活擴展的需要，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，由機房外集中式鉛酸電池向IT機柜內(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。

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