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淺析數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)！
來(lái)源：hked.com.cn 發(fā)布時(shí)間：2020年12月31日
一個(gè)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(jī)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(jī)啟動(dòng)之前，確保所帶的負(fù)載持續(xù)供電，因此，UPS系統(tǒng)包含了儲(chǔ)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)的靠譜性直接影響數(shù)據(jù)中心的靠譜性，同時(shí)，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)的靠譜性，同時(shí)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(shí)，經(jīng)整流和逆變兩次轉(zhuǎn)換后為負(fù)載供電，同時(shí)為蓄電池浮充，輸入AC中斷時(shí)，蓄電池由浮充轉(zhuǎn)放電，經(jīng)逆變器為負(fù)載供電，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)，感受不到輸入端電源的中斷。
1.1UPS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(dòng)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(fù)載（≤5kVA），Delta轉(zhuǎn)換在線式技術(shù)受保護(hù)，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(wèn)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(shì)，IGBT整流的優(yōu)勢(shì)是取消變壓器，因而降低了成本，同時(shí)有比較好的輸入特性，在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)，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(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(méi)有冗余的UPS設(shè)備。它的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在設(shè)計(jì)滿負(fù)荷條件下，因此效率較高。其缺點(diǎn)是可用性低，當(dāng)UPS發(fā)生故障，負(fù)載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，無(wú)保護(hù)電源；在UPS、電池等設(shè)備維護(hù)期間，負(fù)載處于無(wú)保護(hù)電源狀態(tài)；存在多個(gè)單故障點(diǎn)。
N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺(tái)型號(hào)規(guī)格相同且具有并機(jī)功能的UPS設(shè)備并聯(lián)組成的系統(tǒng)，配置N臺(tái)UPS設(shè)備，其總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量，再配置X臺(tái)（X＝1～N）UPS冗余設(shè)備，允許X臺(tái)設(shè)備故障退出檢修。相對(duì)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(shí)帶來(lái)了系統(tǒng)配置成本的增加、系統(tǒng)負(fù)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(diǎn)，實(shí)際項(xiàng)目中由此造成的系統(tǒng)宕機(jī)屢見(jiàn)不鮮。
為了消除單點(diǎn)故障，高等級(jí)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(tái)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(fù)載，完全是彼此隔離的兩條供電線路，也就是說(shuō)，在供電的整個(gè)路徑中的所有環(huán)節(jié)和設(shè)備都是冗余配置的，正常運(yùn)行時(shí)，每套UPS系統(tǒng)僅承擔(dān)總負(fù)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(diǎn)故障瓶頸，對(duì)于少數(shù)單電源設(shè)備的情況，可通過(guò)安裝小型STS設(shè)備，確保其供電靠譜性。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(diǎn)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(jìn)，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(diǎn)故障，靠譜性較N+1系統(tǒng)大大提高，同時(shí)，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(shí)，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)的靠譜性，同時(shí)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(shí)，經(jīng)整流和逆變兩次轉(zhuǎn)換后為負(fù)載供電，同時(shí)為蓄電池浮充，輸入AC中斷時(shí)，蓄電池由浮充轉(zhuǎn)放電，經(jīng)逆變器為負(fù)載供電，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)，感受不到輸入端電源的中斷。
1.1UPS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(dòng)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(fù)載（≤5kVA），Delta轉(zhuǎn)換在線式技術(shù)受保護(hù)，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(wèn)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(shì)，IGBT整流的優(yōu)勢(shì)是取消變壓器，因而降低了成本，同時(shí)有比較好的輸入特性，在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)，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(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(méi)有冗余的UPS設(shè)備。它的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在設(shè)計(jì)滿負(fù)荷條件下，因此效率較高。其缺點(diǎn)是可用性低，當(dāng)UPS發(fā)生故障，負(fù)載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，無(wú)保護(hù)電源；在UPS、電池等設(shè)備維護(hù)期間，負(fù)載處于無(wú)保護(hù)電源狀態(tài)；存在多個(gè)單故障點(diǎn)。
N+X并聯(lián)冗余系統(tǒng)是指由N+X臺(tái)型號(hào)規(guī)格相同且具有并機(jī)功能的UPS設(shè)備并聯(lián)組成的系統(tǒng)，配置N臺(tái)UPS設(shè)備，其總?cè)萘繛橄到y(tǒng)的基本容量，再配置X臺(tái)（X＝1～N）UPS冗余設(shè)備，允許X臺(tái)設(shè)備故障退出檢修。相對(duì)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(shí)帶來(lái)了系統(tǒng)配置成本的增加、系統(tǒng)負(fù)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(diǎn)，實(shí)際項(xiàng)目中由此造成的系統(tǒng)宕機(jī)屢見(jiàn)不鮮。
為了消除單點(diǎn)故障，高等級(jí)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(tái)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(fù)載，完全是彼此隔離的兩條供電線路，也就是說(shuō)，在供電的整個(gè)路徑中的所有環(huán)節(jié)和設(shè)備都是冗余配置的，正常運(yùn)行時(shí)，每套UPS系統(tǒng)僅承擔(dān)總負(fù)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(diǎn)故障瓶頸，對(duì)于少數(shù)單電源設(shè)備的情況，可通過(guò)安裝小型STS設(shè)備，確保其供電靠譜性。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(diǎn)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(jìn)，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(diǎn)故障，靠譜性較N+1系統(tǒng)大大提高，同時(shí)，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。
