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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！
來源：www.huihuicn.com 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（Uninterruptible power supply，UPS）、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(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，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(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。
1.1UPS設備的發(fā)展
從結(jié)構(gòu)上看，UPS設備可以分為后備式、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)換在線式技術受保護，因此，大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設備。
傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)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(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，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設備結(jié)構(gòu)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(gòu)。
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(zhuǎn)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?cè)萘繛橄到y(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。
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?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，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(gòu)由百度提出并在2011年其自建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(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。
1.1UPS設備的發(fā)展
從結(jié)構(gòu)上看，UPS設備可以分為后備式、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)換在線式技術受保護，因此，大型數(shù)據(jù)中心主要采用雙轉(zhuǎn)換在線式UPS設備。
傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)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(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，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設備結(jié)構(gòu)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(gòu)。
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(zhuǎn)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?cè)萘繛橄到y(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。
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?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，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(gòu)由百度提出并在2011年其自建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。
