- $
關于數據中心UPS不間斷電源系統架構介紹！
來源：www.mouseliver.com 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、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。
1.傳統UPS供電系統
目前，數據中心內應用較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。
UPS設備的分類
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。
UPS冗余設計
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。
2N，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，保障其供電靠譜性。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?ECO模式帶來了效率的提升，其代價是IT負載由市電供電，UPS必須不斷監視市電狀態，并在發現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。
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。
1.傳統UPS供電系統
目前，數據中心內應用較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。
UPS設備的分類
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。
UPS冗余設計
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。
2N，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，保障其供電靠譜性。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?ECO模式帶來了效率的提升，其代價是IT負載由市電供電，UPS必須不斷監視市電狀態，并在發現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。
上一條：
淺聊什么是高壓直流（HVDC）不間斷電源系統？
下一條：
UPS不間斷電源，電力人都應該懂~
