APCUPS电源在数据中心的系统架构

来源：首页日期：2020-03-23 点击：属于：行业新闻

前言

一个典型的数据中心供电系统，由中压配电、变压器、低压配电、不连续电源、末端配电以及发电机等设备组成。其中，APCUPS的主要作用，是在市电电源中缀、发电机启动之前，确保所带的负载持续供电，因而，UPS系统包含了储能设备，如蓄电池或飞轮；此外，传统UPS还具有隔离市电侧浪涌、电压骤升骤降等作用。

APCUPS电源系统是数据中心供电连续性的重要保证，UPS系统的牢靠性直接影响数据中心的牢靠性，同时，在绝大多数数据中心，UPS系统的损耗可占IT设备能耗的10%以上。因而，进步UPS系统的牢靠性，同时降低其损耗，就成为数据中心UPS系统架构演化的主旋律。

传统UPS供电系统

目前，数据中心内应用最广的不连续电源还是传统UPS，它主要由整流AC-DC、逆变DC-AC和静态旁路3局部电路组成，DC母线上挂接蓄电池，输入AC正常时，经整流和逆变两次转换后为负载供电，同时为蓄电池浮充，输入AC中缀时，蓄电池由浮充转放电，经逆变器为负载供电，对负载来说，感受不到输入端电源的中缀。

1UPS设备的分类

从构造上看，UPS设备能够分为后备式、在线互动式、双转换在线式、Delta转换在线式等类型，其中前两种主要用于小容量负载（≤5kVA），Delta转换在线式技术受专利维护，因而，大型数据中心主要采用双转换在线式UPS设备。

传统的双转换在线式UPS设备采用可控硅整流，主要的问题是谐波电流畸变率（THDi）高(10-30%)，转换效率低(85-92%)。

随着电力电子器件的开展，呈现出IGBT取代可控硅整流的趋向，IGBT整流的优势是取消变压器，因此降低了本钱，同时有比拟好的输入特性，在较宽的负载范围内，能够将THDi控制在5-10%之间，最大的益处是效率的提升，通常在87-95%之间。目前，IGBT整流型UPS的牢靠性比可控硅整流型略低。

2UPS冗余设计

由于UPS设备构造复杂，因而本身容易发作毛病，设备冗余能够进步可用性，UPS系统便有了N、N+X、2N、”市电+U电“等架构。

N系统满足根本需求，没有冗余的UPS设备。它的优点是系统简单，硬件配置本钱低廉；由于UPS工作在设计满负荷条件下，因而效率较高。其缺陷是可用性低，当UPS发作毛病，负载将转换到旁路供电，无维护电源；在UPS、电池等设备维护期间，负载处于无维护电源状态；存在多个单毛病点。

N+X并联冗余系统是指由N+X台型号规格相同且具有并机功用的UPS设备并联组成的系统，配置N台UPS设备，其总容量为系统的根本容量，再配置X台（X＝1～N）UPS冗余设备，允许X台设备毛病退出检修。相关于“N”系统，“N+X”系统在UPS配置上有了一定的冗余，系统牢靠性有所进步，同时带来了系统配置本钱的增加、系统负荷率的降低以及效率降低。N+X系统在本钱增加不多的前提下进步了可用性，因而，在数据中心得到了普遍的应用，但是该系统在UPS输出端依然存在单毛病点，实践项目中由此形成的系统宕机屡见不鲜。

2N，为了消弭单点毛病，高等级数据中心通常采用2N冗余系统。该系统是指由两套或多套UPS系统组成的冗余系统，每套UPS系统N台UPS设备的总容量为系统的根本容量。该系统从交流输入经UPS设备直到双电源输入负载，完整是彼此隔离的两条供电线路，也就是说，在供电的整个途径中的一切环节和设备都是冗余配置的，正常运转时，每套UPS系统仅承当总负荷的一局部。这种多电源系统冗余的供电方式，克制单电源系统存在的单点毛病瓶颈，关于少数单电源设备的状况，可经过装置小型STS设备，保证其供电牢靠性。采用2N冗余系统可用性得到明显进步。

2N冗余系统的缺陷也十分明显，设备配置多、本钱高，通常状况下效率比N+X系统更低。

“市电+U电”供电架构由百度提出并在其自建M1数据中心范围应用，它在N+1系统根底上做了改良，UPS设备配置不变，将效劳器等双电源设备的其中1路改由市电直接供电，消弭了单点毛病，牢靠性较N+1系统大大进步，同时，UPS系统的损耗降低为原先的50%。UPS系统整体效率提升至95%以上。UPS ECO形式带来了效率的提升，其代价是IT负载由市电供电，UPS必需不时监视市电状态，并在发现问题且当该问题尚未影响负载时，疾速切换到逆变器供电。这个听起来简单，但实践操作起来十分复杂并且需求承当很多风险以及潜在的负面影响。

高压直流（HVDC）不连续电源系统

虽然一切国度的市电都是交流，但是IT设备内部都采用直流供电，这就为直流供电提供了可能。事实上，通讯行业采用直流48V供电曾经有几十年的历史，电力行业也长期采用直流220V作为断路器等设备的操作和控制电源（直流屏）。

传统UPS设备存在效率低、牢靠性差、灵敏性和扩展性差、毛病后不易修复等问题，所以业内不断在寻觅交换UPS的计划。

现有主流的高压直流供电系统图，与通讯行业48V直流系统架构根本分歧。与传统双转换在线式UPS系统的主要区别，是取消了逆变环节，蓄电池挂接在直流母线，与整流器并联，同时为IT设备供电。由于直流电源拓扑简单，因而毛病率较UPS有所降低，因采用模块化设计，可在线维护。

散布式不连续电源系统

UPS或HVDC通常采用集中式供电计划，集中式系统的优点是能够完成资源共享，降低本钱，其缺陷是系统毛病范围大，影响面广。

UPS也有小型机散布式供电计划，但是多套散布式小型机系统与1套集中式大型UPS系统相比，小型机的数量多，毛病点多，本钱高，因而大中型数据中心不会采用散布式UPS系统。

虽然有如上问题，但是关于散布式不连续电源系统的探究，历来没有中止过。谷歌和Facebook都在探究散布式不连续电源系统在IDC数据机房中的应用。

谷歌是最早停止效劳器自研定制的互联网公司，同时也最早放弃了集中式UPS电源计划，转将蓄电池散布到每台效劳器电源直流12V输出端。市电正常时，进入效劳器电源转换成DC12V为效劳器主板供电，同时为蓄电池提供浮充电源，市电停电后，由DC12V母线并联的蓄电池继续给主板供电，直到柴油发电机启动后回复交流供电。谷歌早期采用铅酸电池供电，因效劳器内部高温招致铅酸电池毛病率高，后改为锂电池计划。蓄电池的后备时间为分钟级（通常为1-3分钟）。此计划的优点是大大简化了IT设备前端供电系统，缺陷是效劳器电源需求深度定制。

Facebook自建数据中心的供电系统采用DC48V离线备用系统。为每6个9kW的机柜配置1个铅酸蓄电池柜，输出为DC48V，效劳器电源采用AC277V和DC48V双输入，市电正常时作为主用，市电中缀后由蓄电池输出DC48V为效劳器供电。蓄电池后备时间为45秒。此计划的系统效率与240V HVDC Offline计划及DC12V散布式系统相当。

随着业内对数据中心能耗关注日益加强，国内近几年呈现了一种新型的散布式DC240V电源设备，同样采用离线计划，市电正常时，直接输出市电电源，市电停电后，由内部锂电池提供DC240V输出。这种计划的优势是IT设备无需定制，只需兼容DC240V供电即可。其缺陷是电源内部存在AC220V和DC240V的切换，系统牢靠性降低；锂电池串联数量多，单只电池毛病会影响系统的牢靠性。从实践应用效果看，某互联网公司租用的数据中心一年中发作十几起电源毛病，证明此架构还需完善。

将来开展趋向

过去，计算机作为一种十分娇贵的设备，双转换在线式UPS消弭了市电电能质量问题，但带来了6-10%的电能损失以及其本身牢靠性低的问题。

经过冗余能够进步系统牢靠性，UPS开展出主备供电、N+1冗余并机、双总线、散布冗余等计划，相应带来的是本钱和能耗的进一步增加。

为了防止UPS设备毛病率高的问题，国内提出并已范围部署了直流240V电源系统，大局部IT设备能够直接兼容直流供电。

呈现如下三种趋向：

从在线到离线。APCUPS电源 ECO形式、DC48V电池备用、DC12V电池备用、DC240V电池备用等实质上都是将电源离线，从而降低电源本钱和运转损耗。

从集中到散布。随着锂电池等新型储能设备的开展以及大数据时期效劳器快速部署、灵敏扩展的需求，不连续电源设备正在从集中到散布。

将来数据中心供电开展的整体趋向是由高压/集中式/交流大UPS向低压/散布式/直流小UPS方向开展，由机房外集中式铅酸电池向IT机柜内散布式小（锂）电池方向开展，从化石能源向绿色能源方向开展。

（来源：智能化弱电工程设计与施工）

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