浅析UPS技术在数据中心运用

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· 2021-02-09

UPS是英文Uninterruptible power system 的缩写。中文名称是不间断电源系统。UPS 是一种电源变换装置。它以市电/发电机为交流输入能源，经过适当的变换和调节，为关键负载（或灵敏负载）提供稳定可靠交流电源。UPS内部有储能装置和转换装置，当市电停电时，以内部储能装置为输入能源，仍可以继续为关键负载供电，直到市电恢复或发电机启动供电或者储能耗尽，而当UPS设备故障时，由市电经转换装置不间断地临时直接为负载供电。所以UPS 能够保证在任何情况下均不间断地为负载供电。

IEC62040 和GB7620、YD1905-2008规定了三种UPS内部技术（或拓扑），包括后备UPS、在线互动UPS、双变换在线UPS。这些UPS可以获得不同程度的电源保护。

后备UPS

后备式UPS是用于个人计算机的最常见的类型。如下图所示，正常方式下负载由市电经UPS开关直接供电，同时市电通过充电器向蓄电池充电。一旦市电出现故障或市电指标超出设定值时，就会切换到电池/逆变器作为备用电源。一旦发生这种情况，转换开关必须进行操作，将负载切换到电池/逆变器备用电源上。逆变器只在电源出现故障时才启动，因此称作“后备式”。这种设计的主要优点是效率高、尺寸小和成本低。如果采用适宜的滤波电路和浪涌保护电路，这些系统还可以提供适当的噪声过滤和浪涌抑制功能。

在线互动 UPS

在线互动式UPS适用于小企业、网站、部门服务器的最常见的设计。在此设计方案中，电池到交流电源的转换器（逆变器）始终连接到UPS的输出端。如果在输入交流电源正常时，反向操作逆变器，就会给电池充电。一旦输入电源出现故障，转换开关就会打开，并通过电池向UPS输出端供电。与后备式UPS拓扑结构相比，由于逆变器始终打开且与输出端保持连接，这种设计进一步增强了滤波效果，并降低了转换瞬态过电压。

双转换在线式UPS

这是10kVA以上功率范围的电源最常用的UPS类型。正常方式下，市电经整流器变换为直流电，然后经逆变器变换为交流电（故称为双转换）供给负载，同时整流器给蓄电池充电。市电故障时，由蓄电池/逆变器组合不间断地为负载供电。一直供电到市电恢复（或启动发电机组）转入正常方式，或供电到蓄电池放电终止。当整流器/逆变器故障或逆变器过载时，负载由经UPS静态旁路开关临时供电。为保证不间断转换，逆变器输出必须与静态旁路电源同步。这种UPS提供了非常理想的供电输出性能。但功率部件的持续工作，与其它设计方案相比，其降低了可靠性。此外，大型电池充电器获得的输入电源通常是非线性的，可能对建筑供电系统产生干扰或导致备用发电机发生故障。

部分的双转换在线式UPS还有经济模式（ESS）的工作模式，该工作模式通过判断市电质量是否超过ITIC曲线来决定UPS是否工作在经济模式。ITIC 曲线是美国信息技术工业协会（information technology industry council）针对计算机对电能质量的要求，提出的电压容限曲线及相关的4种电压扰动（电压下降、电压上升、尖峰脉冲和断电），以防止造成设备故障和损坏。ITIC曲线已被IEEE 采纳，成为美国电能质量标准。也适用于世界各国。

在市电质量很好即市电电源的指标在ITIC 曲线规定的范围内时，双变换UPS便可工作在经济模式（ESS），UPS通过静态开关直接为负载供电。当市电故障或质量下降，市电电源的指标超出ITIC曲线规定的极限，但在UPS 整流器输入电压允许变动范围内时,在 2ms 内转换为双变换方式。在ESS方式中，整流器和逆变器保持在特殊的“准备好”状态，即它们的控制电路完全运行，例如继续保持逆变器与市电电源同步，但是整流器和逆变器的功率半导体被关断，即没有接入驱动信号。因此没有进行开关运行。因为它们不处理功率，故不产生损耗。而当市电出现干扰时，可以在2ms内转换到双变换模式，对负载无影响。而旁路方式与ESS有很大的不同。在旁路方式下，整流器和逆变器停止运行。从旁路转换回双变换模式，需逆变器启动、与市电同步后进行，需要很长时间。

在数据中心中一般采用由双变换UPS单机组成的并联冗余UPS系统，当数据中心负载为双电源供电时则使用并联冗余的UPS组成双母线UPS供电系统。

并联冗余UPS系统

并联冗余UPS系统由两个或多个单机UPS系统组成，各单机UPS输出并联连接到一个公共的母线。系统一般按N+1配置，其中N个单机UPS可供全部负载，再增加一个作为备用,称为 N+1 并联冗余系统。

当只有一个单机故障时，N+1系统仍能正常工作。N+1并联冗余系统，可以扩大输出容量，可以增加冗余功能。多台单机并联也可以只扩容而不增加冗余度，称为N+0 并联系统或“N并联容量系统”。

在并联冗余UPS系统中，所有单机UPS并联运行，均分负载。如果一个单机UPS 故障，或者需要脱离系统进行维护，其余单机UPS 有足够的容量供给负载，能确保负载供电的不间断，故不必将负载转换到旁路电源。

因为各单机UPS的输出均同步于其旁路电源，如果各单机UPS的旁路电源是同一个市电电源，各单机UPS就会自然同步运行。但考虑市电停电时各单机UPS将同步于各自内部的晶体振荡器，在这种情况下就不会自然同步了。为了保证在任何情况下各单机UPS都能同步运行和负载均分，需要采用必要的同步方法，例如主从同步，无主从同步等。

从并联冗余UPS系统的旁路种类来分并联冗余UPS可分为集中旁路并联冗余UPS和分散旁路并联冗余UPS。

集中旁路并联冗余UPS

集中旁路的并联冗余UPS系统的每个单机UPS都没有静态旁路。整个并联冗余UPS系统配置一个集中的静态旁路和维修旁路，安装在一个独立的并机柜中。静态旁路开关和维修旁路开关的容量应按满足系统输出容量配置，即N+1并联冗余UPS系统的旁路开关的容量应大于或等于N台单机UPS 的容量。如下图所示，是集中旁路的并联冗余UPS系统，系统有三个单机UPS 和一个并机柜组成，并机柜配置有静态旁路开关和维修旁路开关。

分散旁路并联冗余UPS系统

分散旁路的并联冗余UPS系统的每个单机UPS 内部都配置静态旁路开关。不需要并机柜，各单机UPS可以直接并联。下图是分散旁路并联冗余UPS系统的结构。

双母线UPS供电系统

双母线UPS 系统最适合于双电源负载的供电，可从两个母线上各引一路电到双电源负载。对于单电源负载，需要增加静态转换开关（STS），单电源负载经静态转换开关供电，提高了供电的可靠性。

如下图所示，UPS1，UPS2和UPS3，UPS4是两个独立的 UPS系统，其输出构成两个独立的母线，每个母线都能承担全部负载。一个母线故障时负载不受影响。UPS输出经配电单元（PDU）对服务器供电。双电源输入的负载，可以通过PDU直接从两个母线上引两路电源。单电源输入的负载，通过静态转换开关（STS）供电。当正在供电的母线发生故障时，STS将自动转换到另一母线。这种供电系统可用性可达到6个9（99.9999%）。

下图是用于大型数据中心的典型的双母线UPS电源系统。其中外市电采用两路进线，互为备用。配置两台发电机组作为备用电源系统。市电电源之间，市电与发电机组之间的转换采用自动转换开关（ATS）。在市电电源/备用发电机组与数据设备之间配置了由双变换UPS组成的双母线 2N 或2（N+1）UPS供电系统，以满足数据中心服务器等IT设备高可用性的用电要求。