APC UPS不間斷電源在數據中心的系統架構
時間：2023-04-28 來源：本站(zhan) 點(dian)擊：1次
APC UPS不間(jian)斷(duan)電源在數據中心的系統架構
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、不連續電源、末端配電以及發電機等設備組成。其中，APCUPS的主要作用，是在市電電源中綴、發電機啟動之前，確保所帶的負載持續供電，因而，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。
APCUPS電源系統是數據中心供電連續性的重要保證，UPS系統的牢靠性直接影響數據中心的牢靠性，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。因而，進步UPS系統的牢靠性，同時降低其損耗，就成為數據中心UPS系統架構演化的主旋律。
目前，數據中心內應用最廣的不連續電源還是傳統UPS，它主要由整流AC-DC、逆變DC-AC和靜態旁路3局部電路組成，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中綴時，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綴。 從構造上看，UPS設備能夠分為后備式、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轉換在線式技術受專利維護，因而，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開展，呈現出IGBT取代可控硅整流的趨向，IGBT整流的優勢是取消變壓器，因此降低了本錢，同時有比擬好的輸入特性，在較寬的負載范圍內，能夠將THDi控制在5-10%之間，最大的益處是效率的提升，通常在87-95%之間。目前，IGBT整流型UPS的牢靠性比可控硅整流型略低。 由于UPS設備構造復雜，因而本身容易發作毛病，設備冗余能夠進步可用性，UPS系統便有了N、N+X、2N、”市電+U電“等架構。N系統滿足根本需求，沒有冗余的UPS設備。它的優點是系統簡單，硬件配置本錢低廉；由于UPS工作在設計滿負荷條件下，因而效率較高。其缺陷是可用性低，當UPS發作毛病，負載將轉換到旁路供電，無維護電源；在UPS、電池等設備維護期間，負載處于無維護電源狀態；存在多個單毛病點。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用的UPS設備并聯組成的系統，配置N臺UPS設備，其總容量為系統的根本容量，再配置X臺（X＝1～N）UPS冗余設備，允許X臺設備毛病退出檢修。相關于“N”系統，“N+X”系統在UPS配置上有了一定的冗余，系統牢靠性有所進步，同時帶來了系統配置本錢的增加、系統負荷率的降低以及效率降低。N+X系統在本錢增加不多的前提下進步了可用性，因而，在數據中心得到了普遍的應用，但是該系統在UPS輸出端依然存在單毛病點，實踐項目中由此形成的系統宕機屢見不鮮。?2N，為了消弭單點毛病，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根本容量。該系統從交流輸入經UPS設備直到雙電源輸入負載，完整是彼此隔離的兩條供電線路，也就是說，在供電的整個途徑中的一切環節和設備都是冗余配置的，正常運轉時，每套UPS系統僅承當總負荷的一局部。這種多電源系統冗余的供電方式，克制單電源系統存在的單點毛病瓶頸，關于少數單電源設備的狀況，可經過裝置小型STS設備，保證其供電牢靠性。采用2N冗余系統可用性得到明顯進步。2N冗余(yu)系統的缺陷也(ye)十分(fen)明顯，設備(bei)配置多、本錢高，通(tong)常狀(zhuang)況下(xia)效率(lv)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數據中心范圍應用，它在N+1系統根底上做了改良，UPS設備配置不變，將效勞器等雙電源設備的其中1路改由市電直接供電，消弭了單點毛病，牢靠性較N+1系統大大進步，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形式帶來了效率的提升，其代價是IT負載由市電供電，UPS必需不時監視市電狀態，并在發現問題且當該問題尚未影響負載時，疾速切換到逆變器供電。這個聽起來簡單，但實踐操作起來十分復雜并且需求承當很多風險以及潛在的負面影響。
雖然一切國度的市電都是交流，但是IT設備內部都采用直流供電，這就為直流供電提供了可能。事實上，通訊行業采用直流48V供電曾經有幾十年的歷史，電力行業也長期采用直流220V作為斷路器等設備的操作和控制電源（直流屏）。 傳統UPS設備存在效率低、牢靠性差、靈敏性和擴展性差、毛病后不易修復等問題，所以業內不斷在尋覓交換UPS的計劃。 現有主流的高壓直流供電系統圖，與通訊行業48V直流系統架構根本分歧。與傳統雙轉換在線式UPS系統的主要區別，是取消了逆變環節，蓄電池掛接在直流母線，與整流器并聯，同時為IT設備供電。由于直流電源拓撲簡單，因而毛病率較UPS有所降低，因采用模塊化設計，可在線維護。 UPS或HVDC通常采用集中式供電計劃，集中式系統的優點是能夠完成資源共享，降低本錢，其缺陷是系統毛病范圍大，影響面廣。? UPS也有小型機散布式供電計劃，但是多套散布式小型機系統與1套集中式大型UPS系統相比，小型機的數量多，毛病點多，本錢高，因而大中型數據中心不會采用散布式UPS系統。 雖然有如上問題，但是關于散布式不連續電源系統的探究，歷來沒有中止過。谷歌和Facebook都在探究散布式不連續電源系統在IDC數據機房中的應用。谷歌是最早停止效勞器自研定制的互聯網公司，同時也最早放棄了集中式UPS電源計劃，轉將蓄電池散布到每臺效勞器電源直流12V輸出端。市電正常時，進入效勞器電源轉換成DC12V為效勞器主板供電，同時為蓄電池提供浮充電源，市電停電后，由DC12V母線并聯的蓄電池繼續給主板供電，直到柴油發電機啟動后回復交流供電。谷歌早期采用鉛酸電池供電，因效勞器內部高溫招致鉛酸電池毛病率高，后改為鋰電池計劃。蓄電池的后備時間為分鐘級（通常為1-3分鐘）。?此計劃的優點是大大簡化了IT設備前端供電系統，缺陷是效勞器電源需求深度定制。Facebook自建數據中心的供電系統采用DC48V離線備用系統。為每6個9kW的機柜配置1個鉛酸蓄電池柜，輸出為DC48V，效勞器電源采用AC277V和DC48V雙輸入，市電正常時作為主用，市電中綴后由蓄電池輸出DC48V為效勞器供電。蓄電池后備時間為45秒。此計劃的系統效率與240V?HVDC?Offline計劃及DC12V散布式系統相當。隨著業內對數據中心能耗關注日益加強，國內近幾年呈現了一種新型的散布式DC240V電源設備，同樣采用離線計劃，市電正常時，直接輸出市電電源，市電停電后，由內部鋰電池提供DC240V輸出。?這種計劃的優勢是IT設備無需定制，只需兼容DC240V供電即可。其缺陷是電源內部存在AC220V和DC240V的切換，系統牢靠性降低；鋰電池串聯數量多，單只電池毛病會影響系統的牢靠性。?從實踐應用效果看，某互聯網公司租用的數據中心一年中發作十幾起電源毛病，證明此架構還需完善。
過去，計算機作為一種十分嬌貴的設備，雙轉換在線式UPS消弭了市電電能質量問題，但帶來了6-10%的電能損失以及其本身牢靠性低的問題。? 經過冗余能夠進步系統牢靠性，UPS開展出主備供電、N+1冗余并機、雙總線、散布冗余等計劃，相應帶來的是本錢和能耗的進一步增加。 為了防止UPS設備毛病率高的問題，國內提出并已范圍部署了直流240V電源系統，大局部IT設備能夠直接兼容直流供電。從在線到離線。APCUPS電源?ECO形式、DC48V電池備用、DC12V電池備用、DC240V電池備用等實質上都是將電源離線，從而降低電源本錢和運轉損耗。從集中到散布。隨著鋰電池等新型儲能設備的開展以及大數據時期效勞器快速部署、靈敏擴展的需求，不連續電源設備正在從集中到散布。將來數據中心供電開展的整體趨向是由高壓/集中式/交流大UPS向低壓/散布式/直流小UPS方向開展，由機房外集中式鉛酸電池向IT機柜內散布式小（鋰）電池方向開展，從化石能源向綠色能源方向開展。
