数据中心对系统连续稳定安全运行有着极高的要求,其中最基本的条件就是供电不中断和连续制冷,不间断电源(UPS)是数据中心供电系统中不可缺少的设备,直接关系电源系统可用性的高低。
　　
　　UPS系统由主机和蓄电池构成,有稳压、滤波、不间断三大基本功能。在市电供电时,它具有稳压器和滤波器的作用,可以消除或削弱市电的干扰,保证设备正常工作,同时向蓄电池充电;在市电中断时,它就是不间断电源,通过蓄电池放电再经逆变器把直流电逆变成稳定无杂质的交流电,使负载维持正常工作,并保护负载软硬件不受损坏。
　　
　　随着IT系统逐步走向集中管理,UPS也正在从单机向冗余结构变化、从注重可靠性向注重可用性变化、从供电系统向保证整个IT运行环境变化,呈现出高频化、模块化、智能化、绿色化的趋势。本文依据UPS的发展脉络逐对对比剖析,首先介绍交流UPS,包括工频UPS、高频UPS和模块化UPS,然后介绍了直流UPS,包括高压直流和巴拿马电源,最后结合上海、重庆某数据中心的实际应用场景,并给出中小型数据中心不间断电源系统的选型意见。
　　
　　一、交流UPS
　　
　　(一)工频机与高频机
　　
　　按照UPS电路的工作频率,UPS通常分为工频机和高频机两种机型。工频机型UPS按模拟电子电路原理设计,由可控硅(SCR)整流器、蓄电池、IGBT逆变器,旁路和工频升压隔离变压器组成,因其整流器和变压器的工作频率均为工频50Hz,所以称为工频UPS,详见图1所示。高频机型UPS按数字电子电路原理设计,在结构上通常由IGBT高频整流器、蓄电池、IGBT逆变器和旁路组成,其整流器的开关频率通常在几千赫兹到几十千赫兹甚至高达几十万赫兹,远高于工频机型UPS的50Hz工作频率,因此称之为高频UPS,详见图2所示。
　　

    
　　高频机与工频机相比,具有体积小、重量轻、对外干扰小、效率高的特点,高频机也凭借此特点在近年中小型数据中心领域中得到了越来越广泛的应用,但高频机无输出隔离变压器,UPS故障时存在输出直流电压损坏负载的风险,故在可靠性第一原则下仍然以工频机为首选,详见表1。
　　
　　(二)高频塔机与高频模块机
　　
　　按外形结构,当前主流的高频机可分为高频塔机和高频模块机。高频塔机整机一体化设计,主要部件都安装在一个固定的机械结构内,功率单元基本无冗余,而高频模块机不仅具有高频塔式机的所有优点,且控制单元、功率单元均为模块化设计,支持热插拔,当单个模块出现故障时,可以完全实现不停机修复,主要功能单元冗余数量更高,提升可靠性短板,系统可用性更高。高频模块机也凭借其热插拔修复技术和冗余容错功能,正在被越来越多的数据中心所应用。
　　
　　在中小型数据中心不间断电源系统的选型方面,模块机不失为优先选择。首先,可维护性高、可靠性高,一方面与运维人员现行运维的UPS系统原理相近,已具备相关维护经验,另一方面,模块机支持热插拔技术,当单个模块出现故障时,可在电源在线状态下对故障模块直接更换,实现不停机修复,提升系统可靠性和可用性。其次,负载率高、高效节能,高频机相较于工频机具有效率高、对电网适应能力强、对外界干扰小的特点,也更适用于中小型数据中心的使用环境,而高频模块机相较于高频塔机更易于扩容,可按需配置模块,保证系统工作在最佳负载率区间,效率更高、能耗更低。最后,初始投资低、物理空间小,模块机可根据初期功耗配置模块,且不用配置滤波设备、选配输出隔离变压器,降低了建设初期成本,高度集成省去了现场安装、连线、调试等工作,简化了安装流程,减低了非设备资本成本,高频化设计使设备具有更高的功率密度、更小的体积和更轻的重量,降低了安装物理空间及承重要求,详见表2。
　　
　　二、直流UPS
　　
　　直流UPS也称高压直流电源,正常工作情况下,输入的交流市电经整流模块整流后,将380V交流转化成240V高压直流输出,经直流配电单元、列头柜、PDU等给负载提供直流电源,电池组并联接在HVDC系统的输出端,处于浮充充电状态,当交流输入发生故障(如市电停电)时,由电池组作为后备能源给负载提供不间断直流供电。在此过程中电能只经过一次变换,省去了逆变环节,系统效率得到提升,但变压器在降压的过程中也伴随着能量的损失,为此可将降压和整流这两个环节合二为一来提高系统效率,即只通过一次整流变压,将10kV交流(AC)转换到240V或336V直流(DC),这就是巴拿马电源,实现了供电传输一步到位,更加高效可靠,详见图3所示。
　　
　　由于巴拿马电源的输入电压为交流10kV,运维人员的运维界面从传统的低压侧推到了10kV侧,因此需要清晰了解和熟练掌握10kV侧安全操作及注意事项,且具备相关资质和操作技能的运维人员才能够胜任维护工作,而目前,中小型数据中心运维人员基本不具备上述运维资质,故巴拿马电源在中小型数据中心不间断电源系统选型时可暂不考虑。而对于部分维护人员配备完善、设备负载量大的中小型数据中心,可以尝试部署高压直流电源,为后续提供稳定高效的动力环境支撑先行布局技术路线探索。
　　
　　三、实例分析
　　
　　目前,在中小型数据中心不间断电源系统选型方面,针对工频机和高频机两种UPS选型,很多数据中心仍然使用工频机,因为该电源运行时间长久,更满足用户的习惯,但高频UPS对比工频UPS具有效率高、占地小、重量轻的特点,更符合未来面向低碳环保的发展方向,特别是对于后端配电情况复杂的老旧UPS的改造,高频模块机具有很明显的优势,而对于高压直流电源以及巴拿马电源,由于运维人员须具备特种高压操作资质才能上岗,在实际推广中存在一定难度。
　　
　　下面,首先以上海某中小型数据中心为例,该数据中心共有6组UPS,日常维持近万台负载的平稳运行,其中位于R区的2组品牌A模块机于2016年投入使用,位于S区的2组品牌B工频机于2010年投入使用,位于T区的2组品牌B高频机于2020年投入使用,6组UPS的负载率及效率见表3。
　　
　　可以看出,工频机的效率明显低于高频机和模块机,高频机和模块机效率并无明显差别,但由于模块机支持热插拔可实现不停机修复的显著优势,使其可靠性和可维护性显著提升,也为日常维护工作提供了便利。
　　
　　再以重庆某小型数据中心为例,该数据中心有3组UPS,均为品牌C的模块机,日常维持千余台负载的平稳运行,其中位于的R区的UPS于2013年投入使用,先后有四次维修,位于S区和T区的UPS于2019年投入使用,至今未出现故障,其负载率和效率详见表4。
　　
　　可以看出,模块机在实际运行状态较为平稳,据调研,该数据中心仅有一人负责动力运维,且负载相对较低,对于这样的使用场景,如果尝试部署高压直流电源或者巴拿马电源,一方面设备负载量过小导致运行效率低下,另一方面运维人员不具备10kV高压侧的运维能力,增添极大的运维困难,而使用运行平稳支持不停机修复的模块机极大减轻了运维人员的压力,且在负载率较低的情况下仍能保持较为客观的运行效率。
　　
　　四、结论
　　
　　综上所述,本文针对中小型数据中心不间断电源系统选型给出以下选型意见:一是中小型数据中心由于设备负载量小、运维团队力量薄弱、不具备高压侧操作资质,尚不具备使用巴拿马电源的维护条件,在选型时可暂不考虑,二是模块机凭借其易维护、高能效、投资低的特点可成为中小型数据中心不间断电源系统的优先选择,三是部分设备负载量大、运维团队充足的中小型数据中心可逐步尝试部署高压直流电源,为后续提供稳定高效的动力环境支撑先行布局技术路线探索。

    参考文献
　　
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　　Δ高福义（通信作者）,上海市浦东新区秀沿西路189号2A,Email:gfy@shcert.org.
　　
　　编辑：Harris