陈冀生1张广明2
　　
　　(1.先控捷联电源设备有限公司,石家庄050035)
　　
　　(2.中国电源学会专家委员会,天津300111)
　　
　　摘要:在数据中心中,供电系统是基础设施最重要的子系统之一,文中将针对现代数据中心供电系统规划设计要求、数据中心供电系统存在的问题和设计理念的变化、数据中心供电系统方案的选择、对UPS设备性能指标的重新认识、系统模块化与模块化UPS、高频机型UPS将成为现代数据中心UPS设备的首选机型、直流输出DC-UPS系统的研究和应用前景、数据中心备用能源的配置、数据中心供电系统的节能设计、供配电系统设备的布局设计与安装等问题,分专题进行系统的介绍和讨论。
　　
　　6 直流输出UPS(DC-UPS)系统
　　
　　传统UPS供电系统存在的主要问题是如何有效地提高系统可靠性。可靠性不高是传统UPS的设计理念造成的,而传统设计理念的症结又可归结为备用能源配置方法问题。备用能源(电池)要经过UPS设备中最薄弱的环节—逆变器才能向负载供电,这是造成UPS系统必须两次能源变换、系统中存在着负载和UPS本身两个谐波源、系统过于复杂和结构臃肿、成本不断攀升、效率低下、可靠性难以有效提高的根本原因。改变备用能源配置方法,由备用能源(电池)直接用直流电压对负载供电,以上问题就迎刃而解,使UPS系统的可靠性、建造成本、能源利用率、系统标准化等方面,都会产生革命性的变化。本篇将从UPS技术发展过程讲述:为什么早期的IT设备要交流电压供电;传统UPS系统结构存在的问题;UPS直流输出的可行性和性能优势;直流UPS设计和应用中面临的技术难题等。
　　
　　6.1 IT设备供电系统结构的变化
　　
　　电网电压提供的是交流380V/220V,50Hz,而IT设备逻辑电路用的是直流低电压(例如3V、5V),这是两个不可改变的事实。为IT设备供电的电源设备的任务自然是完成两种制式电压的转换。计算机开始产业化至今已有50多年历史,在这漫长的过程中,供电电源也经历了几个变化阶段,促成并决定这些变化的最根本的因素是组成电源设备的功率半导体器件和电路技术的进步。图6.1显示了这个过程。

　　
　　(1)20世纪60、70年代计算机设备供电
　　
　　如图6.1(a)所示。此时计算机是由电网市电直接供电的,由于当时半导体器件性能限制,机内线性调节电源和开关电源都只能是低压输入,所以在输入端都必须配置工作在交流状态的工频降压变压器。
　　
　　(2)20世纪70、80年代开始使用UPS为计算机设备供电
　　
　　如图6.1(b)所示。此时开始为计算机供电系统配置不停电供电设备-UPS。但是由于计算机输入端都配置有工频变压器(包括机内交流供电风扇),所以UPS设备只能输出交流电。殊不知,最初的这一要求固定了UPS设备的电路结构,并沿用到50年后的今天。
　　
　　(3)20世纪70、80年代计算机开关电源去掉了输入变压器
　　
　　如图6.1(c)所示。在20世纪70年代,由于功率半导体器件性能的进步,电源业内开始了一场20kHz的革命,无输入变压器的开关电源开始成熟并逐渐产品化,到20世纪80年代末期,计算机机内电源基本上甩掉了输入变压器,也就是说,可以由电网电压不需降压而直接供电,当然也就可以由高压直流供电(机内风扇也改为直流)。
　　
　　但是,现行的设备标准和人们的观念决定了计算机还是必须由交流电压供电,当然,作为输入电源的前级设备UPS,也就必须保持输出交流。既然UPS只提供交流电源,所以,计算机开关电源也必须保留输入级的AC/DC变换,整个供电就形成了UPS设备的AC/DC—DC/AC两级变换和机内开关电源的AC/DC-DC/DC两级变换。
　　
　　6.2 传统UPS供电系统的现状与存在的问题
　　
　　传统UPS的现状和存在的问题促使其必须进行改进和变革。技术的发展有着它自身的发展规律,输出直流化将是一次数据中心供电系统的重大变革。图6.2是传统UPS供电系统的基本结构。

　　
　　(1)传统UPS供电系统存在的问题和改进的重点
　　
　　从用户关注的焦点和UPS厂家技术改进的重点来看,要解决的关键问题和采用的技术措施归纳起来有以下三点:
　　
　　①提高系统可用性,包括:提高设备可靠性;对设备采用冗余配置;配置模块化UPS;提高设备智能监测和管理功能;
　　
　　②抑制系统中谐波电流的产生和治理问题,包括:加大零线规格和前端设备(变压器、油机、配电开关、转换开关等)容量,以便降低谐波电流的影响;输入改为12脉冲整流+11次无源滤波器;6脉冲整流前加有源滤波器;输入改为PFC高频整流;
　　
　　③提高系统的适应性。包括:采用模块化设计;采用标准化设计。
　　
　　(2)值得思考的问题
　　
　　①传统的系统出现不断复杂化、设备堆积、结构臃肿、成本迅速攀升、效率低下、可靠性难以有效提高的趋势,这种难堪的局面是传统系统设计建造模式造成的;
　　
　　②系统中存在的问题大多是系统设计不当产生的
　　
　　·系统中的谐波电流不是外界影响的,负载谐波电流是交流供电产生的,UPS输入谐波是UPS自己产生的;
　　
　　·系统设计本身造成了系统的复杂性,可靠性低下。使用者最担心的是系统供电设备本身发生故障,不得不投入巨大的人力物力搞冗余并机系统,双总线系统等,以应付供电系统本身随时可能发生的故障;
　　
　　③传统的设计建造模式还要世世代代走下去吗?为什么能量要经过两次变换才供给负载呢?为什么不能从根本上消除系统中的谐波源呢?为什么不能把不可预见的突发性的故障因素与负载完全隔离开呢?
　　
　　6.3 UPS输出直流化变革是技术发展的必然趋势
　　
　　直流供电方案是根据可靠性理论设计的,是可靠性理论的应用。
　　
　　(1)可靠性低下的根本原因-系统功能设计策略的误区
　　
　　实现不停电供电功能的最基本的条件是必须有两路能源,一路主用供电,一路备用供电。主用供电是可能故障掉电的,这是建立UPS供电系统的初衷;备用能源应该是实现不停电连续供电的保障。但是,遗憾的是,传统UPS设计方案并没有给备用电池发挥作用的充分条件,电池并没有直接放在负载的前面为负载“保驾”,而是把它放到了UPS主机设备中,市电掉电时,电池要通过UPS主机设备中最不可靠的环节-DC/AC逆变器向负载供电,如图6.3所示。备用能源供电路径的不可靠是造成传统UPS供电系统可靠性难以有效提高的根本原因。

　　
　　如果把备用能源(电池)直接放在负载前面,市电掉电时由高可靠的备用能源直接给负载供电,那么备用能源不仅可在市电掉电时向负载供电,当市电正常而供电系统发生故障时,也可保证负载的正常运行。如图6.4所示。

　　
　　相对于图6.4与6.3在可靠性方面的差别表现在以下三点:
　　
　　①备用电池与市电+UPS供电系统形成冗余并机系统,高可用的备用电池从根本上隔离了市电和供电系统的故障,可使整个系统的可靠性得到明显地提高;
　　
　　②电池的可靠性得到了充分的发挥。在图6.3中,电池供电的可靠性是电池与UPS输出DC/AC逆变器的串联,而在图6.4中,电池供电的可靠性就等于电池本身的可靠性;
　　
　　③备用电池的可用容量提高10%。
　　
　（未完待续）

【红尘有你】