交流输出电压的U/A(简称AG-UPS)供电系统存在的主要问题是如何有效地提高系统的可靠性，可靠性不高是AG-UPS设计理念造成的，而AG-UPS设计理念的结症又可归结为备职能源配置方法问题，备用能源(蓄电池)要经过UPS设备中最薄弱环节——逆变器才能向负载供电，这是造成UPS系统必须经过两次变换能源、系统中存在着负载和UPS本身两个谐波源、系统过于复杂、结构臃肿、成本不断攀升、效率较低、可靠性难以有效提高的根本原因，文中从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：AC—UPS系统结构存在的问题;UPS直流输出的可行性和性能优势以及直流电压输出的UPS(简称DC—UPS)设计和应用中面临的技本难题等。
　　
　　1IT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，这是两个不可改变的事实。为IT设备供电的电源设备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60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的技术进步。图1显示了这个过程。
　　
　　1.120世纪60、70年代
　　
　　如图1(a)所示。此时计算机是由电网(市电)直接供电的，机内电源担负着高压交流电到低压直流电的转换任务，稳压功能以可控整流和线性调节稳压电路为主，70年代才出现开关电源。由于稳压电路结构和当时半导体器件性能限制，线性调节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。
　　
　　1.220世纪70、80年代开始使用UPS设备为计算机供电
　　
　　如图1(b)所示。此时开始为计算机供电系统配置不间断供电设备——UPS。但是由于计算机电源输入端都配置有工频变压器，所以UPS设备只能输出交流。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。
　　
　　1.320世纪80、90年代计算机开关电源去掉了输入变压器
　　
　　如图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，电源技术界开始了一场“20kHz的革命”，无输入变压器的开关电源进入研制和试用阶段，到20世纪80年代末和90年代初，计算机机内电源基本上都使用了无输入变压器的高频开关电源，也就是说，计算机设备是可以由高压交流市电(无需降压)直接供电的，当然也是可以直接用高压直流供电的。
　　
　　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，也就必须输出交流电源。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两级变换和计算机内开关电源的AC/DC→DC/DC两级变换。
　　
　　2AC-UPS供电系统的现状与存在的问题
　　
　　半导体器件和电路技术为AC-UPS的技术进步和体系结构的变革提供了条件，而AC-UPS的现状和存在的问题又促使其必须进行变革。技术的发展有着它自身的发展规律，UPS输出直流化将是一次数据中心供电系统的重大变革。
　　
　　这里讲的AC-UPS供电系统不包括交流输入环节，如图2所示。它由AC/DC转换器、DC/AC逆变器、各级配电柜、滤波器、电池组等设备和环节组成。
　　
　　图2是AC-UPS供电系统的基本结构形式。从它的基本结构可以看出这种系统在有效地提高可靠性、提高运行效率、降低成本、减少污染、标准化和提高适应性等方面存在着不可逾越的困难。
　　
　　2.1AC-UPS供电系统存在的问题
　　
　　(1)系统可用性问题
　　
　　系统复杂、单路径故障点多、设备可靠性差、维护难度大等。
　　
　　(2)系统电流谐波干扰问题
　　
　　系统中存在两个谐波源——负载开关电源和UPS输入AC/DC变换器。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波设备、降低输入功率因数和能源利用率，对零、地线系统提出苛刻的要求等。
　　
　　(3)系统成本和能源消耗问题
　　
　　能源经过两次转换和设备能源利用率较低等降低了系统运行效率、系统复杂性提高了购置成本和运行成本、电流谐波的存在需增大滤波设备、输入功率因数的低下降低了系统设备容量和能源输入的利用率。
　　
　　(4)系统的灵活性和可扩展、变更问题
　　
　　以计划容量一次性投入，难以变更和扩展，缩短了系统生命周期。
　　
　　(5)系统使用维护难度问题
　　
　　要求较高的维护水平，多家供应商且产品非标准化使故障修复困难。
　　
　　2.2AC-UPS系统技术改进和革新重点
　　
　　从当前用户关注的焦点和UPS厂家技术改进的重点来看，要解决的问题和技术措施归纳起来有以下三点：提高系统可用性;解决谐波电流的产生和治理问题;提高系统的适应性。
　　
　　(1)提高系统可用性：包括提高设备可靠性;设备降容使用;对设备采用冗余配置，使其有容错功能;配置模块化UPS，有冗余功能，并大幅度降低故障修复时间;提高设备智能监测和管理功能，便于维护，并可把潜在的故障隐患消除在故障发生之前;采用集成化系统设计，解决系统中各类设备阻抗和连接方式的匹配问题;提高系统运行的可靠性和集中管理问题;最大限度地减少安装和维护过程中的人为错误。
　　
　　(2)抑制系统中谐波电流的产生和治理问题：
　　
　　包括加大线缆特别是零线电缆规格和前端设备(变压器、柴油发电机组、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，PF=0.95，THD≤10%;6脉冲整流前端加有源滤波器，输入电流成正弦波PF=0.99，THD≤5%;输入改为PFC高频整流，PF=0.99，THD≤5%;
　　
　　(3)提高系统的适应性：包括采用模块化设计，使局部系统有扩容功能，减少系统运行初期的设备购置成本和运行成本;采用标准化设计，简化系统设计和建造流程，为系统快速安装和可能的变更、移动、扩容提供可能性。
　　
　　2.3值得思考的问题
　　
　　随着IT技术的进步和对UPS供电系统可用性要求的不断提高，传统的供电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供电系统设计建造模式造成的;系统中存在的问题大多是系统设计不当产生的，包括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，投入成倍的成本搞冗余并机系统，双总线系统，是设备和系统可靠性不高而采取的不得已行为，并非不停电功能的需要;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?
　　
　　3AC-UPS输出直流化变革的理论基础
　　
　　UPS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，也是对可靠性理论的发展。
　　
　　3.1可靠性低下的根本原因系统功能设计策略的误区
　　
　　不间断供电系统实现其功能的最基本的条件是必须有两路能源，一路主供电，一路备用(蓄电池)供电。主供电是可能故障停电的，这是建立UPS供电系统的初衷。备用能源应该是实现不间断供电的根本条件。
　　
　　但是，遗憾的是，AC-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端为负载“保驾”，而是把它放到了UPS主机设备中，市电停电时，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。备用能源供电路径的同样不可靠是造成AC-UPS供电系统不断复杂化、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根本原因。
　　
　　问题出在系统设计方案的指导思想上，如果UPS供电系统故障，则主用能源和备用能源都不能保证继续向负载供电，显然，不停电供电的主角不是主用能源、备用能源，而是两路都必须经过的UPS供电系统。
　　
　　如果把备用能源直接放在负载前端，市电停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停电时向负载供电，当市电正常而UPS供电系统发生故障时，也可保证负载的正常运行。
　　
　　3.2可靠性理论与备用能源的配置
　　
　　保证IT负载连续可靠工作的关键在于主用能源和备用能源的配置方法。在图2UPS供电系统中，两路能源的供电方法如图3所示。
　　
　　保证负载不断电的关键是，当主供电一路能源停电时，另一路备用能源能否不间断而可靠地持续向负载供电。但是图3(a)中，主能源故障后，备用能源(电池组)要经过UPS设备中的DC/AC变换环节才能向负载供电。因此备用能源的可靠性就得不到充分的发挥。备用能源的可靠性模型表示在图3(b)中。
　　
　　根据当前设备的可靠性水平，电池系统的可靠性R1在0.99左右，而UPS逆变器的可靠性只有0.9(UPS整机可靠性可达到0.99，包括了处于冗余并联的静态旁路系统)，根据串联可靠性模型可计算出备用能源供电的可靠性：R=0.99×0.9=0.891但是，如果改变备用电池的配置方法，把备用电池直接接在IT设备的前端，如图4(a)所示，与图3相比，对系统的可靠性带来三点非常明显的变化：
　　
　　(1)备用电池与UPS供电系统形成冗余系统，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，整个系统的可用性可提高2个9到3个9;
　　
　　(2)备用电池的可靠性得到了充分的发挥;
　　
　　(3)备用电池的可用容量提高10%。
　　
　　3.3对“可预见非突发性故障”和“不可预见突发性故障、可靠性”的讨论
　　
　　说备用能源(电池组)可靠性高，是因为它的故障具有“可预见性和非突发性”特点。
　　
　　一个系统中设备可能发生的故障有两种类型：
　　
　　可预见非突发性故障
　　
　　例如电池组，它的故障现象有两个最基本的特点，一是故障现象诸如：电池槽变形、电池漏液、电池容量不足、电池浮充电压均匀性差、排气阀失效等，是直观可见的，或者是很容易被测量到的;二是所有这些故障都有发生过程长、是渐变过程且发生故障不是突发性的特点。对这种类型的设备，通过维护很容易发现故障隐患，也有充裕的时间在不影响运行的情况下排除故障隐患，或者安排计划停电进行维护。
　　
　　不可预见突发性故障
　　
　　例如供电系统中的UPS主机、ATS和STS开关等设备，系统管理和监控只能判定其工作状态，而硬件失效、控制电路板焊点的隐患、系统对控制电路的干扰等，却是不可预见，也很难检测到的，故障发生的时间是不可预测性、随机性和突发性的。对于这种类型的设备，很难在故障前被发现，一但故障发生，必然使系统瘫痪。在可靠性研究中，一个产品的可靠性数据通常是根据产品生命周期内的失效率参数或运行数据统计计算的，而设备在使用维护过程中可能进行的局部更换，则不作为可靠性计算的因素。实际上对只存在可预见非突发性故障的设备，定期的维护并对有故障隐患的部件进行更换，这无异于设备的更新。从可靠性模型的角度看，这相当于在原设备的可靠性基础上冗余并联上一个由维护工作决定的可靠性环节，见图4(b)。
　　
　　3.4对“可预见非突发性故障”和“不可预见突发性故障”可用性的讨论
　　
　　可用性定义为：系统在使用过程中，可以正常使用的时间与总时间之比。
　　
　　可用性用平均无故障工作时间MTBF和平均修复时间MTTR表示：
　　
　　可用性高意味着给用户更多的正常使用时间，把故障后不可用的时间降到最低限度。
　　
　　由于电池具备“可预见非突发性故障”的特点，可使系统从根本上消除或者隔离“突发性故障”。对于电池质量和性能的变化，使用者有充分的时间(例如十天半月)发现它，并在不影响系统正常运行的前提下维护更换，或者安排“计划停电时间”排除故障。这相当于可保持电池常新，把故障停电时间缩短到0，把电池的可用性提高到1。
　　
　　4直流输出电压的选择
　　
　　确定直流输出电压是研制开发直流输出UPS的第一件大事，它关系到设想的方案能否实现，产品是否有使用价值，能否顺利的推广应用。
　　
　　4.1确定直流UPS输出电压的基本
　　
　　原则
　　
　　确定直流UPS输出电压应遵循以下五个原则：
　　
　　(1)原则上不要求IT设备输入开关电源做明显的变化
　　
　　直流UPS的负载是IT设备，推广应用涉及到的问题很多，周期也很长，特别是推广适用的初期，大量的IT设备还是在交流电源输入下运行，为了加快DC-UPS推广应用速度，就必须做到在这种输入电压制式重大变动情况下不对IT设备提出过多变化的要求，也就是说，要尽可能做到现有的IT设备即可在交流电源输入下运行，也可在直流电源输入下运行，而不需要IT设备内开关电源做重大的重新再设计。
　　
　　(2)简化设备结构和系统配置
　　
　　提出用直流UPS替代交流UPS的设计理念始于20世纪90年代，出发点是解决输入电源多次变换的问题，减少变换过程可以有效地提高设备可靠性和节省能源。使用双变换UPS为IT设备供电的变换过程，如图5所示。
　　
　　从图5可以看出，如果使用直流输出UPS(如图中虚线所示)，则可去掉交流输出UPS的DC/AC变换和开关电源输入的AC/DC变换。
　　
　　特别要注意的是，要保证去掉两次变换后，必须使UPS的AC/DC变换输出的直流电压值等于开关电源的DC/DC变换的输入直流电压值。
　　
　　(3)在IT设备允许的输入电压范围内，使电池容量得到充分的利用
　　
　　采用直流UPS供电后，给IT设备开关电源供电的是备用电池，而电池电压是不稳定的，市电正常时，UPS输出的是电池的浮充电压，而市电中断后，电池开始对负载供电，电池电压在15%的备用时间内由浮充值降到额定值，在70%的备用时间后再到放电下限值，电压变化范围基本上是电池额定电压的±11.25%。为了充分发挥电池的能量利用率，就要求负载允许的输入电压范围必须大于电池电压的变化范围，反之，为了使负载开关电源工作在最佳状态下，在负载开关电源输入电压范围大于电池电压变化范围的前提下，应使电池额定电压等于负载开关电源输入电压的设计额定值。
　　
　　(4)最终由电池电压决定输出电压的额定值
　　
　　电池电压是12V的倍数，市电正常时，UPS输出给负载供电的同时要给电池浮充，为了确保电池处在最佳工作状态，UPS输出电压的确切值应等于电池组电压的浮充值，并且要有较高的精度。
　　
　　(5)节能与安全
　　
　　提高电压可提高效率，有利于节能，而电压过高时应考虑元器件承受能力。
　　
　　4.2输出电压值的确定
　　
　　根据上面讲的第一个原则，为了使IT设备开关电源同时兼容交流和直流两种输入，就必须设计直流UPS的电池额定电压等于开关电源交流输入AC/DC变换后的直流母线电压，图6所示是当前IT设备开关电源的直流母线电压。
　　
　　根据我国电网电压制式，交流单相电压是220V，而当前IT设备开关电源的输入AC/DC变换有两两种情况：
　　
　　一是PFC电路，直流母线电压是380V左右，见图6(a);
　　
　　另一种是简单的整流变换，直流母线电压在300V左右，见图6(b)。
　　
　　如果把电池额定电压设定为直流母线电压，则电池额定电压为300V和380V，与此对应的直流UPS输出电压为电池浮充电压，即334V(即300×1.1125)和422.7V(即380×1.1125)。
　　
　　但跨接在直流母线上的电容的工作电压不宜超过400V，所以设计电池额定电压为380V显然是不合适的，所以380V应视为电池的浮充电压，相应的电池额定电压则为336V。
　　
　　根据第三个原则，既然电池电压的变化范围是额定值的±11.25%，就要求IT负载开关电源的DC/DC变换器允许的输入电压变化范围大于额定值的±11.25%，即300V±11.25%和336±11.25%。对应DC-UPS输出电压为334V和374V。
　　
　　根据第四个原则，电池额定电压300V的电池组由25节12V电池串联组成，电池额定电压336V的电池组由28节12V电池串联组成，浮充电压是373.8V。
　　
　　根据以上分析，电压选择的结论如表1所示。
　　
　　4.3全球企业和研究团体对直流电压选择的情况
　　
　　直流输出UPS的研究已经在全球范围内展开，从图7可以看出从事直流输出UPS开发研究的地区、单位和他们选择的直流输出电压情况。
　　
　　5直流UPS供电系统设计
　　
　　UPS设备输出直流化同样不是简单地提供一个单台AC/DC电源就可以解决的问题，仍然需要从系统的角度做全面的规划设计。
　　
　　(1)产品定位：要从整个供电系统角度规划设计UPS供电方案，要考虑的问题包括成本、可靠性、可用性、能源效率、技术可行性，特别是要依据系统模块化原则，做集成一体化系统解决方案设计，而不是一个简单的AC/DC模块化直流电源设备。
　　
　　(2)整个研制工作和要解决的技术难题都应在供电系统中解决，不对或尽可能少对IT厂商和用户提出过多的技术性要求，这对今后产品的顺利和迅速推广应用是至关重要的。
　　
　　(3)系统方案要把提高可靠性作为第一要求，供电方案设计的关键是备用电池直接对IT负载供电，并使后备电池电压等于IT设备开关电源直流母线电压。以便充分发挥电池可预见非突发性故障的特征，彻底隔离市电和供电系统故障对负载的影响，如果选用的备用电池电压不等于IT设备开关电源直流母线电压，会造成以下几种不良后果：
　　
　　①开关电源电路不能工作在最佳输入电压状态下，会明显地影响其可靠性和工作寿命;
　　
　　②或者对开关电源针对新的输入电压值重新设计;
　　
　　③对较低的电池电压增加一级DC/DC变换，其结果是失去直流供电提高可用性的初衷;
　　
　　④在电池电压小于开关电源直流母线电压的情况下，一旦市电停电，在电池放电的过程中，电池电压会很快地脱离开关电源允许的输入电压下限范围，IT设备因欠压报警或关机，使电池容量得不到充分的发挥。
　　
　　(4)尽可能减少电源转换级数，降低系统复杂性，提高设备可靠性和系统工作效率。单相交流输入电压为220V，简单的全波整流后的直流电压是300V，PFC整流后的直流电压是380V，如果直流UPS输出电压不是这两个值，那末在AC/DC变换后必然还要加一级DC/DC变换。
　　
　　(5)要重视高压直流配电问题。直流UPS的输出配电和IT设备开关电源的输入开关和继电保护都必须采用专为直流电路设计的器件。
　　
　　(6)UPS的直流化变革有一个较长的过渡时期，在此期间两种输出制式的UPS是共存的，所以在确定直流UPS输出电压和配电方案时，要尽可能做到负载对两种制式的兼容。
　　
　　(7)研制和应用初期是定制化产品，最终要归结到标准化产品。
　　
　　图8是中达电通股份有限公司根据DC-UPS基本配置原理开发的数据中心HD-1系列DC-UPS供电系统。图8(a)为系统结构图，这是一个集成一体化产品，包含交流输入系统、AC-DC系统、直流配电系统、机架PDU配电、系统管理等组成。图8(b)为产品的外形物理结构。系统部件、连接和系统管理等，具备其标准化和模块化。
　　
　　①交流输入冗余系统
　　
　　交流输入部分配置了两路交流能源：主用能源市电和备用能源柴油发电机。两路能源冗余备份，并通过ATS进行转换，可同时满足高密度数据中心制冷系统的要求。
　　
　　②DC-UPS系统
　　
　　DC-UPS系统并不是一台简单的AC/DC模块电源。这里包括了AC/DC模块电源的输入配电、输出配电以及输入电压适配和系统隔离变压器。AC/DC系统的配置：AC/DC系统主要由监控模块、电池总开关、模块输出分路开关、整流模块、输入交流配电与输出直流配电等。
　　
　　系统配置功能包括:
　　
　　·单系统模块冗余并机功能:单系统可安装9个模块,实现8+1冗余并机功能;
　　
　　·多机并联工作功能:可以实现多个单系统并联,目前单个DSP支持32个功率模块,使整个系统可以扩容到960kw,同时可以使各个模块的均衡度在±5%以内;可以满足大、中、小型数据中心不同容量的需求;
　　
　　·模块热插拔功能:AC/DC系统具有多处可热插拔的模块,功率模块、监视模块、熔丝隔离开关都可以实现在线快速更换;
　　
　　·人性化界面:采用大型屏幕设计,中文界面,树型菜单结构,操作简单方便;
　　
　　·蓄电池配置:可以两组电池分别接入,方便实现电池故障更换和互备功能。
　　
　　③直流输出配电
　　
　　图9为直流配电示意图,由输出总配电柜、列头柜和机架PDU三部分组成。
　　
　　·输出总配电柜:每系统一个;输入不设开关;输出多路,每路可向10个列头柜供电;每路输出配置开关和保险;
　　
　　·列头柜:输入不设开关和保险;输出10路,每路设开关和保险;可向10个机架供电;每路输出32A;每个开关(熔断保险)32A;
　　
　　·机架PDU:每个机架1个(负载单路供电);每个机架2个(负载双路供电,来自不同的直流冗余配电系统);每个输出24个插座;每个插座2A熔断保险;每个插座开关规格5A;
　　
　　6直流UPS供电系统的展望
　　
　　当前IT设备机内普遍配置的开关电源,该设备的基本功能和性能指标是:
　　
　　(1)输入电源:AC220V/380V,50Hz(在数据中心系统中通常是由传统交流输出UPS提供的);
　　
　　(2)允许输入电压范围:±(20%～25%);
　　
　　(3)输出电压:DC12V,IT组件(不包括部分台式机及某些工作站)所需要的5V/3.3V等DC/DC转换电路环节通常不包括在开关电源中;
　　
　　(4)体积小,重量轻,容量/体积比可达到20W立方英寸左右,例如某机功率3kw(12V/250A),尺寸:400×130×42.4mm3;
　　
　　(5)效率高,在20%/50%/100%负载的情况下,效率可分别达到90%/94%/91%;
　　
　　(6)输入功率因数高,在50%～100%负载情况下,输入功率因数可达到0.98;
　　
　　(7)输出可均流并联,直流输出均流并机简单易行;
　　
　　(8)该设备在可靠性、电磁兼容性及输出电性能指标等方面都表现出良好的性能;
　　
　　从以上数据可以看出,当前开关电源的各种电性能指标(包括输入电压和允许变化范围、输出电压稳定精度、工作效率、电磁兼容性能等)和系统配置能力(包括体积和重量、输入功率因数和谐波成分、输出均流并机和容量扩充能力等)都完全满足数据中心IT设备对供电的要求,如果以开关电源为核心,并在12V输出端配置相应电压和容量的备用电池,那么这实际上就是一种新的低压输出的直流UPS。
　　
　　这种新的供电系统结构设想实际上又回到最初的计算机供电系统结构,如本文图1(a)(20世纪60、70年代计算机设备供电)所示。其变化情况表示在图10中。
　　
　　其变化包括：
　　
　　①用高性能的现代的开关电源取代由输入变压器和可控整流(或线性稳压器)组成的AC/DC稳压供电系统;
　　
　　②输出由多组低压改为一组12V;
　　
　　③在12V输出端配置备用电池，完成不间断供电(UPS)功能;于是就形成了如图11所示的低压直流UPS系统。该系统有很多新的特点和优势：
　　
　　·能源AC/DC和DC/DC两次转换(原IT设备内开关电源);
　　
　　·电池直接对IT设备供电，充分发挥电池可预见非突发性故障的特点，系统可用性接近1;
　　
　　·由3kW的开关电源模块组成冗余系统，容量可达3～20kW;
　　
　　·系统简单，AC-UPS供电系统只剩下配电和线缆，成本低，成本可降低90%;
　　
　　·效率高，由PUE定义的供电系统(不包括IT设备内部开关电源)只需要配电和线缆，效率可提高到99%;
　　
　　·系统中没有直流配电问题;
　　
　　·IT设备中不再有热量集中的可靠性相对较低的高压大功率开关电源;值得注意的是，由于低压大电流配电传输的困难，低压直流UPS只能以IT设备机架为单元供电，在系统配置和维护工作方面还有很多有待研究的问题
　　
　　编辑：Harris