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浅析数据中心不间断电源系统架构演进!
来源:www.fzyzdz.com 发布时间:2020年12月31日
   一个典型的数据中心供电系统,由中压配电、变压器、低压配电、不间断电源(Uninterruptible power supply,UPS)、末端配电以及发电机等设备组成,其中,UPS的主要作用,是在市电电源中断、发电机启动之前,确保所带的负载持续供电,因此,UPS系统包含了储能设备,如蓄电池或飞轮;此外,传统UPS还具有隔离市电侧浪涌、电压骤升骤降等作用。
   

不间断电源


   UPS系统是数据中心供电连续性的重要保障,UPS系统的靠谱性直接影响数据中心的靠谱性,同时,在绝大多数数据中心,UPS系统的损耗可占IT设备能耗的10%以上。因此,提高UPS系统的靠谱性,同时降低其损耗,就成为数据中心UPS系统架构演变的主旋律。
   
   一、传统UPS供电系统
   
   目前,数据中心内应用广的不间断电源还是传统UPS,它主要由整流AC-DC、逆变DC-AC和静态旁路3部分电路组成,DC母线上挂接蓄电池,输入AC正常时,经整流和逆变两次转换后为负载供电,同时为蓄电池浮充,输入AC中断时,蓄电池由浮充转放电,经逆变器为负载供电,对负载来说,感受不到输入端电源的中断。
   
   1.1UPS设备的发展
   
   从结构上看,UPS设备可以分为后备式、在线互动式、双转换在线式、Delta 转换在线式等类型,其中前两种主要用于小容量负载(≤5kVA),Delta转换在线式技术受保护,因此,大型数据中心主要采用双转换在线式UPS设备。
   
   传统的双转换在线式UPS设备采用可控硅整流,主要的问题是谐波电流畸变率(THDi)高(10-30%),转换效率低(85-92%)。
   
   随着电力电子器件的发展,呈现出IGBT取代可控硅整流的趋势,IGBT整流的优势是取消变压器,因而降低了成本,同时有比较好的输入特性,在较宽的负载范围内,可以将THDi控制在5-10%之间,较大的好处是效率的提升,通常在87-95%之间。目前,IGBT整流型UPS的靠谱性比可控硅整流型略低。
   
   1.2UPS系统的发展
   
   由于UPS设备结构复杂,因此自身容易发生故障,设备冗余可以提高可用性,UPS系统便有了N、N+X、2N、”市电+U电“等架构。
   
   N系统满足基本需求,没有冗余的UPS设备。它的优点是系统简单,硬件配置成本低廉;由于UPS工作在设计满负荷条件下,因此效率较高。其缺点是可用性低,当UPS发生故障,负载将转换到旁路供电,无保护电源;在UPS、电池等设备维护期间,负载处于无保护电源状态;存在多个单故障点。
   
   N+X并联冗余系统是指由N+X台型号规格相同且具有并机功能的UPS设备并联组成的系统,配置N台UPS设备,其总容量为系统的基本容量,再配置X台(X=1~N)UPS冗余设备,允许X台设备故障退出检修。相对于“N”系统,“N+X”系统在UPS配置上有了一定的冗余,系统靠谱性有所提高,同时带来了系统配置成本的增加、系统负荷率的降低以及效率降低。N+X系统在成本增加不多的前提下提高了可用性,因此,在数据中心得到了广泛的应用,但是该系统在UPS输出端仍然存在单故障点,实际项目中由此造成的系统宕机屡见不鲜。
   
   为了消除单点故障,高等级数据中心通常采用2N冗余系统。该系统是指由两套或多套UPS系统组成的冗余系统,每套UPS系统N台UPS设备的总容量为系统的基本容量。该系统从交流输入经UPS设备直到双电源输入负载,完全是彼此隔离的两条供电线路,也就是说,在供电的整个路径中的所有环节和设备都是冗余配置的,正常运行时,每套UPS系统仅承担总负荷的一部分。这种多电源系统冗余的供电方式,克服单电源系统存在的单点故障瓶颈,对于少数单电源设备的情况,可通过安装小型STS设备,确保其供电靠谱性。采用2N冗余系统可用性得到明显提高。2N冗余系统的缺点也非常明显,设备配置多、成本高,通常情况下效率比N+X系统更低。
   
   “市电+U电”供电架构由百度提出并在2011年其自建M1数据中心规模应用,它在N+1系统基础上做了改进,UPS设备配置不变,将服务器等双电源设备的其中1路改由市电直接供电,消除了单点故障,靠谱性较N+1系统大大提高,同时,UPS系统的损耗降低为原先的50%。UPS系统整体效率提升至95%以上。