1.1.3 数据中心不间断安全供电平台

数据中心的供电仿佛人体的血液流动，不能有一刻中断，可靠、不间断的供电系统就是数据中心业务运行的有力保证。对于数据中心，即使供电系统出现几秒钟的故障，也可能会造成硬件设备损坏、重要数据丢失、重要订单无法接发等，严重的还会影响企业的正常运营或造成更大的经济损失。因此，自我保护是当前解决电力供应问题的现实之举，而UPS能够有效地解决停电事故、电力故障、质量不稳定的问题，构筑高可靠的电源解决方案已经被越来越多的行业用户所关注和重视。

随着行业的发展和网络的应用，越来越多的大型数据中心供电系统需要大功率UPS系统的全力保护。大型UPS系统，已经不仅是单纯的在停电后继续向负载供电的整机产品，而是成为一个小型的或者说局部的高度可靠、性能齐全、高度智能化的供电中心，能够对整个数据中心中的硬件设备、运行程序和数据及数据的传输途径进行全面的保护，为此对UPS的可靠性、安全性、可用性及适应性等方面均提出了较高的要求。

1.数据中心供电环境对UPS的要求

作为电网与负载的中间环节，UPS不仅要适应当地电网环境，而且在运行中不能对电网产生不良影响。根据研究表明，每台用电设备平均每月受到雷击、浪涌、低压、噪声或断电等电源问题侵害多达120次，如果不能及时地将处在电力故障状态下的系统安全关闭，那么系统将会全部瘫痪，系统的数据也将有丢失的危险。由于服务器、交换机、数据通信处理系统等设备对交流供电系统提出了不间断和高可靠性的要求，所以在UPS供电系统的工程设计中，应根据负载的特性、供电环境来选择UPS和设计其供电系统。UPS的功能可概括为以下3点。

① 当市电断电时，不间断地向负载继续供电。

② 要具有全面改善供电质量的功能。

③ 当供电系统有故障时，能给负载以全面的保护。

UPS对电网的适应能力是指UPS必须能在当地电网条件下正常运行，并且不对电网产生不良影响。这方面的性能指标包括以下几个。

① 允许电网电压变化的范围。

② UPS输入功率因数。

③ UPS输入电流的谐波成分。

④ 允许电网电压频率变化的范围。

⑤ 允许电网的不平衡度（三相）和波形失真度。

上面的第①、④、⑤项是要求UPS能适应电网环境，第②、③项则要求UPS不干扰和破坏电网。一台UPS对电网的适应能力主要指电网电压变化的范围、频率变化范围、波形失真和各种干扰情况下的运行能力。根据我国电网的情况，允许电网电压变化的范围一般应做到±25%，而且我国电网电压频率也存在着不稳定的因素，UPS必须在50Hz±5%范围内能正常运行。特别是UPS输入端供电变压器的波形畸变和干扰也是很复杂的，为此UPS的输入端要有较强的滤波和抗干扰功能。

UPS对电网环境适应的能力还包括与柴油发电机组配置时的适应能力，要考查的性能指标有输入电压允许变化范围、输入功率因数和UPS双向抗干扰能力。输入电压允许变化范围小时，会使UPS频繁进入蓄电池供电状态。输入功率因数小时，意味着输入存在较大的非线性电流成分，这不仅会破坏电网环境，还会导致供电设备及传输的容量增大，浪费电能。双向抗干扰能力包括能抑制电网中存在的各种干扰和反向对电网形成的干扰。

2.绿色UPS供电系统的三大要素

在巨大的市场需求驱动下，数据中心的建设正以前所未有的速度蓬勃发展，而能源消耗的增加和能源价格的上升，则是目前所有数据中心运营必须面临的挑战。作为数据中心的基础能源设施，UPS供电系统的正确选择，对构建一个绿色数据中心起着至关重要的作用。

（1）输入功率因数

输入功率因数是电力系统的一个重要的技术指标，是衡量电气设备利用率高低的一个指标。UPS输入功率因数是畸变因子和相移因子的乘积。因此，输入功率因数的改善往往与输入谐波畸变的治理同时进行。

UPS对负载来说是电源设备，但从电网侧来看，UPS则是电网的一个负载，其输入功率因数的大小会对UPS电源侧的变压器、柴油发电机、保护开关、输入线缆的选型产生直接影响。输入功率因数的增大，减小了供电线路中的电流，减小了供电系统中电气设备（如变压器、保护装置、导线等）的容量，所以不但减小了系统的无功损耗，而且减少了设备的投资费用，节约了电力资源。

一台UPS的输入功率因数取决于其所采用的整流技术，不同的整流技术体现出不同的输入功率因数，而且其特性也不尽相同。目前UPS的整流技术大体上可以分为两种：一种是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）高频整流，另一种是晶闸管整流。IGBT高频整流通过高频调制可以准确跟踪输入电压、电流的波形和相位，因而具有非常好的输入特性，通常输入功率因数为0.99，输入电流总谐波畸变率（THDi）小于3%，而且输入特性在各种工况下变化很小。晶闸管整流属于工频整流，如6脉冲整流和12脉冲整流，其输入特性随工况的不同会有较大的改变。其主要影响表现在两个方面：①负载率越高输入功率因数越大；②蓄电池充电对输入功率因数有影响。

晶闸管整流时，输入功率因数的相移因子cosφ与整流后的直流电压与输入交流电压的比值成正比。当直流母线电压较高时，UPS输入功率因数就比较大；当直流母线电压较低时，UPS输入功率因数就比较小。当蓄电池放电时，因放电后蓄电池端电压很低，UPS必须调低其直流母线的电压，以便将蓄电池充电电流控制在允许的范围之内，其结果是致使UPS输入功率因数减小非常多。而当蓄电池充电时，UPS输入功率是负载功率和蓄电池充电功率的总和，这是UPS输入功率因数最大的时候。这将直接影响UPS电源侧配电设备的选型。

综上所述，考核一台UPS输入功率因数的优劣，应该关注以下两个方面。

① 常用负载率下的输入功率因数。例如，60%～ 80%负载率时的输入功率因数比100%负载率时的输入功率因数更具有参考价值。

② 如果UPS采用晶闸管整流，那么蓄电池充电时的输入功率因数是电源侧配电及保护设备的重要选型参数。

（2）输入电流总谐波畸变率

谐波产生的根本原因是非线性负载从电网吸收非正弦电流，结果使其波形产生畸变。谐波是电力系统的噪声污染，除造成系统干扰外，也对系统的节能减耗造成很大影响。例如，谐波电流不仅被线缆阻抗吸收造成电能损失，而且高频率的谐波加重线缆的集肤效应，进而使铜损增加；严重时会使温度升高，造成导线绝缘损坏。在有谐波的电网中，高次谐波电流直接反馈给发电机，在发电机的绕组中引起感应电流，使之发热产生损耗，导致输出功率降低。同时谐波电流造成设备自身和电网的附加无功电能，影响设备运行及寿命。

目前采用的UPS输入谐波抑制技术有：无源滤波、有源滤波、12脉冲整流、IGBT整流技术等。每种滤波技术各有其特点。

① 无源滤波。无源滤波采用电感和电容组成谐振滤波器吸收某些特定的谐波电流，常用的有5、7次谐振滤波器，5、7、11、13次谐振滤波器等。其优点是简单、控制方式较易实现、成本低、技术成熟。其缺点是只能抑制固定频率的谐波，其滤波特性受系统阻抗和负载率影响，易与系统发生并联谐振导致谐波放大而使LC滤波器因过载而烧毁。

② 有源滤波。有源滤波应用电流反馈技术使输入端电流波形跟踪交流输入电压波形，由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而抑制电网中的谐波电流含量。其优点是可动态跟踪负载并滤除系统中的谐波，不会给系统带来谐振，可补偿各次谐波，滤波范围大。其缺点是自身会消耗3%～5%的系统能量。

③12脉冲整流。12脉冲整流采用移相变压器组成6脉冲倍数的整流器，减少谐波电流总量。其优点是不需要滤波电容，对备用发电机的调节无影响。最新技术的12脉冲整流可以将谐波电流抑制至4.5%。其缺点是输入功率因数比有源滤波稍小，只能达到0.93左右。

④12脉冲+11次滤波。12脉冲+11次滤波是目前较为流行的一种配置方法，可以将输入功率因数增大至0.95左右。但同时也增加了滤波电容这一故障易发点。

⑤IGBT整流。IGBT数字化整流将整流与输入功率因数校正功能相结合，利用IGBT的优良特性，通过DSP控制技术，达到输入电压、电流完全同相位正弦化，从而达到消除谐波的目的。其优点是体积、重量小，输入功率因数接近1，总谐波含量小于3%，整机效率高。其缺点是器件要求较高，控制技术复杂。

谐波治理中应该关注的两个问题如下。

① 系统谐波治理与系统效率的平衡问题。滤波装置的加入不可避免地带来效率的损失，例如，一台UPS增加无源滤波器后，其效率下降0.5%～1%，增加有源滤波器后效率下降3%～5%。因此，有必要考虑增加滤波器后，谐波抑制带来的益处是否可以补偿UPS效率下降的后果，对小总谐波畸变率的过度片面追求可能最终造成资源的浪费。

② THDi指标的正确使用。通常UPS厂家给出的THDi指标是在满载时得到的，UPS的输入电流总谐波畸变率会随负载率的降低而增大。对于一个电源系统来说，UPS谐波电流是否满足系统的要求，取决于其最大谐波电流的绝对值，而不是相对值。在关注不同负载率下的THDi的同时，也应该关注不同负载率下谐波电流的绝对值。例如，UPS系统要求满载时THDi小于5%是合理的，但如果同时要求在30%负载时，THDi也小于5%，则是不科学、不合理的。

（3）效率

UPS是常年不间断运行设备，所以UPS的整机效率是直接节能的因素。效率每提高一个百分点，每年运行下来的节能效果就非常可观。以一台400kVA的UPS运行一年为例，若UPS系统效率为0.94，则每年耗电量为400kVA×0.9（负载功率因数）×24（h）×365（d）/0.94=3354894kWh。

若UPS系统效率为0.93，则每年耗电量为400kVA×0.9（负载功率因数）×24（h）×365 （d）/0.93=3390967kWh。

效率每提高1%，UPS每年节电为3390967-3354894=36073kWh。同时，若以3∶1的能效比来考虑，则空调系统会因此节电36073/3=12024kWh。

① UPS的效率与UPS的负载率紧密相关。当负载率为50%～75%时，可获得最高的系统效率；当负载率低于40%时，UPS的效率有较大的下降。因此，根据实际负载的大小，合理选择UPS的容量是UPS系统节能的首要工作。

②关注系统效率。UPS系统效率，不仅指UPS主机本身的效率，还应该包括其辅助设备，如为抑制谐波而增加的输入滤波装置、为形成独立的供电系统而增加的隔离变压器等。这些辅助设备均有能耗，应计入系统效率。

各种UPS由于拓扑结构不同或采用的技术不同，在配置上有很大的差别。例如，采用IGBT整流的UPS，不需要增加任何滤波装置，就可满足系统对输入功率因数和输入电流总谐波畸变率的要求。而6脉冲整流的UPS必须增加有源或无源滤波器，才能满足系统的要求。因此，不能片面地比较这两台UPS主机的效率，而应该将滤波器对效率的影响计入后进行比较。同理，在系统需要隔离时，应该将高频机（无输出变压器）的效率减去变压器的能耗后，再与工频机（有输出变压器）的效率比较。

③ UPS系统节能管理功能。除了UPS电源本身的效率外，另外一个影响UPS系统运行效率的因素是UPS是否具有节能管理功能。

增加系统的冗余度，可提高系统可靠性；而冗余度的增加使系统的负载率下降，从而导致UPS系统效率的下降。目前大型数据中心采用的TIER4标准设计的双总线3+1或4+1UPS供电系统，其系统效率下降严重，是今后亟待解决的问题。

最为行之有效的解决方案是采用UPS休眠功能，类似的功能已经在通信电源中成功应用多年。具有休眠功能的UPS系统，可以根据负载的大小，自动调节系统中UPS运行的数量，在保证可靠性的前提下，让多余的UPS进入休眠状态，从而提高系统的负载率，达到提高系统运行效率的目的。

例如，一套按照TIER4标准设计、采用（4+1）500kVAUPS并联的双总线系统。整个系统合理负载容量为（60%～80%）×2000kVA，按较大负载容量80%计算，系统负载容量为1600kVA，则正常运行时，每个单系统的负载容量为800kVA。此时，每个单系统实际运行在2+3冗余模式下。单系统负载率为800kVA/5×500kVA=32%。此时，UPS效率约为90%，系统总损耗为1600kVA×0.9（负载功率因数）×（1-90%）=144kW。启动休眠功能后，每个单系统中两台UPS进入休眠，单系统成为2+1，可靠性符合设计要求。单系统负载率为800kVA/3×500kVA=53%。此时，UPS效率为93.5%，系统总损耗为1600kVA× 0.9（负载功率因数）×（1-93.5%）=93.6kW。同比节能35%。

绿色UPS意味着节能，环境污染小，占地面积小，投资少，运行费用低。其中，UPS的输入功率因数、输入电流总谐波畸变率、效率，作为关键的“绿色”指标，更应在UPS及其系统设计时予以正确理解和慎重选择。

早期应用于数据中心的UPS供电方案多为单机方案或UPS串联方案，均存在输出单点故障瓶颈问题。数据中心随着业务的飞速发展，对业务的重要性和可用性要求逐渐提高。过去对供电系统的可用性要求为99.9%～99.999%，采用的方案为单机UPS工作、串联UPS工作、N+1并联工作。对于99.9%～99.999%的可用性，年平均的不可用时间为8.76h～5.3min，显然这种故障时间不能达到当前IDC等数据中心的要求。为了提高数据中心的可用性，必须提高UPS供电的可靠性，彻底提高UPS供电系统的可用性。

美国IDC的研究表明，在UPS供电中，影响供电可靠性的最大因素在于输出侧的配电系统，包括开关跳闸、熔丝烧毁、电路短路等供电回路故障：79%为UPS输出与负载之间的供电线路上的故障（熔丝烧毁、断路器跳闸、负载短路、开路等故障），11%来源于UPS和蓄电池，其他故障占10%。

现如今，为了解决配电回路的故障，就要将服务器等设备的电源配置成N+X冗余电源系统，如采用1+1电源模块。服务器的电源冗余一般配备双份或多份支持热插拔的电源。正常工作时，每个电源平均输出一部分功率，从而使每台电源都处于轻松的负荷状态，这样有利于电源稳定工作。若其中一台发生故障，则另外几台就会在没有任何影响的情况下接替工作，并通过灯光或声音报警。此时，可以在不关闭系统的前提下更换损坏的电源，所以采用热插拔冗余电源可以避免系统因电源损坏而产生的停机现象。

为配合服务器电源的配置，最佳数据中心的供电方案应该采用双路UPS组成的双母线供电系统，彻底解决供电回路单点故障瓶颈。显然，这种双路UPS组成的双母线供电系统，与服务器等设备的双路冗余电源实现最佳配合，同时彻底解决了供电的79%的故障概率问题。此外，双路UPS组成的双母线供电系统，实现了系统可以在线扩容、在线维护等要求。

对于网络交换机等单电源设备，采用静态转换开关（STS）供电，当一路UPS或回路发生故障时，STS无缝转换到另外一路UPS供电回路上，同样为单电源设备提供了双路的电源供应。在大型数据中心中，为确保可用性要求达到99.99999%，采用从市电输入到负载输入之间所有回路/设备的完全冗余工作。

UPS供电系统的方案设计应围绕提高系统的安全性，供电一体化设计结构合理并具有扩充功能。最佳数据中心的供电方案应该采用双路UPS组成的双母线供电系统，彻底解决供电回路单点故障瓶颈，能适用于绝大多数数据中心。