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每日安全资讯TB：数据中心UPS不间断电源系统架构介绍


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、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 。
【每日安全资讯TB：数据中心UPS不间断电源系统架构介绍】UPS系统是数据中心供电连续性的重要保障 ， UPS系统的可靠性直接影响数据中心的可靠性 ， 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系统的可靠性 ， 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 。
1.?传统UPS供电系统
目前 ， 数据中心内应用最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 。
UPS设备的分类
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转换在线式技术受专利保护 ， 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 ， 最大的好处是效率的提升 ， 通常在87-95%之间 。 目前 ， IGBT整流型UPS的可靠性比可控硅整流型略低 。
UPS冗余设计
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 ， 系统可靠性有所提高 ， 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 。
2N ， 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 ， 保证其供电可靠性 。 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 。


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