數(shù)據(jù)中心機(jī)房的UPS電源選型

西安醫(yī)學(xué)院圖書館 張小霞

1.引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的日新月異，不同類型的UPS系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，其特性也千差萬別。UPS系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的電源保障，無疑對(duì)數(shù)據(jù)安全起著至關(guān)重要的作用。通常，人們普遍熟知的只有后備式UPS和在線式UPS兩種類型。對(duì)其它類型的UPS相知甚少。

2.數(shù)據(jù)中心部署UPS的必要性

2.1 UPS的概念

UPS（Uninterruptible Power Supply），不斷電電源供應(yīng)器，它可以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在停電之后繼續(xù)工作一段時(shí)間以使用戶能夠緊急存盤，不致因停電而影響工作或丟失數(shù)據(jù)。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供電可靠性已經(jīng)成為關(guān)鍵，而機(jī)房的可靠供電又是重中之重，UPS就是為了解決不間斷供電而設(shè)置的。UPS的三大基本功能：穩(wěn)壓、濾波和不可間斷。在市電供電時(shí)，它是穩(wěn)壓器和濾波器的作用，以消除或削弱市電的干擾，保證設(shè)備正常的工作[1]。

2.2 斷電對(duì)數(shù)據(jù)中心設(shè)備的危害

可能由于閃電原因?qū)е庐?dāng)?shù)氐淖儔浩鞒霈F(xiàn)故障，或者市電的電網(wǎng)供電中斷，這時(shí)必須采取某些措施來保護(hù)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)，以防止它們受到硬關(guān)機(jī)的損害，或者由于驟然斷電導(dǎo)致硬盤的損傷。在發(fā)生長時(shí)間斷電時(shí)，造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)的一個(gè)可能的原因是應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時(shí)被異常中止。這不僅會(huì)給動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)、文檔或者關(guān)鍵的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如文件分配表）造成影響。而當(dāng)電力恢復(fù)時(shí)，由于操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序會(huì)試圖重建出錯(cuò)的表或執(zhí)行其他恢復(fù)操作，直接導(dǎo)致系統(tǒng)的“恢復(fù)時(shí)間”延長。

3.UPS電源系統(tǒng)的類型及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 后備式UPS

個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常采用后備式UPS。

這種類型的UPS電源系統(tǒng)，電池到交流電源的轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)置為選擇濾波后的交流輸入作為主電源，一旦主電源出現(xiàn)故障，就會(huì)切換到電池/逆變器作為備用電源。一旦發(fā)生這種情況，轉(zhuǎn)換開關(guān)必須進(jìn)行操作，將負(fù)載切換到電池/逆變器備用電源上。逆變器只在電源出現(xiàn)故障時(shí)才啟動(dòng)，因此稱作“后備式”。

這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高、尺寸小和成本低。如果采用適宜的濾波電路和浪涌保護(hù)電路，這些系統(tǒng)還可以提供適當(dāng)?shù)脑肼曔^濾和浪涌抑制功能。

3.2 在線互動(dòng)式UPS

小型企業(yè)、網(wǎng)站、部門服務(wù)器大多采用線互動(dòng)式UPS。

這種類型的UPS電源系統(tǒng)，電池到交流電源的轉(zhuǎn)換器（逆變器）始終連接到UPS的輸出端。如果在輸入交流電源正常時(shí)反向操作逆變器，就會(huì)給電池充電。一旦輸入電源出現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)換開關(guān)就會(huì)打開，并通過電池向UPS輸出端供電[2]。

與后備式UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，由于逆變器始終打開且與輸出端保持連接，這種設(shè)計(jì)進(jìn)一步增強(qiáng)了濾波效果，并降低了轉(zhuǎn)換瞬態(tài)過電壓。

3.3 后備式-鐵磁共振式UPS

在先前，功率范圍3-15 kVA的應(yīng)用領(lǐng)域中，后備式-鐵磁共振式UPS使用最廣泛的，但現(xiàn)在已不在普片使用。

這種后備式-鐵磁共振式UPS設(shè)計(jì)依賴于一個(gè)特殊的飽和變壓器，該變壓器具有三個(gè)線圈（電源連接）。主電源路徑通過交流輸入電源、轉(zhuǎn)換開關(guān)和變壓器，最后連接輸出端。當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)將打開，逆變器輸出將向負(fù)載供電。

后備式-鐵磁共振式UPS系統(tǒng)不再普遍使用，主要原因是在承載現(xiàn)代計(jì)算機(jī)電源負(fù)載時(shí)，這種系統(tǒng)很不穩(wěn)定。所有大型服務(wù)器和路由器均使用“功率因數(shù)校正”電源，這類電源從市電中只獲取正弦電流（非常類似于白熾燈泡）。獲取這種平穩(wěn)電流是通過電容器（“獲得”適用電壓的設(shè)備）實(shí)現(xiàn)的，鐵磁共振UPS系統(tǒng)采用重型的鐵芯變壓器，這些變壓器具有電感式特性，即電流“滯后于”電壓[3]。這兩種裝置組合起來就形成了“儲(chǔ)能”電路。儲(chǔ)能電路中的共振可能會(huì)產(chǎn)生高電流，而這種電流會(huì)危及所連接的負(fù)載的安全。

3.4 雙轉(zhuǎn)換在線式UPS

1OkVA以上功率范圍的電源最常用的UPS類型。

雙轉(zhuǎn)換在線式UPS的結(jié)構(gòu)圖中，除了主電源路徑是逆變器（而非交流主電源）外，其余與后備式設(shè)計(jì)相同。在雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計(jì)中，輸入交流電發(fā)生故障并不會(huì)激活轉(zhuǎn)換開關(guān)，因?yàn)檩斎虢涣麟娨恢痹诮o備用電池充電，而由備用電池向輸出逆變器供電。所以，在輸入交流電源出現(xiàn)故障時(shí)，無需時(shí)間進(jìn)行在線運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在這一設(shè)計(jì)中，整流器和逆變器將轉(zhuǎn)換全部的負(fù)載功率。

這種UPS提供了非常理想的供電輸出性能。但功率部件的持續(xù)工作，與其它設(shè)計(jì)方案相比，其降低了可靠性。此外，大型電池充電器獲得的輸入電源通常是非線性的，可能對(duì)建筑供電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或?qū)е聜溆冒l(fā)電機(jī)發(fā)生故。

3.5 Delta轉(zhuǎn)換在線式UPS

這種UPS設(shè)計(jì)是一種較新的設(shè)計(jì)，這種十年前引入的技術(shù)，它克服了雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，適用于功率范圍5kVA到1.6MW的應(yīng)用領(lǐng)域。

與雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計(jì)相似，Delta轉(zhuǎn)換在線式UPS始終由逆變器提供負(fù)載電壓。然而，附加的Delta轉(zhuǎn)換器也向逆變器輸出供電。在交流電源出現(xiàn)故障或受到干擾的情況下，這種設(shè)計(jì)所表現(xiàn)出的行為

與雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計(jì)完全相同。

在Delta轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計(jì)中，Delta轉(zhuǎn)換器具有雙重作用。第一個(gè)作用是控制輸入電力特性。運(yùn)行時(shí)，它的輸入端獲取的電力呈正弦波形，從而最大程度地減少反饋到市電上的諧波。這就確保了市電和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的兼容性，同時(shí)減少了配電系統(tǒng)中的發(fā)熱和系統(tǒng)損耗[4]。Delta轉(zhuǎn)換器的第二個(gè)作用是控制輸入電流來為電池系統(tǒng)充電提供控制。

Delta轉(zhuǎn)換在線式技術(shù)是目前唯一一種受專利保護(hù)的核心UPS技術(shù)，因此大量的UPS供應(yīng)商還無法應(yīng)用該技術(shù)。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，與雙轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)相比，Delta轉(zhuǎn)換器使得UPS能夠以高得多的效率向負(fù)載供電。

4.數(shù)據(jù)中心各種類型UPS特征對(duì)比

目前業(yè)內(nèi)的UPS產(chǎn)品逐漸包括上述各種類型的設(shè)計(jì)，不同UPS類型具有不同的特性，這使得它們能夠適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。由于技術(shù)應(yīng)用和生產(chǎn)質(zhì)量對(duì)于UPS可靠性等特性影響很大，基本的設(shè)計(jì)實(shí)施質(zhì)量和制造質(zhì)量對(duì)于客戶在實(shí)際應(yīng)用中所獲得的最終性能起著決定性作用。以表格列出上述UPS的特征比較，如表1所示。

5.結(jié)語

本文比較了目前市場上不同UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可以看出：不同類型的UPS適合不同的用途，沒有一種類型的UPS適合所有的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)然除了對(duì)UPS電池備用時(shí)間、成本、尺寸、制造商、輸出插座數(shù)量、可管理性等等考慮之外，UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（內(nèi)部設(shè)計(jì)）影響著UPS在各種環(huán)境中的工作方式，也影響著我們對(duì)購買UPS類型的選擇。

[1]張滿良.UPS不間斷電源系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)中應(yīng)注意的幾個(gè)事項(xiàng)[J].承鋼技術(shù),2006(Z1).

[2]齊志勇.機(jī)房動(dòng)力配電機(jī)UPS電源配置探討[J].技術(shù)與市場,2011(09).

[3]鐘景華.UPS電源輸入電流諧波和輸出有功功率問題探討[J].ElectrotechnicalApplication,2011(03).

[4]牛濤.UPS電源技術(shù)性能及可用性比較[J].Software Guide,2011(01).