數據中心機房的UPS電源選型

西安醫學院圖書館 張小霞

1.引言

隨著網絡技術發展的日新月異，不同類型的UPS系統相繼出現，其特性也千差萬別。UPS系統作為數據中心的電源保障，無疑對數據安全起著至關重要的作用。通常，人們普遍熟知的只有后備式UPS和在線式UPS兩種類型。對其它類型的UPS相知甚少。

2.數據中心部署UPS的必要性

2.1 UPS的概念

UPS（Uninterruptible Power Supply），不斷電電源供應器，它可以保障計算機系統在停電之后繼續工作一段時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據。構成網絡的數據中心機房的供電可靠性已經成為關鍵，而機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置的。UPS的三大基本功能：穩壓、濾波和不可間斷。在市電供電時，它是穩壓器和濾波器的作用，以消除或削弱市電的干擾，保證設備正常的工作[1]。

2.2 斷電對數據中心設備的危害

可能由于閃電原因導致當地的變壓器出現故障，或者市電的電網供電中斷，這時必須采取某些措施來保護數據中心的計算機系統以及存儲在計算機中的數據，以防止它們受到硬關機的損害，或者由于驟然斷電導致硬盤的損傷。在發生長時間斷電時，造成數據出錯的一個可能的原因是應用程序或操作系統在處理數據時被異常中止。這不僅會給動態應用程序數據、文檔或者關鍵的文件系統結構（如文件分配表）造成影響。而當電力恢復時，由于操作系統或應用程序會試圖重建出錯的表或執行其他恢復操作，直接導致系統的“恢復時間”延長。

3.UPS電源系統的類型及其拓撲結構

3.1 后備式UPS

個人計算機系統通常采用后備式UPS。

這種類型的UPS電源系統，電池到交流電源的轉換開關設置為選擇濾波后的交流輸入作為主電源，一旦主電源出現故障，就會切換到電池/逆變器作為備用電源。一旦發生這種情況，轉換開關必須進行操作，將負載切換到電池/逆變器備用電源上。逆變器只在電源出現故障時才啟動，因此稱作“后備式”。

這種設計的主要優點是效率高、尺寸小和成本低。如果采用適宜的濾波電路和浪涌保護電路，這些系統還可以提供適當的噪聲過濾和浪涌抑制功能。

3.2 在線互動式UPS

小型企業、網站、部門服務器大多采用線互動式UPS。

這種類型的UPS電源系統，電池到交流電源的轉換器（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反向操作逆變器，就會給電池充電。一旦輸入電源出現故障，轉換開關就會打開，并通過電池向UPS輸出端供電[2]。

與后備式UPS拓撲結構相比，由于逆變器始終打開且與輸出端保持連接，這種設計進一步增強了濾波效果，并降低了轉換瞬態過電壓。

3.3 后備式-鐵磁共振式UPS

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

這種后備式-鐵磁共振式UPS設計依賴于一個特殊的飽和變壓器，該變壓器具有三個線圈（電源連接）。主電源路徑通過交流輸入電源、轉換開關和變壓器，最后連接輸出端。當電源出現故障時，轉換開關將打開，逆變器輸出將向負載供電。

后備式-鐵磁共振式UPS系統不再普遍使用，主要原因是在承載現代計算機電源負載時，這種系統很不穩定。所有大型服務器和路由器均使用“功率因數校正”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）。獲取這種平穩電流是通過電容器（“獲得”適用電壓的設備）實現的，鐵磁共振UPS系統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“儲能”電路。儲能電路中的共振可能會產生高電流，而這種電流會危及所連接的負載的安全。

3.4 雙轉換在線式UPS

1OkVA以上功率范圍的電源最常用的UPS類型。

雙轉換在線式UPS的結構圖中，除了主電源路徑是逆變器（而非交流主電源）外，其余與后備式設計相同。在雙轉換在線式設計中，輸入交流電發生故障并不會激活轉換開關，因為輸入交流電一直在給備用電池充電，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故障時，無需時間進行在線運行狀態轉換。在這一設計中，整流器和逆變器將轉換全部的負載功率。

這種UPS提供了非常理想的供電輸出性能。但功率部件的持續工作，與其它設計方案相比，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，可能對建筑供電系統產生干擾或導致備用發電機發生故。

3.5 Delta轉換在線式UPS

這種UPS設計是一種較新的設計，這種十年前引入的技術，它克服了雙轉換在線式設計的缺點，適用于功率范圍5kVA到1.6MW的應用領域。

與雙轉換在線式設計相似，Delta轉換在線式UPS始終由逆變器提供負載電壓。然而，附加的Delta轉換器也向逆變器輸出供電。在交流電源出現故障或受到干擾的情況下，這種設計所表現出的行為

與雙轉換在線式設計完全相同。

在Delta轉換在線式設計中，Delta轉換器具有雙重作用。第一個作用是控制輸入電力特性。運行時，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電機系統的兼容性，同時減少了配電系統中的發熱和系統損耗[4]。Delta轉換器的第二個作用是控制輸入電流來為電池系統充電提供控制。

Delta轉換在線式技術是目前唯一一種受專利保護的核心UPS技術，因此大量的UPS供應商還無法應用該技術。在穩定的狀態下，與雙轉換設計相比，Delta轉換器使得UPS能夠以高得多的效率向負載供電。

4.數據中心各種類型UPS特征對比

目前業內的UPS產品逐漸包括上述各種類型的設計，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用領域。由于技術應用和生產質量對于UPS可靠性等特性影響很大，基本的設計實施質量和制造質量對于客戶在實際應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.結語

本文比較了目前市場上不同UPS拓撲結構的優點和缺點，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適合所有的應用領域。當然除了對UPS電池備用時間、成本、尺寸、制造商、輸出插座數量、可管理性等等考慮之外，UPS的拓撲結構（內部設計）影響著UPS在各種環境中的工作方式，也影響著我們對購買UPS類型的選擇。

[1]張滿良.UPS不間斷電源系統運行和維護中應注意的幾個事項[J].承鋼技術,2006(Z1).

[2]齊志勇.機房動力配電機UPS電源配置探討[J].技術與市場,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電源技術性能及可用性比較[J].Software Guide,2011(01).