6.1 IT设备供电系统结构的变化

　　电网电压提供的是交流380V/220V,50HZ，而IT设备逻辑电路用的是直流低电压(例如3V、5V)，这是两个不可改变的事实。为IT设备供电的电源设备的任务自然是完成两种制式电压的转换。计算机开始产业化至今已有50多年历史，在这漫长的过程中，供电电源也经历了几个变化阶段，促成并决定这些变化的最根本的因素是组成电源设备的功率半导体器件和电路技术的进步。图6.1显示了这个过程。

　　(1)20世纪60、70年代

　　如图6.1(a)所示。此时计算机是由电网市电直接供电的，由于当时半导体器件性能限制，机内线性调节电源和开关电源都只能是低压输入，所以在输入端都必须配置工作在交流状态的工频降压变压器。

　　(2)20世纪70、80年代开始使用UPS设备为计算机设备供电

　　如图6.1(b)所示。此时开始为计算机供电系统配置不停电供电设备–UPS。但是由于计算机输入端都配置有工频变压器(包括机内交流供电风扇)，所以UPS设备只能输出交流。殊不知，最初的这一要求固定了UPS设备的电路结构，并沿用到50年后的今天。

　　3)20世纪70、80年代计算机开关电源去掉了输入变压器

　　如图6.1(c)所示。在20世纪70年代，由于功率半导体器件性能的进步，电源业内开始了一场20KC的革命，无输入变压器的开关电源开始成熟并逐渐产品化，到20世纪80年代末期，计算机机内电源基本上甩掉了输入变压器，也就是说，可以由电网电压不需降压而直接供电，当然也就可以由高压直流供电(机内风扇也改为低压直流)。

　　但是，现行的设备标准和人们的观念决定了计算机还是必须由交流电压供电，当然，作为输入电源的前级设备UPS，也就须保持输出交流。

　　既然UPS只提供交流电源，所以，计算机开关电源也必须保留输入级的AC/AC变换，整个供电就形成了UPS设备的AC/DC—DC/DC两级变换和机内开关电源的AC/DC-DC/DC两级变换。

　　图6.1 计算机供电系统演变过程

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　　6.2 传统UPS供电系统的现状与存在的问题

　　传统UPS的现状和存在的问题促使其必须进行改进和变革。技术的发展有着它自身的发展规律，输出直流化将是一次数据中心供电系统的重大变革。图6.2是传统UPS供电系统的基本结构。

　　图6.2 传统UPS供电系统结构图

　　(1)传统UPS供电系统存在的问题和改进的重点

　　有关当代数据中心供电系统存在的问题已在本文第一篇中做了详细的论述，见表1.1

　　从用户关注的焦点和UPS厂家技术改进的重点来看，要解决的关键问题和采用的技术措施归纳起来有以下三点：

　　提高系统可用性，包括：提高设备可靠性;对设备采用冗余配置;配置模块化UPS;提高设备智能监测和管理功能;

　　② 抑制系统中谐波电流的产生和治理问题，包括：加大零线规格和前端设备(变压器、油机、配电开关、转换开关等)容量，以便降低谐波电流的影响;输入改为12脉冲整流+11次无源滤波器;6脉冲整流前加有源滤波器;输入改为PFC高频整流;

　　③ 提高系统的适应性。包括：采用模块化设计;采用标准化设计;

　　(2)值得思考的问题是：

　　① 传统的系统出现不断复杂化、设备堆积、结构臃肿、成本迅速攀升、效率低下、可靠性难以有效提高的趋势，这种难堪的局面是传统系统设计建造模式造成的;

　　② 系统中存在的问题大多是系统设计不当产生的

　　系统中的谐波电流不是外界影响的，负载谐波电流是交流供电产生的，UPS输入谐波是UPS自己产生的;

　　系统设计本身造成了系统的复杂性，可靠性低下。使用者最担心的是系统供电设备本身发生故障，不得不投入巨大的人力物力搞冗余并机系统，双总线系统等，以应付供电系统本身随时可能发生的故障;

　　③ 传统的设计建造模式还要世世代代走下去吗?为什么能量要经过两次变换才供给负载呢?为什么不能从根本上消除系统中的谐波源呢?为什么不能把不可预见的突发性的故障因素与负载完全隔离开呢?

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　　6.3 传统UPS输出直流化变革是技术发展的必然趋势

　　直流供电方案是根据可靠性理论设计的，是可靠性理论的应用。

　　(1)可靠性低下的根本原因-系统功能设计策略的误区

　　实现不停电供电功能的最基本的条件是必须有两路能源，一路主供电，一路备用供电。主供电是可能故障掉电的，这是建立UPS供电系统的初衷;备用能源应该是实现不停电连续供电的保障。但是，遗憾的是，传统UPS设计方案并没有给备用电池发挥作用的充分条件，电池并没有直接放在负载的前面为负载“保驾”，而是把它放到了UPS主机设备中，市电掉电时，电池要通过UPS主机设备中最不可靠的环节-DC/AC逆变器向负载供电，如图6.3所示。备用能源供电路径的不可靠是造成传统UPS供电系统可靠性难以有效提高的根本原因。

　　图6.3 交流输出UPS 备用能源配置 图6.4直流输出UPS 备用能源配置

　　如果把备用能源电池直接放在负载前面，市电掉电时由高可靠地备用能源直接给负载供电，那么备用能源不仅可在市电掉电时向负载供电，当市电正常而供电系统发生故障时，也可保证负载的正常运行。如图6.4所示。

　　相对于图6.4，图6.3在可靠性方面的差别表现在以下三点：

　　第一、备用电池与市电+UPS供电系统形成冗余并机系统，高可用的备用电池从根本上隔离了市电和供电系统的故障，可使整个系统的可靠性得到明显地提高;

　　第二、电池的可靠性得到了充分的发挥。在图6.3，电池供电的可靠性是电池与UPS输出DC/AC逆变器的串联，而在图6.4中，电池供电的可靠性就等于电池本身的可靠性;

　　第三、备用电池的可用容量提高10%。

　　(2)对“可预见非突发性故障”和“不可预见突发性故障”可靠性的讨论

　　一个系统中设备可能发生的故障有两种类型：

　　可预见非突发性故障：

　　例如电池组，它的故障现象有两个最基本的特点，一是故障现象诸如：电池槽变形、电池漏液、电池容量不足、电池浮充电压均匀性差、排气阀失效等，是直观可见的，或者是很容易被测量到的;二是所有这些故障都有发生过程长、是渐变过程、且发生故障不是突发性的特点。对这种类型的设备，通过维护很容易发现故障隐患，也有充裕的时间在不影响运行的情况下排除故障隐患，或者安排计划停电进行维护。

　　不可预见突发性故障：

　　例如供电系统中的UPS主机、ATS和STS转换开关等设备，系统管理和监控只能判定其工作状态，而硬件失效、控制电路板焊点的隐患、系统对控制电路的干扰等，却是不可预见的，也很难检测到的，故障发生的时间是不可预测的，随机性的，突发性的。对于这种类型的设备，很难在故障前发现它，一但故障发生，必然使系统瘫痪。

　　对只存在可预见非突发性故障的设备，定期的维护并对有故障隐患的另部件进行更换，这无异于设备的更新。

　　(3)对“可预见非突发性故障”和“不可预见突发性故障”可用性的讨论

　　可用性定义为：系统在使用过程中，可以正常使用的时间与总时间之比。可用性高意味着给用户更多的正常使用时间，把故障后不可用时间降到最低限度。

　　由于电池具备“可预见非突发性故障”的特点，在DC-UPS系统中，可使系统从根本上消除或者隔离“突发性故障”。对于电池质量和性能的变化，使用者有充分的时间(例如十天半月)发现它，并在不影响系统正常运行的前提下维护更换，或者安排“计划停电时间”排除故障。这相当于把故障停电时间缩短到0，把电池的可用性提高到1。

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　　6.4 直流输出电压的选择

　　确定直流输出电压是研制开发直流输出UPS的第一件大事，它关系到设想的方案能否实现，产品是否有使用价值，能否顺利的推广应用。

　　(1)确定直流UPS 输出电压的基本原则

　　确定UPS 输出电压是应遵循以下五点原则：

　　① 原则上不要求IT设备输入开关电源做明显的变化

　　直流UPS的负载是IT设备，大量的IT设备都是在交流电源输入环境下运行，为了加快推广应用速度，就必须做到在这种重大变动下不对IT设备提出过多变化的要求，也就是说，要尽可能做到现有的IT设备即可在交流电源输入下运行，也可在直流电源输入下运行。

　　② 简化设备结构和系统配置

　　提出用直流UPS替代交流UPS的设计理念的初衷是解决输入电源多次变换的问题，减少变换过程可以有效地提高设备可靠性和节省能源。使用传统双变换UPS为IT设备供电的变换过程如图6.5所示。

　　图6.5 传统UPS设备的多次变换过程

　　从图6.5可以看出，如果使用直流输出UPS(如图中虚线所示)，则可去掉交流输出UPS

　　的DC/AC变换和开关电源输入的AC/DC变换。特别要注意的是，要保证去掉两次变换，

　　就必须使UPS的AC/DC变换输出的直流电压值等于开关电源的DC/DC变换的输入直流母

　　线电压值。

　　③ 在IT设备允许的输入电压范围内，使电池容量得到充分的利用

　　采用直流UPS供电后，给IT设备开关电源供电的是备用电池，而电池电压是不稳定的，市电正常时，UPS输出的是电池的浮充电压，而市电中断后，电池开始对负载供电，电压由浮充值到额定值再到放电下限值。为了充分发挥电池的能量利用率，就要求负载允许的输入电压范围必须大于电池电压的变化范围，反之，为了使负载开关电源工作在最佳状态下，在负载开关电源输入电压范围大于电池电压变化范围的前提下，应使电池额定电压等于负载开关电源输入电压的设计额定值。

　　④ 最终由电池电压决定输出电压的额定值

　　电池电压是12V的倍数，市电正常时，UPS输出给负载供电的同时要给电池浮充，为

　　了确保电池处在最佳工作状态，UPS输出直流电压的确切值应等于电池组电压的浮充值，

　　并且要有较高的精度。

　　⑤ 节能与安全

　　提高电压可提高效率，有利于节能，而电压过高时应考虑元器件承受能力。

　　(2)输出电压值的确定

　　根据上面讲的第一个原则，为了使IT设备开关电源同时兼容交流和直流两种输入，就必须设计直流UPS的电池额定电压或浮充电压等于开关电源交流输入AC/DC变换后的直流母线电压，图6.6所示是当前IT设备开关电源的直流母线电压情况。

　　根据我国电网电压制式，交流单相电压是220V ，而当前IT设备开关电源的输入AC/DC变换有两两种情况：

　　一是简单的全波整流变换，直流母线电压在300V左右，见图6. 6(b);另一种是PFC

　　电路，直流母线电压是380V左右，见图6. 6(a)。为了提高输入功率因数，当前的开关电源多采用图6. 6(a)形式，即直流母线电压为380V。

　　图6.6 IT设备输入开关电源电路形式与直流母线电压(左边:开关电源PFC整流; 右边:开关电源输入桥式整流)

　　根据上面讲的五点原则和当前IT设备开关电源的直流母线电压实际情况，对直流UPS输出电压的选择表示在表6.1中。

　　表6.1 直流输出UPS输出电压的确定

　　(3)全球企业和研究团体对直流电压选择的情况

　　直流输出UPS的研究已经在全球范围内展开，根据当前研究机构、行业和著名IT厂商的研究报告和发布的信息来看，对电压的选择情况如下：

　　选择380V的有：台达电子、法国电信、华为技术、艾默生、爱立信、NTT数据、环境研究所、英特尔、IBM、戴尔、微软、伊顿等等;

　　选择300V的有：韩国电信;

　　选择320V的有：富士通、NEC、日立。

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　　6.5 直流UPS供电系统的可用性

　　分析一下全新的DC–UPS供电系统，我们可非常明显地看出在降低成本、降低能耗、降低污染、提高系统可靠性、提高系统适应性等多方面的优势，但是，UPS输出直流化改革的最主要的贡献莫过于极大的提高了供电系统的可用性，这也正是这一重大变革的初衷。

　　UPS设备输出直流化同样不简单地是提供一个单台AC/DC电源就可以解决的问题，我们仍然需要从系统的角度做全面的规划设计，也就是说，同时要考虑交流输入和输出直流配电环节，并且要遵守本文第一篇中提到的《ANSI/TIA –942-2005数据中心通信基础设施标准》的等级IV的要求，使整个系统具备“故障容错”功能。图6.7 是DC–UPS系统基本配置原理框图。

　　图6.7 DC-UPS系统基本配置原理框图

　　图五所示整个系统有下面五个冗余关系：

　　① “市电”与“油机”组成交流冗余输入;

　　② “电池组1+开关1”与“电池组2+开关2”组成备用电池冗余关系;

　　③ AC/DC变换n+1冗余;

　　④ “交流输入+AC/DC变换”与“备用电池组”组成冗余关系;

　　⑤ 输出直流配电双总线冗余;

　　根据图6.7和上面讲的五个冗余关系，可以得出DC-UPS系统的可用性模型，如图6.8所示。

　　图6.8 DC-UPS系统可用性模型

　　在进行具体计算时，使用了表6.2中的数据，这些数据大都来自现场维护统计。

　　表6.6 DC-UPS系统元部件可用性相关数据

　　值得注意的是，这里可用性最高的两个环节是冗余电池系统和冗余直流配电系统，由于负载通常是双电源输入，所以冗余直流配电系统总是需要的，但是由于配置的难度，冗余电池系统实现起来会有些难度。如果采用一组电池，则：

　　⑧ 电池系统的可用性AD

　　AD=A4xA5=0.99998 x0.999997=0.99997

　　⑨ 整个系统的可用性整个系统的可用性A

　　A=[1-(1-Ain+) x(1- AD)] xAP =0.99999999

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　　6.6 DC-UPS技术研究和推广应用中存在的问题和应用前景

　　从技术革新角度讲，UPS输出直流化改革的难度并不在于直流UPS设备本身，对交流输入电源进行AC/DC变换并形成直流不停电供电系统并不存在技术难关，所用的电路技术都是很成熟的。但是，这种变革不是由供电设备厂商就可完成的，UPS的输出负载是数据中心关键IT设备，要使直流UPS最终在数据中心中推广使用，就需要IT设备厂商直接参于，对IT设备的开关电源做相应的匹配和适应性的研究和变更工作，包括：

　　IT设备开关电源的输入开关、保险丝、继电保护等交流器件要改为相应电压的直流器件;

　　如果要求IT设备同时适应交流22V和直流380V输入，则需要在IT设备中保留开关电源的前级AC/DC变换，并在开关电源中设置相应的电压制式转换措施;

　　最终是重新定型开关电源，去掉AC/DC变换，只保留DC/DC变换;

　　通过设备研发、技术的不断改进和试运行，来论证这种变革的技术可行性，特别是要通过较长时间的运行实践，全面地考察系统(包括供电和IT设备)的适应性、系统可靠性提高的效果、系统的降低成本和节能效果等;

　　这种变革必然是一个漫长的过程，有些问题(例如IT设备的可靠性和寿命)要通过设备运行的一个生命周期才能暴露;有些问题要通过一定设备量经过一定时间运行的统计数字才能得出结论;行业标准更要在以上问题得出结论并在业内得到普遍认可的情况下才能制定。总之，UPS输出直流化是数据中心供电系统的一次重大变革，目前已进入改变观念、技术研发、方案论证和系统试运行阶段，这是一个可喜的开端。

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