交流輸出電壓的U/A(簡稱AG-UPS)供電系統(tǒng)存在的主要問題是如何有效地提高系統(tǒng)的可靠性，可靠性不高是AG-UPS設(shè)計(jì)理念造成的，而AG-UPS設(shè)計(jì)理念的結(jié)癥又可歸結(jié)為備職能源配置方法問題，備用能源(蓄電池)要經(jīng)過UPS設(shè)備中最薄弱環(huán)節(jié)——逆變器才能向負(fù)載供電，這是造成UPS系統(tǒng)必須經(jīng)過兩次變換能源、系統(tǒng)中存在著負(fù)載和UPS本身兩個(gè)諧波源、系統(tǒng)過于復(fù)雜、結(jié)構(gòu)臃腫、成本不斷攀升、效率較低、可靠性難以有效提高的根本原因，文中從UPS技術(shù)發(fā)展過程講述為什么早期的IT設(shè)備要交流電壓供電：AC—UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問題;UPS直流輸出的可行性和性能優(yōu)勢以及直流電壓輸出的UPS(簡稱DC—UPS)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中面臨的技本難題等。

1 IT設(shè)備供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化

電網(wǎng)電壓提供的是交流380V/220V，50Hz，而IT設(shè)備邏輯電路用的是直流低電壓，這是兩個(gè)不可改變的事實(shí)。為IT設(shè)備供電的電源設(shè)備自然是完成兩種制式電壓的轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)開始產(chǎn)業(yè)化至今已有60多年歷史，在這漫長的過程中，供電電源也經(jīng)歷了幾個(gè)變化階段，促成并決定這些變化的最根本的因素是組成電源設(shè)備的功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)進(jìn)步。圖1顯示了這個(gè)過程。

1.1 20世紀(jì)60、70年代

如圖1(a)所示。此時(shí)計(jì)算機(jī)是由電網(wǎng)(市電)直接供電的，機(jī)內(nèi)電源擔(dān)負(fù)著高壓交流電到低壓直流電的轉(zhuǎn)換任務(wù)，穩(wěn)壓功能以可控整流和線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路為主，70年代才出現(xiàn)開關(guān)電源。由于穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)和當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體器件性能限制，線性調(diào)節(jié)和開關(guān)電源都只能是低壓輸入。所以在輸入端都必須配置工作在交流狀態(tài)的工頻降壓變壓器。

1.2 20世紀(jì)70、80年代開始使用UPS設(shè)備為計(jì)算機(jī)供電

如圖1(b)所示。此時(shí)開始為計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)配置不間斷供電設(shè)備——UPS。但是由于計(jì)算機(jī)電源輸入端都配置有工頻變壓器，所以UPS設(shè)備只能輸出交流。殊不知，最初的這一要求固定了UPS設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)，并沿用到50年后的今天。

1.3 20世紀(jì)80、90年代計(jì)算機(jī)開關(guān)電源去掉了輸入變壓器

如圖1(c)所示。在20世紀(jì)70年代，由于功率半導(dǎo)體器件性能的進(jìn)步，電源技術(shù)界開始了一場“20kHz的革命”，無輸入變壓器的開關(guān)電源進(jìn)入研制和試用階段，到20世紀(jì)80年代末和90年代初，計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)電源基本上都使用了無輸入變壓器的高頻開關(guān)電源，也就是說，計(jì)算機(jī)設(shè)備是可以由高壓交流市電(無需降壓)直接供電的，當(dāng)然也是可以直接用高壓直流供電的。

但是，現(xiàn)行的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和人們的觀念決定了計(jì)算機(jī)還是必須由交流電壓供電，當(dāng)然，作為輸入電源的前級設(shè)備UPS，也就必須輸出交流電源。既然UPS只提供交流電源，所以，計(jì)算機(jī)開關(guān)電源也必須保留輸入級的AC/DC變換，整個(gè)供電就形成了UPS設(shè)備的AC/DC→DC/AC兩級變換和計(jì)算機(jī)內(nèi)開關(guān)電源的AC/DC→DC/DC兩級變換。

2 AC-UPS供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀與存在的問題

半導(dǎo)體器件和電路技術(shù)為AC-UPS的技術(shù)進(jìn)步和體系結(jié)構(gòu)的變革提供了條件，而AC-UPS的現(xiàn)狀和存在的問題又促使其必須進(jìn)行變革。技術(shù)的發(fā)展有著它自身的發(fā)展規(guī)律，UPS輸出直流化將是一次數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的重大變革。

這里講的AC-UPS供電系統(tǒng)不包括交流輸入環(huán)節(jié)，如圖2所示。它由AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC逆變器、各級配電柜、濾波器、電池組等設(shè)備和環(huán)節(jié)組成。

圖2是AC-UPS供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式。從它的基本結(jié)構(gòu)可以看出這種系統(tǒng)在有效地提高可靠性、提高運(yùn)行效率、降低成本、減少污染、標(biāo)準(zhǔn)化和提高適應(yīng)性等方面存在著不可逾越的困難。

2.1 AC-UPS供電系統(tǒng)存在的問題

(1)系統(tǒng)可用性問題

系統(tǒng)復(fù)雜、單路徑故障點(diǎn)多、設(shè)備可靠性差、維護(hù)難度大等。

(2)系統(tǒng)電流諧波干擾問題

系統(tǒng)中存在兩個(gè)諧波源——負(fù)載開關(guān)電源和UPS輸入AC/DC變換器。對電網(wǎng)和系統(tǒng)本身形成干擾、增加濾波設(shè)備、降低輸入功率因數(shù)和能源利用率，對零、地線系統(tǒng)提出苛刻的要求等。

(3)系統(tǒng)成本和能源消耗問題

能源經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換和設(shè)備能源利用率較低等降低了系統(tǒng)運(yùn)行效率、系統(tǒng)復(fù)雜性提高了購置成本和運(yùn)行成本、電流諧波的存在需增大濾波設(shè)備、輸入功率因數(shù)的低下降低了系統(tǒng)設(shè)備容量和能源輸入的利用率。

(4)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展、變更問題

以計(jì)劃容量一次性投入，難以變更和擴(kuò)展，縮短了系統(tǒng)生命周期。

(5)系統(tǒng)使用維護(hù)難度問題

要求較高的維護(hù)水平，多家供應(yīng)商且產(chǎn)品非標(biāo)準(zhǔn)化使故障修復(fù)困難。

2.2 AC-UPS系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)和革新重點(diǎn)

從當(dāng)前用戶關(guān)注的焦點(diǎn)和UPS廠家技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)來看，要解決的問題和技術(shù)措施歸納起來有以下三點(diǎn)：提高系統(tǒng)可用性;解決諧波電流的產(chǎn)生和治理問題;提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。

(1)提高系統(tǒng)可用性：包括提高設(shè)備可靠性;設(shè)備降容使用;對設(shè)備采用冗余配置，使其有容錯(cuò)功能;配置模塊化UPS，有冗余功能，并大幅度降低故障修復(fù)時(shí)間;提高設(shè)備智能監(jiān)測和管理功能，便于維護(hù)，并可把潛在的故障隱患消除在故障發(fā)生之前;采用集成化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決系統(tǒng)中各類設(shè)備阻抗和連接方式的匹配問題;提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和集中管理問題;最大限度地減少安裝和維護(hù)過程中的人為錯(cuò)誤。

(2)抑制系統(tǒng)中諧波電流的產(chǎn)生和治理問題：

包括加大線纜特別是零線電纜規(guī)格和前端設(shè)備(變壓器、柴油發(fā)電機(jī)組、配電開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)等)容量，以便降低諧波電流的影響;輸入改為12脈沖整流+11次無源濾波器，PF=0.95，THD≤10%;6脈沖整流前端加有源濾波器，輸入電流成正弦波PF=0.99，THD≤5%;輸入改為PFC高頻整流，PF=0.99，THD≤5%;

(3)提高系統(tǒng)的適應(yīng)性：包括采用模塊化設(shè)計(jì)，使局部系統(tǒng)有擴(kuò)容功能，減少系統(tǒng)運(yùn)行初期的設(shè)備購置成本和運(yùn)行成本;采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造流程，為系統(tǒng)快速安裝和可能的變更、移動(dòng)、擴(kuò)容提供可能性。

2.3 值得思考的問題

隨著IT技術(shù)的進(jìn)步和對UPS供電系統(tǒng)可用性要求的不斷提高，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)出現(xiàn)不斷復(fù)雜化、設(shè)備堆積、結(jié)構(gòu)臃腫、成本迅速攀升、效率低下、可靠性難以有效提高的趨勢，這種難堪的局面是傳統(tǒng)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造模式造成的;系統(tǒng)中存在的問題大多是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生的，包括系統(tǒng)中的諧波電流不是外界影響的，負(fù)載諧波電流是交流供電產(chǎn)生的，UPS輸入諧波是UPS自己產(chǎn)生的;系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身造成了系統(tǒng)的復(fù)雜性，投入成倍的成本搞冗余并機(jī)系統(tǒng)，雙總線系統(tǒng)，是設(shè)備和系統(tǒng)可靠性不高而采取的不得已行為，并非不停電功能的需要;傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)建造模式還要世世代代走下去嗎?為什么能量要經(jīng)過兩次變換才供給負(fù)載呢?為什么不能從根本上消除系統(tǒng)中的諧波源呢?為什么不能把不可預(yù)見的突發(fā)性的故障因素與負(fù)載完全隔離開呢?

3 AC-UPS輸出直流化變革的理論基礎(chǔ)

UPS直流供電方案是根據(jù)可靠性理論設(shè)計(jì)的，是可靠性理論的應(yīng)用，也是對可靠性理論的發(fā)展。

3.1 可靠性低下的根本原因 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)策略的誤區(qū)

不間斷供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的最基本的條件是必須有兩路能源，一路主供電，一路備用(蓄電池)供電。主供電是可能故障停電的，這是建立UPS供電系統(tǒng)的初衷。備用能源應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)不間斷供電的根本條件。

但是，遺憾的是，AC-UPS設(shè)計(jì)方案并沒有給備用電池發(fā)揮作用的充分條件，電池并沒有直接放在負(fù)載的前端為負(fù)載“保駕”，而是把它放到了UPS主機(jī)設(shè)備中，市電停電時(shí)，電池要通過UPS主機(jī)設(shè)備中最不可靠的環(huán)節(jié)(DC/AC)逆變器向負(fù)載供電。備用能源供電路徑的同樣不可靠是造成AC-UPS供電系統(tǒng)不斷復(fù)雜化、設(shè)備堆積、結(jié)構(gòu)臃腫、成本迅速攀升、效率低下、可靠性難以有效提高的根本原因。

問題出在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)思想上，如果UPS供電系統(tǒng)故障，則主用能源和備用能源都不能保證繼續(xù)向負(fù)載供電，顯然，不停電供電的主角不是主用能源、備用能源，而是兩路都必須經(jīng)過的UPS供電系統(tǒng)。

如果把備用能源直接放在負(fù)載前端，市電停電時(shí)由高可靠的備用能源直接給負(fù)載供電，那么備用能源不僅可在市電停電時(shí)向負(fù)載供電，當(dāng)市電正常而UPS供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，也可保證負(fù)載的正常運(yùn)行。

3.2 可靠性理論與備用能源的配置

保證IT負(fù)載連續(xù)可靠工作的關(guān)鍵在于主用能源和備用能源的配置方法。在圖2 UPS供電系統(tǒng)中，兩路能源的供電方法如圖3所示。

保證負(fù)載不斷電的關(guān)鍵是，當(dāng)主供電一路能源停電時(shí)，另一路備用能源能否不間斷而可靠地持續(xù)向負(fù)載供電。但是圖3(a)中，主能源故障后，備用能源(電池組)要經(jīng)過UPS設(shè)備中的DC/AC變換環(huán)節(jié)才能向負(fù)載供電。因此備用能源的可靠性就得不到充分的發(fā)揮。備用能源的可靠性模型表示在圖3(b)中。

根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的可靠性水平，電池系統(tǒng)的可靠性R 1在0.99左右，而UPS逆變器的可靠性只有0.9(UPS整機(jī)可靠性可達(dá)到0.99，包括了處于冗余并聯(lián)的靜態(tài)旁路系統(tǒng))，根據(jù)串聯(lián)可靠性模型可計(jì)算出備用能源供電的可靠性：R =0.99×0.9=0.891但是，如果改變備用電池的配置方法，把備用電池直接接在IT設(shè)備的前端，如圖4(a)所示，與圖3相比，對系統(tǒng)的可靠性帶來三點(diǎn)非常明顯的變化：

(1)備用電池與UPS供電系統(tǒng)形成冗余系統(tǒng)，高可用的備用電池從根本上隔離了市電和供電系統(tǒng)的故障，整個(gè)系統(tǒng)的可用性可提高2個(gè)9到3個(gè)9;

(2)備用電池的可靠性得到了充分的發(fā)揮;

(3)備用電池的可用容量提高10%。

3.3 對“可預(yù)見非突發(fā)性故障”和“不可預(yù)見突發(fā)性故障、可靠性”的討論

說備用能源(電池組)可靠性高，是因?yàn)樗墓收暇哂?ldquo;可預(yù)見性和非突發(fā)性”特點(diǎn)。

一個(gè)系統(tǒng)中設(shè)備可能發(fā)生的故障有兩種類型：

可預(yù)見非突發(fā)性故障

例如電池組，它的故障現(xiàn)象有兩個(gè)最基本的特點(diǎn)，一是故障現(xiàn)象諸如：電池槽變形、電池漏液、電池容量不足、電池浮充電壓均勻性差、排氣閥失效等，是直觀可見的，或者是很容易被測量到的;二是所有這些故障都有發(fā)生過程長、是漸變過程且發(fā)生故障不是突發(fā)性的特點(diǎn)。對這種類型的設(shè)備，通過維護(hù)很容易發(fā)現(xiàn)故障隱患，也有充裕的時(shí)間在不影響運(yùn)行的情況下排除故障隱患，或者安排計(jì)劃停電進(jìn)行維護(hù)。

不可預(yù)見突發(fā)性故障

例如供電系統(tǒng)中的UPS主機(jī)、ATS和STS開關(guān)等設(shè)備，系統(tǒng)管理和監(jiān)控只能判定其工作狀態(tài)，而硬件失效、控制電路板焊點(diǎn)的隱患、系統(tǒng)對控制電路的干擾等，卻是不可預(yù)見，也很難檢測到的，故障發(fā)生的時(shí)間是不可預(yù)測性、隨機(jī)性和突發(fā)性的。對于這種類型的設(shè)備，很難在故障前被發(fā)現(xiàn)，一但故障發(fā)生，必然使系統(tǒng)癱瘓。在可靠性研究中，一個(gè)產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)通常是根據(jù)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的失效率參數(shù)或運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算的，而設(shè)備在使用維護(hù)過程中可能進(jìn)行的局部更換，則不作為可靠性計(jì)算的因素。實(shí)際上對只存在可預(yù)見非突發(fā)性故障的設(shè)備，定期的維護(hù)并對有故障隱患的部件進(jìn)行更換，這無異于設(shè)備的更新。從可靠性模型的角度看，這相當(dāng)于在原設(shè)備的可靠性基礎(chǔ)上冗余并聯(lián)上一個(gè)由維護(hù)工作決定的可靠性環(huán)節(jié)，見圖4(b)。

3.4 對“可預(yù)見非突發(fā)性故障”和“不可預(yù)見突發(fā)性故障”可用性的討論

可用性定義為：系統(tǒng)在使用過程中，可以正常使用的時(shí)間與總時(shí)間之比。

可用性用平均無故障工作時(shí)間MTBF和平均修復(fù)時(shí)間MTTR表示：

可用性高意味著給用戶更多的正常使用時(shí)間，把故障后不可用的時(shí)間降到最低限度。

由于電池具備“可預(yù)見非突發(fā)性故障”的特點(diǎn)，可使系統(tǒng)從根本上消除或者隔離“突發(fā)性故障”。對于電池質(zhì)量和性能的變化，使用者有充分的時(shí)間(例如十天半月)發(fā)現(xiàn)它，并在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下維護(hù)更換，或者安排“計(jì)劃停電時(shí)間”排除故障。這相當(dāng)于可保持電池常新，把故障停電時(shí)間縮短到0，把電池的可用性提高到1。

4 直流輸出電壓的選擇

確定直流輸出電壓是研制開發(fā)直流輸出UPS的第一件大事，它關(guān)系到設(shè)想的方案能否實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品是否有使用價(jià)值，能否順利的推廣應(yīng)用。

4.1 確定直流UPS 輸出電壓的基本

原則

確定直流UPS輸出電壓應(yīng)遵循以下五個(gè)原則：

(1)原則上不要求IT設(shè)備輸入開關(guān)電源做明顯的變化

直流UPS的負(fù)載是IT設(shè)備，推廣應(yīng)用涉及到的問題很多，周期也很長，特別是推廣適用的初期，大量的IT設(shè)備還是在交流電源輸入下運(yùn)行，為了加快DC-UPS推廣應(yīng)用速度，就必須做到在這種輸入電壓制式重大變動(dòng)情況下不對IT設(shè)備提出過多變化的要求，也就是說，要盡可能做到現(xiàn)有的IT設(shè)備即可在交流電源輸入下運(yùn)行，也可在直流電源輸入下運(yùn)行，而不需要IT設(shè)備內(nèi)開關(guān)電源做重大的重新再設(shè)計(jì)。

(2)簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置

提出用直流UPS替代交流UPS的設(shè)計(jì)理念始于20世紀(jì)90年代，出發(fā)點(diǎn)是解決輸入電源多次變換的問題，減少變換過程可以有效地提高設(shè)備可靠性和節(jié)省能源。使用雙變換UPS為IT設(shè)備供電的變換過程，如圖5所示。

從圖5可以看出，如果使用直流輸出UPS(如圖中虛線所示)，則可去掉交流輸出UPS的DC/AC變換和開關(guān)電源輸入的AC/DC變換。

特別要注意的是，要保證去掉兩次變換后，必須使UPS的AC/DC變換輸出的直流電壓值等于開關(guān)電源的DC/DC變換的輸入直流電壓值。

(3)在IT設(shè)備允許的輸入電壓范圍內(nèi)，使電池容量得到充分的利用

采用直流UPS供電后，給IT設(shè)備開關(guān)電源供電的是備用電池，而電池電壓是不穩(wěn)定的，市電正常時(shí)，UPS輸出的是電池的浮充電壓，而市電中斷后，電池開始對負(fù)載供電，電池電壓在15%的備用時(shí)間內(nèi)由浮充值降到額定值，在70%的備用時(shí)間后再到放電下限值，電壓變化范圍基本上是電池額定電壓的±11.25%。為了充分發(fā)揮電池的能量利用率，就要求負(fù)載允許的輸入電壓范圍必須大于電池電壓的變化范圍，反之，為了使負(fù)載開關(guān)電源工作在最佳狀態(tài)下，在負(fù)載開關(guān)電源輸入電壓范圍大于電池電壓變化范圍的前提下，應(yīng)使電池額定電壓等于負(fù)載開關(guān)電源輸入電壓的設(shè)計(jì)額定值。

(4)最終由電池電壓決定輸出電壓的額定值

電池電壓是12V的倍數(shù)，市電正常時(shí)，UPS輸出給負(fù)載供電的同時(shí)要給電池浮充，為了確保電池處在最佳工作狀態(tài)，UPS輸出電壓的確切值應(yīng)等于電池組電壓的浮充值，并且要有較高的精度。

(5)節(jié)能與安全

提高電壓可提高效率，有利于節(jié)能，而電壓過高時(shí)應(yīng)考慮元器件承受能力。

4.2 輸出電壓值的確定

根據(jù)上面講的第一個(gè)原則，為了使IT設(shè)備開關(guān)電源同時(shí)兼容交流和直流兩種輸入，就必須設(shè)計(jì)直流UPS的電池額定電壓等于開關(guān)電源交流輸入AC/DC變換后的直流母線電壓，圖6所示是當(dāng)前IT設(shè)備開關(guān)電源的直流母線電壓。

根據(jù)我國電網(wǎng)電壓制式， 交流單相電壓是220V，而當(dāng)前IT設(shè)備開關(guān)電源的輸入AC/DC變換有兩兩種情況：

一是PFC電路，直流母線電壓是380V左右，見圖6(a);

另一種是簡單的整流變換，直流母線電壓在300V左右，見圖6(b)。

如果把電池額定電壓設(shè)定為直流母線電壓，則電池額定電壓為300V和380V，與此對應(yīng)的直流UPS輸出電壓為電池浮充電壓，即334V(即300×1.1125)和422.7V(即380×1.1125)。

但跨接在直流母線上的電容的工作電壓不宜超過400V，所以設(shè)計(jì)電池額定電壓為380V顯然是不合適的，所以380V應(yīng)視為電池的浮充電壓，相應(yīng)的電池額定電壓則為336V。

根據(jù)第三個(gè)原則，既然電池電壓的變化范圍是額定值的±11.25%，就要求IT負(fù)載開關(guān)電源的DC/DC變換器允許的輸入電壓變化范圍大于額定值的±11.25%，即300V±11.25%和336±11.25%。對應(yīng)DC-UPS輸出電壓為334V和374V。

根據(jù)第四個(gè)原則，電池額定電壓300V的電池組由25節(jié)12V電池串聯(lián)組成，電池額定電壓336V的電池組由28節(jié)12V電池串聯(lián)組成，浮充電壓是373.8V。

根據(jù)以上分析，電壓選擇的結(jié)論如表1所示。

4.3 全球企業(yè)和研究團(tuán)體對直流電壓選擇的情況

直流輸出UPS的研究已經(jīng)在全球范圍內(nèi)展開，從圖7可以看出從事直流輸出UPS開發(fā)研究的地區(qū)、單位和他們選擇的直流輸出電壓情況。

5 直流UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

UPS設(shè)備輸出直流化同樣不是簡單地提供一個(gè)單臺AC/DC電源就可以解決的問題，仍然需要從系統(tǒng)的角度做全面的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

(1)產(chǎn)品定位：要從整個(gè)供電系統(tǒng)角度規(guī)劃設(shè)計(jì)UPS供電方案，要考慮的問題包括成本、可靠性、可用性、能源效率、技術(shù)可行性，特別是要依據(jù)系統(tǒng)模塊化原則，做集成一體化系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)，而不是一個(gè)簡單的AC/DC模塊化直流電源設(shè)備。

(2)整個(gè)研制工作和要解決的技術(shù)難題都應(yīng)在供電系統(tǒng)中解決，不對或盡可能少對IT廠商和用戶提出過多的技術(shù)性要求，這對今后產(chǎn)品的順利和迅速推廣應(yīng)用是至關(guān)重要的。

(3)系統(tǒng)方案要把提高可靠性作為第一要求，供電方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是備用電池直接對IT負(fù)載供電，并使后備電池電壓等于IT設(shè)備開關(guān)電源直流母線電壓。以便充分發(fā)揮電池可預(yù)見非突發(fā)性故障的特征，徹底隔離市電和供電系統(tǒng)故障對負(fù)載的影響，如果選用的備用電池電壓不等于IT設(shè)備開關(guān)電源直流母線電壓，會(huì)造成以下幾種不良后果：

①開關(guān)電源電路不能工作在最佳輸入電壓狀態(tài)下，會(huì)明顯地影響其可靠性和工作壽命;

②或者對開關(guān)電源針對新的輸入電壓值重新設(shè)計(jì);

③對較低的電池電壓增加一級DC/DC變換，其結(jié)果是失去直流供電提高可用性的初衷;

④在電池電壓小于開關(guān)電源直流母線電壓的情況下，一旦市電停電，在電池放電的過程中，電池電壓會(huì)很快地脫離開關(guān)電源允許的輸入電壓下限范圍，IT設(shè)備因欠壓報(bào)警或關(guān)機(jī)，使電池容量得不到充分的發(fā)揮。

(4)盡可能減少電源轉(zhuǎn)換級數(shù)，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高設(shè)備可靠性和系統(tǒng)工作效率。單相交流輸入電壓為220V，簡單的全波整流后的直流電壓是300V，PFC整流后的直流電壓是380V，如果直流UPS輸出電壓不是這兩個(gè)值，那末在AC/DC變換后必然還要加一級DC/DC變換。

(5)要重視高壓直流配電問題。直流UPS的輸出配電和IT設(shè)備開關(guān)電源的輸入開關(guān)和繼電保護(hù)都必須采用專為直流電路設(shè)計(jì)的器件。

(6)UPS的直流化變革有一個(gè)較長的過渡時(shí)期，在此期間兩種輸出制式的UPS是共存的，所以在確定直流UPS輸出電壓和配電方案時(shí)，要盡可能做到負(fù)載對兩種制式的兼容。

(7)研制和應(yīng)用初期是定制化產(chǎn)品，最終要?dú)w結(jié)到標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

圖8是中達(dá)電通股份有限公司根據(jù)DC-UPS基本配置原理開發(fā)的數(shù)據(jù)中心HD-1系列DC-UPS供電系統(tǒng)。圖8(a)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，這是一個(gè)集成一體化產(chǎn)品，包含交流輸入系統(tǒng)、AC-DC系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)、機(jī)架PDU配電、系統(tǒng)管理等組成。圖8(b)為產(chǎn)品的外形物理結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)部件、連接和系統(tǒng)管理等，具備其標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。

①交流輸入冗余系統(tǒng)

交流輸入部分配置了兩路交流能源：主用能源市電和備用能源柴油發(fā)電機(jī)。兩路能源冗余備份，并通過ATS進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可同時(shí)滿足高密度數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的要求。

②DC-UPS系統(tǒng)

DC-UPS系統(tǒng)并不是一臺簡單的AC/DC模塊電源。這里包括了AC/DC模塊電源的輸入配電、輸出配電以及輸入電壓適配和系統(tǒng)隔離變壓器。AC/DC系統(tǒng)的配置：AC/DC系統(tǒng)主要由監(jiān)控模塊、電池總開關(guān)、模塊輸出分路開關(guān)、整流模塊、輸入交流配電與輸出直流配電等。

系統(tǒng)配置功能包括:

·單系統(tǒng)模塊冗余并機(jī)功能:單系統(tǒng)可安裝9個(gè)模塊,實(shí)現(xiàn)8+1冗余并機(jī)功能;

·多機(jī)并聯(lián)工作功能:可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)單系統(tǒng)并聯(lián),目前單個(gè)DSP支持32個(gè)功率模塊,使整個(gè)系統(tǒng)可以擴(kuò)容到960kw,同時(shí)可以使各個(gè)模塊的均衡度在±5%以內(nèi);可以滿足大、中、小型數(shù)據(jù)中心不同容量的需求;

·模塊熱插拔功能:AC/DC系統(tǒng)具有多處可熱插拔的模塊,功率模塊、監(jiān)視模塊、熔絲隔離開關(guān)都可以實(shí)現(xiàn)在線快速更換;

·人性化界面: 采用大型屏幕設(shè)計(jì),中文界面,樹型菜單結(jié)構(gòu),操作簡單方便;

·蓄電池配置:可以兩組電池分別接入,方便實(shí)現(xiàn)電池故障更換和互備功能。

③直流輸出配電

圖9為直流配電示意圖,由輸出總配電柜、列頭柜和機(jī)架PDU三部分組成。

·輸出總配電柜:每系統(tǒng)一個(gè);輸入不設(shè)開關(guān);輸出多路,每路可向10個(gè)列頭柜供電;每路輸出配置開關(guān)和保險(xiǎn);

·列頭柜:輸入不設(shè)開關(guān)和保險(xiǎn);輸出10路,每路設(shè)開關(guān)和保險(xiǎn);可向10個(gè)機(jī)架供電;每路輸出32A;每個(gè)開關(guān) (熔斷保險(xiǎn))32A;

·機(jī)架PDU:每個(gè)機(jī)架1個(gè)(負(fù)載單路供電);每個(gè)機(jī)架2個(gè)(負(fù)載雙路供電,來自不同的直流冗余配電系統(tǒng));每個(gè)輸出24個(gè)插座;每個(gè)插座2A熔斷保險(xiǎn);每個(gè)插座開關(guān)規(guī)格5A;

6 直流UPS供電系統(tǒng)的展望

當(dāng)前IT設(shè)備機(jī)內(nèi)普遍配置的開關(guān)電源,該設(shè)備的基本功能和性能指標(biāo)是:

(1)輸入電源:AC 220V/380V,50Hz(在數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中通常是由傳統(tǒng)交流輸出UPS提供的);

(2)允許輸入電壓范圍:±(20%～25%);

(3)輸出電壓:DC 12V,IT組件(不包括部分臺式機(jī)及某些工作站)所需要的5V/3.3V等DC/DC轉(zhuǎn)換電路環(huán)節(jié)通常不包括在開關(guān)電源中;

(4)體積小,重量輕,容量/體積比可達(dá)到20W立方英寸左右,例如某機(jī)功率3kw(12V/250A), 尺寸:400×130×42.4mm3;

(5)效率高,在20%/50%/100%負(fù)載的情況下,效率可分別達(dá)到90%/94%/91% ;

(6)輸入功率因數(shù)高,在50%～100%負(fù)載情況下,輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.98;

(7)輸出可均流并聯(lián),直流輸出均流并機(jī)簡單易行;

(8)該設(shè)備在可靠性、電磁兼容性及輸出電性能指標(biāo)等方面都表現(xiàn)出良好的性能;

從以上數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)前開關(guān)電源的各種電性能指標(biāo)(包括輸入電壓和允許變化范圍、輸出電壓穩(wěn)定精度、工作效率、電磁兼容性能等)和系統(tǒng)配置能力(包括體積和重量、輸入功率因數(shù)和諧波成分、輸出均流并機(jī)和容量擴(kuò)充能力等)都完全滿足數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備對供電的要求,如果以開關(guān)電源為核心,并在12V輸出端配置相應(yīng)電壓和容量的備用電池,那么這實(shí)際上就是一種新的低壓輸出的直流UPS。

這種新的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)想實(shí)際上又回到最初的計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如本文圖1(a)(20世紀(jì)60、70年代計(jì)算機(jī)設(shè)備供電)所示。其變化情況表示在圖10中。

其變化包括：

①用高性能的現(xiàn)代的開關(guān)電源取代由輸入變壓器和可控整流(或線性穩(wěn)壓器)組成的AC/DC穩(wěn)壓供電系統(tǒng);

②輸出由多組低壓改為一組12V;

③在12V輸出端配置備用電池，完成不間斷供電(UPS)功能;于是就形成了如圖11所示的低壓直流UPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)有很多新的特點(diǎn)和優(yōu)勢：

·能源AC/DC和DC/DC兩次轉(zhuǎn)換(原IT設(shè)備內(nèi)開關(guān)電源);

·電池直接對IT設(shè)備供電，充分發(fā)揮電池可預(yù)見非突發(fā)性故障的特點(diǎn)，系統(tǒng)可用性接近1;

·由3kW的開關(guān)電源模塊組成冗余系統(tǒng)，容量可達(dá)3～20kW;

·系統(tǒng)簡單，AC-UPS供電系統(tǒng)只剩下配電和線纜，成本低，成本可降低90%;

·效率高，由PUE定義的供電系統(tǒng)(不包括IT設(shè)備內(nèi)部開關(guān)電源)只需要配電和線纜，效率可提高到99%;

·系統(tǒng)中沒有直流配電問題;

·IT設(shè)備中不再有熱量集中的可靠性相對較低的高壓大功率開關(guān)電源;值得注意的是，由于低壓大電流配電傳輸?shù)睦щy，低壓直流UPS只能以IT設(shè)備機(jī)架為單元供電，在系統(tǒng)配置和維護(hù)工作方面還有很多有待研究的問題。