談現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)的發(fā)展

　　一、早期的“數(shù)據(jù)中心”供電系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)出現(xiàn)于上世紀(jì)50年代，開始的時(shí)候只是電子管構(gòu)成的系統(tǒng)，運(yùn)算速度也慢。自1964年我國(guó)是成了世界上的第一臺(tái)半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)，才使計(jì)算機(jī)進(jìn)入半導(dǎo)體領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)的計(jì)算本身就是一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)然是初期的系統(tǒng)。如圖1所示就是當(dāng)時(shí)最領(lǐng)先的運(yùn)算速度10萬次。

　　108甲計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，可以看出計(jì)算機(jī)的每一部分都非常龐大，其構(gòu)成部分的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、轉(zhuǎn)換器、控制臺(tái)等都必須有自己?jiǎn)为?dú)的直流電源系統(tǒng)，而這些直流電源的來源就是市電，如圖中所示。

　　其制冷系統(tǒng)是集中空調(diào)，當(dāng)時(shí)還沒有精密空調(diào)這個(gè)概念。空調(diào)機(jī)的供電系統(tǒng)也是來自市電。

　　如上所述，初期的計(jì)算機(jī)供電最終都是來自市電，因此市電的供電質(zhì)量就決定了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的命運(yùn)。因?yàn)樵缙诘挠?jì)算機(jī)功能有限，任何資料還不能像現(xiàn)在這樣直接用鍵盤或掃描輸。

　　入進(jìn)去，都必須將所有數(shù)據(jù)全部變換成“0”、“1”布爾代數(shù)的你基本形式，然后由“穿孔員”利用穿孔機(jī)在8位紙帶上穿孔，傳一個(gè)孔就是“1”，不穿孔處就是“0”。計(jì)算員就將穿好孔的紙帶通過光電機(jī)將資料輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，如果在運(yùn)算構(gòu)成中市電突然斷電，計(jì)算機(jī)內(nèi)所有資料就會(huì)全部丟失——一片空白。下一次運(yùn)算還必須重新由光電機(jī)將原始資料輸入，這就給計(jì)算帶來很大的麻煩。

　　于是人們就預(yù)想，假如在電源斷電的瞬間能給計(jì)算機(jī)一個(gè)故障信號(hào)，而此時(shí)電源在繼續(xù)供電5s，使計(jì)算機(jī)能將當(dāng)前的計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)信息存入存儲(chǔ)器，待市電恢復(fù)供電后，計(jì)算機(jī)就可接著停電前的結(jié)果繼續(xù)運(yùn)算。于是就出現(xiàn)了第一代不間斷供電電源UPS(UninterruptablePowerSupply)，如圖2所示就是一臺(tái)20kVA的飛輪儲(chǔ)能式UPS。這是一個(gè)5噸重的大飛輪，安裝在發(fā)電機(jī)的同軸上。這是一個(gè)在線式UPS，接通市電后發(fā)電機(jī)直接為負(fù)載供電，一旦市電斷電，5噸重的飛輪由于慣性關(guān)系(儲(chǔ)能)會(huì)繼續(xù)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)5s，以完成計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)過程。因此UPS就是為了保護(hù)數(shù)據(jù)而誕生的，有的稱之為計(jì)算機(jī)的孿生兄弟。

　　盡管如此，效率畢竟是太低了，而且后備時(shí)間也太短了。這只解決了一個(gè)保留現(xiàn)場(chǎng)問題，萬一市電停電時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)仍不能繼續(xù)工作，仍受市電的約束。

　　由于整流半導(dǎo)體器件的成熟，人們就將交流市電整流后給電池組充電，同時(shí)帶動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而同軸上的發(fā)電機(jī)也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，一旦市電斷電，電池組內(nèi)的儲(chǔ)能就可使得直流電動(dòng)交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)供電，其供電時(shí)間就可由電池組的儲(chǔ)能決定，如圖3所示。隨著可控硅(也稱晶閘管)器件在60年代后期的成熟，設(shè)計(jì)者就用可控硅逆變電路代替了吵雜而笨重的直流電動(dòng)交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，又由于當(dāng)時(shí)的電路只掌握了全橋逆變技術(shù)，電路輸出的是三條火線，而負(fù)載需要的是三相四線制的(在我國(guó)是220V/380V)電壓，所以不得不增加一個(gè)D-Y型輸出變壓器。到此旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式UPS進(jìn)化為靜止變換式UPS，從此UPS就分為兩支。一直到1980年美國(guó)IPM(國(guó)際動(dòng)力公司，后收入exide旗下)將靜止變換式UPS可控硅逆變器的多階梯波形電路上升為晶體三極管逆變的脈寬調(diào)制(即PWM)電路，使機(jī)器的體積和重量大大減輕。一直到上世紀(jì)90年代中后期全I(xiàn)GBT化高頻機(jī)UPS的問世，這一個(gè)UPS的發(fā)展過程完全是一個(gè)節(jié)能的過程。這中間UPS的主要供電對(duì)象一直圍繞著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，盡管計(jì)算機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)在已發(fā)展為數(shù)據(jù)中心，但UPS也一直陪伴著不離左右。可以說UPS是當(dāng)代數(shù)據(jù)中心不可缺少的直接供電系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大和重要性的提高，UPS供電系統(tǒng)也必須適應(yīng)這種變化。

　　二、數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)的發(fā)展與分類

　　現(xiàn)在已是數(shù)字化時(shí)代，為了適應(yīng)這種情況變化，UPS到今天不論從性能上還是品種上也已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，比如靜止變換式UPS已步入全I(xiàn)GBT時(shí)代;旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式UPS進(jìn)一步發(fā)展的飛輪儲(chǔ)能式結(jié)構(gòu)也有了很大的變化，由于轉(zhuǎn)速的提高，飛輪的體積和重量也有了明顯地下降;直流電壓UPS也在嘗試使用，等等。這種發(fā)展無不圍繞著一個(gè)節(jié)能的過程。

　　UPS供電系統(tǒng)的大致分類如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)今UPS分為兩大類：旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式和靜止變換式。

　　四、當(dāng)今UPS供電新技術(shù)

　　高頻機(jī)UPS技術(shù)的出現(xiàn)也推出了很多新技術(shù)，比如多級(jí)并聯(lián)時(shí)的無線并聯(lián);不用外加負(fù)載就可對(duì)機(jī)器做滿載和過載實(shí)驗(yàn);將ECO(經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式)的不可靠運(yùn)行升級(jí)為BSS(無功補(bǔ)償)技術(shù)，是供電系統(tǒng)效率高達(dá)98%;使UPS永遠(yuǎn)保持在高效率的節(jié)能運(yùn)行模式和一組電池的半橋逆變器電路，等等。為云計(jì)算和大數(shù)據(jù)供電系統(tǒng)優(yōu)化PUE打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。