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)

　　計算機出現(xiàn)于上世紀50年代，開始的時候只是電子管構(gòu)成的系統(tǒng)，運算速度也慢。自1964年我國是成了世界上的第一臺半導體計算機，才使計算機進入半導體領域。當時的計算本身就是一個系統(tǒng)，當然是初期的系統(tǒng)。如圖1所示就是當時最領先的運算速度10萬次。

　　108甲計算機結(jié)構(gòu)原理圖，可以看出計算機的每一部分都非常龐大，其構(gòu)成部分的運算器、存儲器、轉(zhuǎn)換器、控制臺等都必須有自己單獨的直流電源系統(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)，當時還沒有精密空調(diào)這個概念?？照{(diào)機的供電系統(tǒng)也是來自市電。

　　如上所述，初期的計算機供電最終都是來自市電，因此市電的供電質(zhì)量就決定了計算機系統(tǒng)的命運。因為早期的計算機功能有限，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”利用穿孔機在8位紙帶上穿孔，傳一個孔就是“1”，不穿孔處就是“0”。計算員就將穿好孔的紙帶通過光電機將資料輸入計算機進行運算，如果在運算構(gòu)成中市電突然斷電，計算機內(nèi)所有資料就會全部丟失——一片空白。下一次運算還必須重新由光電機將原始資料輸入，這就給計算帶來很大的麻煩。

　　于是人們就預想，假如在電源斷電的瞬間能給計算機一個故障信號，而此時電源在繼續(xù)供電5s，使計算機能將當前的計算現(xiàn)場信息存入存儲器，待市電恢復供電后，計算機就可接著停電前的結(jié)果繼續(xù)運算。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20kVA的飛輪儲能式UPS。這是一個5噸重的大飛輪，安裝在發(fā)電機的同軸上。這是一個在線式UPS，接通市電后發(fā)電機直接為負載供電，一旦市電斷電，5噸重的飛輪由于慣性關(guān)系(儲能)會繼續(xù)帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)5s，以完成計算機的存儲過程。因此UPS就是為了保護數(shù)據(jù)而誕生的，有的稱之為計算機的孿生兄弟。

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

　　由于整流半導體器件的成熟，人們就將交流市電整流后給電池組充電，同時帶動直流電動機旋轉(zhuǎn)，從而同軸上的發(fā)電機也隨之轉(zhuǎn)動發(fā)電，一旦市電斷電，電池組內(nèi)的儲能就可使得直流電動交流發(fā)電機系統(tǒng)繼續(xù)供電，其供電時間就可由電池組的儲能決定，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，設計者就用可控硅逆變電路代替了吵雜而笨重的直流電動交流發(fā)電機系統(tǒng)，又由于當時的電路只掌握了全橋逆變技術(shù)，電路輸出的是三條火線，而負載需要的是三相四線制的(在我國是220V/380V)電壓，所以不得不增加一個D-Y型輸出變壓器。到此旋轉(zhuǎn)發(fā)電機式UPS進化為靜止變換式UPS，從此UPS就分為兩支。一直到1980年美國IPM(國際動力公司，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，使機器的體積和重量大大減輕。一直到上世紀90年代中后期全IGBT化高頻機UPS的問世，這一個UPS的發(fā)展過程完全是一個節(jié)能的過程。這中間UPS的主要供電對象一直圍繞著計算機系統(tǒng)，盡管計算機系統(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)模的擴大和重要性的提高，UPS供電系統(tǒng)也必須適應這種變化。

　　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)字化時代，為了適應這種情況變化，UPS到今天不論從性能上還是品種上也已有了長足的發(fā)展，比如靜止變換式UPS已步入全IGBT時代;旋轉(zhuǎn)發(fā)電機式UPS進一步發(fā)展的飛輪儲能式結(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，當今UPS分為兩大類：旋轉(zhuǎn)發(fā)電機式和靜止變換式。

　　四、當今UPS供電新技術(shù)

　　高頻機UPS技術(shù)的出現(xiàn)也推出了很多新技術(shù)，比如多級并聯(lián)時的無線并聯(lián);不用外加負載就可對機器做滿載和過載實驗;將ECO(經(jīng)濟運行模式)的不可靠運行升級為BSS(無功補償)技術(shù)，是供電系統(tǒng)效率高達98%;使UPS永遠保持在高效率的節(jié)能運行模式和一組電池的半橋逆變器電路，等等。為云計算和大數(shù)據(jù)供電系統(tǒng)優(yōu)化PUE打下了堅實的基礎。