談現代數據中心UPS供電系統的發展

　　一、早期的“數據中心”供電系統

　　計算機出現于上世紀50年代，開始的時候只是電子管構成的系統，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，當然是初期的系統。如圖1所示就是當時最領先的運算速度10萬次。

　　108甲計算機結構原理圖，可以看出計算機的每一部分都非常龐大，其構成部分的運算器、存儲器、轉換器、控制臺等都必須有自己單獨的直流電源系統，而這些直流電源的來源就是市電，如圖中所示。

　　其制冷系統是集中空調，當時還沒有精密空調這個概念?？照{機的供電系統也是來自市電。

　　如上所述，初期的計算機供電最終都是來自市電，因此市電的供電質量就決定了計算機系統的命運。因為早期的計算機功能有限，任何資料還不能像現在這樣直接用鍵盤或掃描輸。

　　入進去，都必須將所有數據全部變換成“0”、“1”布爾代數的你基本形式，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，如果在運算構成中市電突然斷電，計算機內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，而此時電源在繼續供電5s，使計算機能將當前的計算現場信息存入存儲器，待市電恢復供電后，計算機就可接著停電前的結果繼續運算。于是就出現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，安裝在發電機的同軸上。這是一個在線式UPS，接通市電后發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系(儲能)會繼續帶動發電機旋轉5s，以完成計算機的存儲過程。因此UPS就是為了保護數據而誕生的，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場問題，萬一市電停電時間較長，計算機仍不能繼續工作，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，從而同軸上的發電機也隨之轉動發電，一旦市電斷電，電池組內的儲能就可使得直流電動交流發電機系統繼續供電，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電機系統，又由于當時的電路只掌握了全橋逆變技術，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。到此旋轉發電機式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的發展過程完全是一個節能的過程。這中間UPS的主要供電對象一直圍繞著計算機系統，盡管計算機系統現在已發展為數據中心，但UPS也一直陪伴著不離左右?？梢哉fUPS是當代數據中心不可缺少的直接供電系統。隨著數據中心規模的擴大和重要性的提高，UPS供電系統也必須適應這種變化。

　　二、數據中心UPS供電系統的發展與分類

　　現在已是數字化時代，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展，比如靜止變換式UPS已步入全IGBT時代;旋轉發電機式UPS進一步發展的飛輪儲能式結構也有了很大的變化，由于轉速的提高，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。這種發展無不圍繞著一個節能的過程。

　　UPS供電系統的大致分類如圖4所示。從圖中可以看出，當今UPS分為兩大類：旋轉發電機式和靜止變換式。

　　四、當今UPS供電新技術

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