1.1.4 数据中心供电模式

1.传统的数据中心UPS供电系统解决方案

传统的数据中心中的设备要求交流输入电源，一般是与市电电源的电压和频率相同的电源，即220V、50Hz的单相交流电源。传统的数据中心的电源系统是UPS系统，UPS系统一般由整流充电器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。当市电正常时，市电经整流充电器变换为直流电供给逆变器，同时给蓄电池充电，逆变器将直流电变换为交流电供给负载。当UPS本身发生故障时，负载可经静态开关转换为旁路市电供电；当市电长时间停电时，由备用发电机组供电。

虽然数据中心的设备是单相供电的，但功率越来越大。由于单相UPS功率受到限制，解决的方法是用三相UPS供电，功率一般平均分到三相上，同时进行UPS并机，解决其供电可靠性的问题。由于UPS最终通过逆变换供电给数据设备，如果逆变与转换部分出现故障，那么蓄电池不能直接给数据设备供电，会导致数据设备中断。

（1）串联热备份UPS供电方式

串联热备份UPS供电方式消除了单点故障，实现简单，但是在同一时间只有一台UPS带载，所以存在超载能力差及主、备机老化不均等问题，目前已经较少采用。串联热备份UPS供电系统图如图1-1所示。

（2）冗余并联UPS供电方式

冗余并联UPS供电方式的最大好处是可以负载均分，其中任意一台UPS发生故障，则被切离，UPS系统不用进行任何转换，仍可工作在在线模式。这种供电方式可以根据负载容量，通过增加UPS的方式实现系统容量扩充。冗余并联UPS供电系统图如图1-2所示。

（3）双总线UPS供电方式

双总线UPS供电方式的最大特点是同时提供两路互不影响的供电母线，分别提供给双电源负载，或者通过STS再提供给单电源负载。这种供电方式也很好地消除了单点故障，但限于供电方案中又增加了LBS（同步控制）和STS（双路转换），所以也增加了故障点。双总线UPS供电系统图如图1-3所示。

2.公用-48V母线的混合系统解决方案

公用-48V母线的混合电源系统的结构特点是直流负载和交流负载的电源系统都采用-48V母线作为输入电源。当市电或整流充电器发生故障时，由于蓄电池与输出母排是并联的，所以-48V母线电源是不间断的。直流负载由-48V母线直接供电，交流负载经逆变器供电，即用-48V直流电源供电的逆变器代替了 UPS。公用 -48V母线的混合系统图如图1-4所示。

混合系统解决方案技术成熟，-48V电源是真正的不间断电源，其输出纯净，所以系统整体稳定性有所提高，不易拉弧，安全性高。混合系统解决方案的缺点是在交流负载的电源链中增加了电源变换的次数，且电压低，电流大，增加了损耗，降低了系统效率。这种电源系统结构仅适用于交流负载为中、小功率的情况。

3.整流型rAC高压供电系统解决方案

整流型rAC高压供电系统类似传统的-48V直流电源系统中的直流母线由经过整流的母线替代，实际上是脉动的直流。系统由整流桥、高电压蓄电池、蓄电池开关、充电机等组成。这种rAC高压供电系统的输入谐波电流抑制和功率因数需要补偿，必须在rAC母线上并联谐波抑制器。整流型rAC高压供电系统图如图1-5所示。

rAC高压供电解决方案在整个供电电路中只有一个变换级，损耗小，效率高，蓄电池充电机只用于给蓄电池离线充电，所以容量较小，成本低。rAC高压供电解决方案电压高，安全标准要求高，采用单体蓄电池数量较多，要求进行更严格的蓄电池管理。

4.高压直流供电系统解决方案

数据中心设备内部电源状况是计算机主机、显示器、打印机等电气设备的内部电源都是开关电源，将输入的交流220V先整流、滤波成直流300V后，再通过电源开关管和开关变压器降压、稳压成低压，为各部分提供电源。一般交流电压为110～250V，通过整流、滤波后的直流电压为150～340V。因此，给这些设备输入一个150～340V的直流电压，设备是可以正常工作的。额定电压在228～280V（后备12V蓄电池19只或20只）范围内的直流电通过桥式整流电路、滤波后，仍是直流228～280V，在150～340V之间，所以开关电源仍能正常工作。高压直流供电系统图如图1-6所示。

（1）高压直流供电系统解决方案1

高压直流供电系统解决方案1的交流输入、整流电路和蓄电池、充电机与rAC高压供电系统是相同的。不同的是此高压直流供电系统将rAC直接供到集中的大功率DC/DC变换器，再变换为稳定的高压DC270V。如果交流输入电源故障，则由蓄电池经直流开关和大功率DC/DC变换器供给负载设备270V直流电。高压直流供电系统解决方案1如图1-7所示。

此供电系统的可靠性高、效率高，在负载设备的功率较大时更为突出、成本低；采用单体大功率DC/DC，电压高，电流大，要求较高的安全标准；采用蓄电池数量多，要求进行更严格的蓄电池管理。

（2）高压直流供电系统解决方案2

高压直流供电系统解决方案2是目前国内电信运营商在IDC机房改善供电的试用电源系统，与传统的-48V直流电源系统类似，是由多个冗余并联整流充电器和蓄电池组成的。在正常情况下，整流充电器将市电变换为270V直流电，供给数据中心设备，同时给蓄电池充电。当市电停电时，由蓄电池放电为数据中心设备供电。当长时间市电停电时，由备用发电机组供电。与传统的-48V直流电源系统的一样，蓄电池备用时间为1～24h，典型的蓄电池备用时间为1～3h。此供电系统，在试用中优势得到较充分的体现。高压直流供电系统解决方案2如图1-8所示。

此供电系统的蓄电池直接并联到输出母线上，母线电源是不间断的；采用分级分布式控制，当整流模块和 CSU发生故障时，各自独立控制，避免故障扩散；并机容易，电源采用模块化设计，支持带电热插拔，更换方便。

此供电系统与传统的-48V直流电源系统一样，采用全面的智能化管理模式，对蓄电池部分管理完善，有效延长了蓄电池的使用寿命；无谐波干扰，易扩容，对计算机和服务器来说，采用直流输入，不再存在相位和频率的问题，多机并联变得简单易行，无谐波干扰；采用标准电气柜，对分路输出和母线的绝缘状况可进行实时监控，安全性高；同样容量的系统，由于采用N+1模式，投资少，性价比高；但要求直流专用元器件，对元器件灭弧要求高；由于电压高，无过零点，对安全性要求高。

（3）高压直流供电系统解决方案3

高压直流供电系统解决方案3与方案2是类似的，所不同的是，方案3的供电系统增加升压电路，将直流输出电压提高到400V。这是针对专门的高压服务器电源，目前此服务器尚在研制之中。由于系统输出电压高，对目前大量使用的服务器有些是不可用的，但由于它的某些优点突出，可能成为未来的一种发展趋势。高压直流供电系统解决方案3如图1-9所示。

此供电系统采用模块化供电，蓄电池直接连接负载，母线电源不间断；电源效率最高，输出为直流，无功率因数与谐波问题，具备最强带负载能力，节省成本与空间；但故障的安装拆除易造成拉弧，对安全的要求高，对元器件的要求也高。

信息技术的迅速发展推动了电源设备技术的进步，高压直流供电系统解决方案2与方案3因为其可靠性高且效率高，特别适用于设备功率较大场合的数据中心供电。方案2适合于目前的服务器，也是目前数据中心供电改造相对最适合的方案，方案3可能是一种数据中心供电的发展趋势。