谈现代数据中心UPS供电系统的发展

　　一、早期的“数据中心”供电系统

　　计算机出现于上世纪50年代，开始的时候只是电子管构成的系统，运算速度也慢。自1964年我国是成了世界上的第一台半导体计算机，才使计算机进入半导体领域。当时的计算本身就是一个系统，当然是初期的系统。如图1所示就是当时最领先的运算速度10万次。

　　108甲计算机结构原理图，可以看出计算机的每一部分都非常庞大，其构成部分的运算器、存储器、转换器、控制台等都必须有自己单独的直流电源系统，而这些直流电源的来源就是市电，如图中所示。

　　其制冷系统是集中空调，当时还没有精密空调这个概念。空调机的供电系统也是来自市电。

　　如上所述，初期的计算机供电最终都是来自市电，因此市电的供电质量就决定了计算机系统的命运。因为早期的计算机功能有限，任何资料还不能像现在这样直接用键盘或扫描输。

　　入进去，都必须将所有数据全部变换成“0”、“1”布尔代数的你基本形式，然后由“穿孔员”利用穿孔机在8位纸带上穿孔，传一个孔就是“1”，不穿孔处就是“0”。计算员就将穿好孔的纸带通过光电机将资料输入计算机进行运算，如果在运算构成中市电突然断电，计算机内所有资料就会全部丢失——一片空白。下一次运算还必须重新由光电机将原始资料输入，这就给计算带来很大的麻烦。

　　于是人们就预想，假如在电源断电的瞬间能给计算机一个故障信号，而此时电源在继续供电5s，使计算机能将当前的计算现场信息存入存储器，待市电恢复供电后，计算机就可接着停电前的结果继续运算。于是就出现了第一代不间断供电电源UPS(UninterruptablePowerSupply)，如图2所示就是一台20kVA的飞轮储能式UPS。这是一个5吨重的大飞轮，安装在发电机的同轴上。这是一个在线式UPS，接通市电后发电机直接为负载供电，一旦市电断电，5吨重的飞轮由于惯性关系(储能)会继续带动发电机旋转5s，以完成计算机的存储过程。因此UPS就是为了保护数据而诞生的，有的称之为计算机的孪生兄弟。

　　尽管如此，效率毕竟是太低了，而且后备时间也太短了。这只解决了一个保留现场问题，万一市电停电时间较长，计算机仍不能继续工作，仍受市电的约束。

　　由于整流半导体器件的成熟，人们就将交流市电整流后给电池组充电，同时带动直流电动机旋转，从而同轴上的发电机也随之转动发电，一旦市电断电，电池组内的储能就可使得直流电动交流发电机系统继续供电，其供电时间就可由电池组的储能决定，如图3所示。随着可控硅(也称晶闸管)器件在60年代后期的成熟，设计者就用可控硅逆变电路代替了吵杂而笨重的直流电动交流发电机系统，又由于当时的电路只掌握了全桥逆变技术，电路输出的是三条火线，而负载需要的是三相四线制的(在我国是220V/380V)电压，所以不得不增加一个D-Y型输出变压器。到此旋转发电机式UPS进化为静止变换式UPS，从此UPS就分为两支。一直到1980年美国IPM(国际动力公司，后收入exide旗下)将静止变换式UPS可控硅逆变器的多阶梯波形电路上升为晶体三极管逆变的脉宽调制(即PWM)电路，使机器的体积和重量大大减轻。一直到上世纪90年代中后期全IGBT化高频机UPS的问世，这一个UPS的发展过程完全是一个节能的过程。这中间UPS的主要供电对象一直围绕着计算机系统，尽管计算机系统现在已发展为数据中心，但UPS也一直陪伴着不离左右。可以说UPS是当代数据中心不可缺少的直接供电系统。随着数据中心规模的扩大和重要性的提高，UPS供电系统也必须适应这种变化。

　　二、数据中心UPS供电系统的发展与分类

　　现在已是数字化时代，为了适应这种情况变化，UPS到今天不论从性能上还是品种上也已有了长足的发展，比如静止变换式UPS已步入全IGBT时代;旋转发电机式UPS进一步发展的飞轮储能式结构也有了很大的变化，由于转速的提高，飞轮的体积和重量也有了明显地下降;直流电压UPS也在尝试使用，等等。这种发展无不围绕着一个节能的过程。

　　UPS供电系统的大致分类如图4所示。从图中可以看出，当今UPS分为两大类：旋转发电机式和静止变换式。

　　四、当今UPS供电新技术

　　高频机UPS技术的出现也推出了很多新技术，比如多级并联时的无线并联;不用外加负载就可对机器做满载和过载实验;将ECO(经济运行模式)的不可靠运行升级为BSS(无功补偿)技术，是供电系统效率高达98%;使UPS永远保持在高效率的节能运行模式和一组电池的半桥逆变器电路，等等。为云计算和大数据供电系统优化PUE打下了坚实的基础。