[導(dǎo)讀]UPS電源正在扮演一個(gè)更加純粹的“守護(hù)者”的角色——用更少的消耗換取更高的可靠性，這首先是數(shù)據(jù)中心大型化集約化發(fā)展的需要，同時(shí)也是時(shí)代對(duì)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)綠色環(huán)保節(jié)能提出的新要求。

    隨著IT技術(shù)的發(fā)展，特別是云計(jì)算的興起，做為基礎(chǔ)物理設(shè)施的供電系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)理念和配置方法也在發(fā)生著明顯的變化。國(guó)外一系列的數(shù)據(jù)中心建設(shè)案例呈現(xiàn)出這樣的特點(diǎn)，即提高系統(tǒng)的可靠性、更高的供電效率以及日益縮短的后備時(shí)間�？梢哉fUPS電源正在扮演一個(gè)更加純粹的“守護(hù)者”的角色——用更少的消耗換取更高的可靠性，這首先是數(shù)據(jù)中心大型化集約化發(fā)展的需要，同時(shí)也是時(shí)代對(duì)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)綠色環(huán)保節(jié)能提出的新要求。

    更高的供電效率

　　隨著云計(jì)算的蓬勃發(fā)展,數(shù)據(jù)中心能耗的不斷增加已越來越受到業(yè)界人士的關(guān)注。2006年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的總耗電量約為610億千瓦時(shí)，總電力成本約為45億美金;而2011年，美國(guó)數(shù)據(jù)中心的總耗電量已超過1000億千瓦時(shí)，總電力成本高達(dá)74億美金。數(shù)據(jù)中心的成本、效率和可持續(xù)性受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)中心耗電量急劇上升，“數(shù)據(jù)中心節(jié)能”成為未來數(shù)據(jù)中心建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。UPS在數(shù)據(jù)中心中耗電量為18%，然而，由于UPS系統(tǒng)需要7x24小時(shí)在線運(yùn)行，所以提高UPS供電效率可以帶來直接的電力節(jié)省。哪怕是些許的效率提升，每年也會(huì)節(jié)省大量的電費(fèi)開支。影響UPS系統(tǒng)效率的兩個(gè)因素為：UPS系統(tǒng)自身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和決定UPS負(fù)載因數(shù)的數(shù)據(jù)中心電源及配電的設(shè)計(jì)。

    UPS系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)很大程度上決定了效率。目前市面上UPS主要有兩種結(jié)構(gòu)—在線互動(dòng)式和在線雙轉(zhuǎn)換式。

　　在線互動(dòng)式UPS將整流器和逆變器與市電輸入并聯(lián)。這種設(shè)計(jì)使得在線互動(dòng)式UPS可以對(duì)市電(過壓或欠壓)進(jìn)行補(bǔ)償;同時(shí)通過相應(yīng)的電路，對(duì)諧波、瞬態(tài)波動(dòng)和其他電力質(zhì)量問題進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)市電不可用或超出設(shè)定范圍，在線互動(dòng)式UPS通過靜態(tài)開關(guān)將負(fù)載與市電隔離，同時(shí)切換到電池或飛輪等儲(chǔ)能裝置給負(fù)載供電。

　　在線雙轉(zhuǎn)換式UPS系統(tǒng)雙變換式UPS系統(tǒng)將負(fù)載與市電完全隔離。在任何時(shí)刻都對(duì)負(fù)載提供100% 調(diào)整過的交流電。由于雙變換式UPS工作時(shí)對(duì)市電能量進(jìn)行兩次變換 – 第一次是交流到直流，然后再是直流到交流，也因此得名“雙變換式UPS”。正常運(yùn)行狀態(tài)下，即使市電沒有電力干擾，雙轉(zhuǎn)換UPS系統(tǒng)也會(huì)一直給負(fù)載提供處理過的交流信號(hào)。

　　使用雙轉(zhuǎn)換UPS，電源要從交流整流到直流，再?gòu)闹绷髂孀兊浇涣�，才能確保輸出端完整的正弦波及頻率保護(hù)功能，以及保護(hù)負(fù)載免受七種電力干擾的影響。這個(gè)方法既超出了現(xiàn)代IT設(shè)備的電源需求，又消耗了大量的能源。

　　比較而言，在線互動(dòng)式UPS設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，在主電力通路上的器件更少，從而在保護(hù)負(fù)載的同時(shí)獲得更高的供電效率。由此可見，采用飛輪儲(chǔ)能UPS系統(tǒng)可以有效降低能耗已經(jīng)成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。

　　Active Power提供飛輪UPS即采用在線互動(dòng)式設(shè)計(jì)，可以達(dá)到與在線雙變換式UPS相同的電力輸出質(zhì)量，主要是采用了高速微處理器，可以在一個(gè)20ms周波內(nèi)對(duì)市電采樣400次，快速對(duì)電源的瞬態(tài)問題作出響應(yīng)。而飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)負(fù)載的輸入電路設(shè)計(jì)幾乎和在線雙變換式UPS相同。除了通過UPS架構(gòu)對(duì)電能節(jié)省外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)相比蓄電池對(duì)環(huán)境條件(溫/濕度)要求更低，另外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)占地面積只有蓄電池1/4，大大降低了對(duì)制冷量和制冷空間的要求，從而進(jìn)一步節(jié)省電能。以一個(gè)15000平方英尺的數(shù)據(jù)中心為例，按每平方英尺的IT設(shè)備運(yùn)行功率為50W計(jì)算，每年需要消耗電能6.9 兆瓦時(shí)(MWh)。如果UPS電源系統(tǒng)在效率上提高5%，每年可降低384,000 千瓦時(shí)(kWh)的電能消耗，或大約節(jié)省3.8萬美元的電費(fèi)開支(按0.10美元/千瓦時(shí)計(jì)算)，另外還可大量減少在冷卻負(fù)載方面的節(jié)省。

　　至于，對(duì)于在線互動(dòng)式UPS最主要的質(zhì)疑即針對(duì)市電頻率波動(dòng)的處理能力，因?yàn)檩敵鲱l率是與市電同步，Active Power利用了同樣的微處理器解決這個(gè)問題，只允許+/- 0.2% 市電頻率的漂移，當(dāng)市電超出這個(gè)范圍，將由飛輪進(jìn)行供電，這樣做的結(jié)果是有效保證了供電質(zhì)量。

　　更高的可靠性

　　數(shù)據(jù)信息的重要性的提升，使得數(shù)據(jù)中心的可靠性在政府和企業(yè)中的日益凸顯;雖然能效對(duì)于數(shù)據(jù)中心越來越重要，但運(yùn)維人員仍然對(duì)于任何可能引起宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的改變都極其慎重;更多的關(guān)于數(shù)據(jù)中心供電可靠性的知識(shí)可以幫助運(yùn)維人員在提高數(shù)據(jù)中心供電效率的同時(shí)減少顧慮。

　　自從1996年，MTechnology 公司(MTech)一直采用風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估法(PRA)這種科學(xué)的方法，對(duì)高效電力設(shè)備進(jìn)行評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估法(PRA)是用于評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)可靠性和有效性的正式技術(shù)方法的集合。PRA技術(shù)通過綜合簡(jiǎn)單部件故障率的已知信息，利用正式的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)可靠性作出令人信服的評(píng)估。對(duì)于大部分電氣、電子和機(jī)械部件來說，都有其可供參考的故障率數(shù)據(jù)。PRA的計(jì)算方法參考這些數(shù)據(jù)，并考慮到各部件在特定系統(tǒng)中相互作用的因素，利用專業(yè)知識(shí)將他們?nèi)诤弦黄�。所以，在系統(tǒng)組成以前，就能評(píng)估出復(fù)雜系統(tǒng)的故障率。

　　MTechnology 公司將停電分為兩類：

　　超過10秒鐘的長(zhǎng)時(shí)間市電中斷：在這種情況下，通過命令自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，交流電源轉(zhuǎn)移到發(fā)電機(jī)，然后發(fā)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。在發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)生十秒鐘以上電力中斷的情況并不多見。事實(shí)上，根據(jù)美國(guó)電力研究所(EPRI)的評(píng)估結(jié)果顯示，用戶遭受電壓下跌的幾率要高出電力完全中斷幾率的十倍之多。在電力完全中斷的案例中，超過10秒鐘的情況不超過4%。

　　故障樹分析顯示，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)故障是引起備用電源系統(tǒng)故障的最重要原因。使用中的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)生故障的次數(shù)大約占系統(tǒng)預(yù)期故障次數(shù)的95%。模型中使用了電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì)黃金書(IEEE Gold Book)的數(shù)據(jù)，其故障率大約為每小時(shí)10-5，或超過100,000小時(shí)(11年以上)的故障平均間隔時(shí)間，這說明整套機(jī)電部件在持續(xù)使用中性能良好。因?yàn)樽詣?dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)只是單點(diǎn)故障，所以它的故障率占據(jù)了大部分的系統(tǒng)故障，且自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)故障幾乎總會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因?yàn)樽詣?dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)故障率、主開關(guān)柜故障率和發(fā)電機(jī)故障率是系統(tǒng)的主要故障率。下圖為故障樹模型的Active Power飛輪UPS簡(jiǎn)化單線流程圖。

　　數(shù)據(jù)顯示：包含Active Power飛輪 UPS的系統(tǒng)幾乎不會(huì)發(fā)生故障。短時(shí)間電力中斷情況所作的模擬次數(shù)是長(zhǎng)時(shí)間電力中斷模擬次數(shù)的100多倍。增加短時(shí)間電力中斷故障率將對(duì)以上結(jié)果有重要影響�！�

    小于10秒鐘的短暫市電中斷：這種情況下，在市電恢復(fù)前，UPS中儲(chǔ)存的能量足以支持負(fù)載正常運(yùn)行，所以就不必考慮將電源轉(zhuǎn)移到發(fā)電機(jī)上的問題。在這種情況下，將會(huì)明顯顯現(xiàn)出兩套UPS系統(tǒng)核心可靠性的差別。

　　在短時(shí)間電力中斷的情況下，儲(chǔ)存的電能足可以維持任何電力干擾的通過時(shí)間。假定小于10秒的電壓下降和電力中斷情況占所有電壓下降和電力中斷情況96%，這個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)在決定單個(gè)UPS系統(tǒng)可靠性方面具有重要作用故障樹分析顯示，可檢測(cè)到的電池故障和檢測(cè)不到的電池故障占所有雙轉(zhuǎn)換蓄電池故障的90%。在良好的維護(hù)保養(yǎng)及有效測(cè)試情況下，能夠降低電池故障率，上述雙轉(zhuǎn)換蓄電池的理論故障率是在這個(gè)基礎(chǔ)上得出的。參考MTech研究結(jié)果，經(jīng)驗(yàn)告訴我們蓄電池在實(shí)際的使用中并不可能如同模型中預(yù)測(cè)的那樣可靠。雙轉(zhuǎn)換蓄電池UPS系統(tǒng)中，最有可能運(yùn)行失敗的模式是檢測(cè)不到的電池故障，檢測(cè)蓄電池單元是相當(dāng)困難的工作。即使使用最樂觀的假設(shè)，即使每月檢測(cè)雙轉(zhuǎn)換蓄電池且可檢測(cè)出大量蓄電池故障)，其對(duì)比結(jié)果仍是飛輪 UPS系統(tǒng)具有更高的可靠性。在實(shí)際使用中，大部分電池故障是檢測(cè)不到的，所以飛輪UPS更具優(yōu)點(diǎn)。有專家指出“UPS系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)故障的部分就是蓄電池。唯一確保蓄電池可靠工作的方式就是定期測(cè)試。蓄電池可能表面看起來很好，但實(shí)際是處于失效的邊緣。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用了幾乎10倍于實(shí)際需求的維護(hù)量。而‘過量維護(hù)’恰恰降低了系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)槿藶楦深A(yù)是所有因素中可靠性最低的�！�

　　兩套系統(tǒng)的共有部分是：?jiǎn)温肥须婐侂姾屯ㄟ^開關(guān)柜及自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)同UPS系統(tǒng)輸入端相連的備用發(fā)電機(jī)。下圖中展示了連接到UPS輸入電路的市電、發(fā)電機(jī)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)和主開關(guān)柜的單線流程簡(jiǎn)圖內(nèi)容。

　　分析結(jié)果顯示雙轉(zhuǎn)換UPS系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性高出飛輪 UPS系統(tǒng)七倍之多。飛輪UPS系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是當(dāng)需要時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率非常小。換言之，如果在飛輪系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)市電發(fā)生中斷，則飛輪的電力輸出是幾乎可以保證的”

　　更短的后備時(shí)間

　　UPS配置30分鐘的后備電池曾經(jīng)是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但如今已縮短到15分鐘或更短。這是數(shù)據(jù)中心業(yè)主試圖平衡可靠性和運(yùn)維成本的結(jié)果，也是由于數(shù)據(jù)中心的容錯(cuò)機(jī)制將更多依賴軟件和算法的控制，而降低了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施硬件冗余的依賴。

　　數(shù)據(jù)中心發(fā)展至今，在市電中斷時(shí)對(duì)數(shù)千臺(tái)甚至上萬臺(tái)IT設(shè)備實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)的想法已經(jīng)不現(xiàn)實(shí)，并且無法被業(yè)主接受;數(shù)據(jù)中心供電標(biāo)準(zhǔn)要求兩路市電或市電與后備發(fā)電機(jī)之間的手動(dòng)切換。

　　15分鐘可以給后備發(fā)電機(jī)組“多一次啟動(dòng)機(jī)會(huì)”的想法也不成立，因?yàn)槿绻�發(fā)電機(jī)組在最初的5至6秒鐘內(nèi)無法啟動(dòng)的話，那么就像汽車一樣，幾乎不可能在接下來的15分鐘內(nèi)可以恢復(fù)啟動(dòng);數(shù)據(jù)中心供電標(biāo)準(zhǔn)要求后備發(fā)電機(jī)組必須在15秒內(nèi)完成啟動(dòng)帶載，并且目前的發(fā)電機(jī)技術(shù)完全可以滿足。

　　越來越多的客戶傾向于飛輪UPS的依據(jù)是，如果發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不能在15秒內(nèi)啟動(dòng)并正常帶載的話，那么運(yùn)維人員也不太可能會(huì)在15或者30分鐘內(nèi)找到故障并立刻修復(fù)，數(shù)據(jù)中心的電力中斷將在所難免!”新建數(shù)據(jù)中心開始考慮是否真的需要30分鐘的后備時(shí)間，是否更短的時(shí)間也可以接受？據(jù)此，有研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)將引發(fā)一場(chǎng)UPS選擇和配置的變革。過去認(rèn)為是非主流或小眾市場(chǎng)的UPS技術(shù)在未來會(huì)得到推崇。而數(shù)據(jù)中心模塊化部署的趨勢(shì)必將推動(dòng)這場(chǎng)變革。

　　對(duì)國(guó)內(nèi)用戶來說，目前市電電源的可靠性達(dá)到3個(gè)99(99.9%)，有些重要的負(fù)載更采用雙路市電供電，市電的可靠性可以說已經(jīng)達(dá)到了4個(gè)9，即99.99%。萬一市電中斷，后備電源的可靠性也可以達(dá)到3個(gè)9，從市電到后備電源的切換，在技術(shù)上只需要10秒的時(shí)間，這是一個(gè)公開的標(biāo)準(zhǔn)。目前，歐洲已經(jīng)將這個(gè)時(shí)間定在了8秒。目前國(guó)內(nèi)很多數(shù)據(jù)中心，多采用2N以上結(jié)構(gòu)，使用飛輪UPS完全可以滿足應(yīng)用。

　　近日，常州柴油發(fā)電機(jī)工廠， Active Power飛輪UPS與油機(jī)配合實(shí)測(cè)證明此言不虛。Active Power實(shí)測(cè)設(shè)備CleanSource1000KVA飛輪UPS數(shù)據(jù)顯示：飛輪UPS空載、半載系統(tǒng)切換時(shí)間分別為8.8秒、11.5秒;飛輪UPS帶載率55%、99%時(shí)，飛輪放電時(shí)間分別為36秒、20秒，飛輪飛輪UPS與油機(jī)“黃金搭檔”的默契配合，得到了大家一致贊譽(yù)。其供電效率也得到了驗(yàn)證：當(dāng)飛輪UPS帶載率50%、70%、滿載時(shí)，飛輪UPS供電效率分別為96%、97%及98%。飛輪UPS在測(cè)試中表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，生動(dòng)地展現(xiàn)了機(jī)械儲(chǔ)能UPS技術(shù)的卓越性能以及廣闊的發(fā)展空間。