前言

一个典型的数据中心供电系统，由中压配电、变压器、低压配电、不间断电源、末端配电以及发电机等设备组成。

其中，UPS的主要作用，是在市电电源中断、发电机启动之前，确保所带的负载持续供电，因此，UPS系统包含了储能设备，如蓄电池或飞轮；此外，传统UPS还具有隔离市电侧浪涌、电压骤升骤降等作用。
UPS系统是数据中心供电连续性的重要保障，UPS系统的可靠性直接影响数据中心的可靠性，同时，在绝大多数数据中心，UPS系统的损耗可占IT设备能耗的10%以上。
因此，提高UPS系统的可靠性，同时降低其损耗，就成为数据中心UPS系统架构演变的主旋律。
传统UPS供电系统
目前，数据中心内应用广的不间断电源还是传统UPS，它主要由整流AC-DC、逆变DC-AC和静态旁路3部分电路组成，DC母线上挂接蓄电池，输入AC正常时，经整流和逆变两次转换后为负载供电，同时为蓄电池浮充，输入AC中断时，蓄电池由浮充转放电，经逆变器为负载供电，对负载来说，感受不到输入端电源的中断。
UPS设备的分类

从结构上看，UPS设备可以分为后备式、在线互动式、双转换在线式、Delta转换在线式等类型，其中前两种主要用于小容量负载（≤5kVA），Delta转换在线式技术受专利保护，因此，大型数据中心主要采用双转换在线式UPS设备。

UPS冗余设计

由于UPS设备结构复杂，因此自身容易发生故障，设备冗余可以提高可用性，UPS系统便有了N、N+X、2N、”市电+U电“等架构。

1.N系统满足基本需求，没有冗余的UPS设备。它的优点是系统简单，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在设计满负荷条件下，因此效率较高。其缺点是可用性低，当UPS发生故障，负载将转换到旁路供电，无保护电源；在UPS、电池等设备维护期间，负载处于无保护电源状态；存在多个单故障点。

2.N+X并联冗余系统是指由N+X台型号规格相同且具有并机功能的UPS设备并联组成的系统，配置N台UPS设备，其总容量为系统的基本容量，再配置X台（X＝1～N）UPS冗余设备，允许X台设备故障退出检修。相对于“N”系统，“N+X”系统在UPS配置上有了一定的冗余，系统可靠性有所提高，同时带来了系统配置成本的增加、系统负荷率的降低以及效率降低。

N+X系统在成本增加不多的前提下提高了可用性，因此，在数据中心得到了广泛的应用，但是该系统在UPS输出端仍然存在单故障点，实际项目中由此造成的系统宕机屡见不鲜。 

3.2N，为了消除单点故障，高等级数据中心通常采用2N冗余系统。该系统是指由两套或多套UPS系统组成的冗余系统，每套UPS系统N台UPS设备的总容量为系统的基本容量。

该系统从交流输入经UPS设备直到双电源输入负载，完全是彼此隔离的两条供电线路，也就是说，在供电的整个路径中的所有环节和设备都是冗余配置的，正常运行时，每套UPS系统仅承担总负荷的一部分。这种多电源系统冗余的供电方式，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，对于少数单电源设备的情况，可通过安装小型STS设备，保证其供电可靠性。采用2N冗余系统可用性得到明显提高。4.2N冗余系统的缺点也非常明显，设备配置多、成本高，通常情况下效率比N+X系统更低。5.“市电+U电”供电架构由百度提出并在其自建M1数据中心规模应用，它在N+1系统基础上做了改进，UPS设备配置不变，将服务器等双电源设备的其中1路改由市电直接供电，消除了单点故障，可靠性较N+1系统大大提高，同时，UPS系统的损耗降低为原先的50%。UPS系统整体效率提升至95%以上。

高压直流（HVDC）不间断电源系统

尽管所有国家的市电都是交流，但是IT设备内部都采用直流供电，这就为直流供电提供了可能。事实上，通信行业采用直流48V供电已经有几十年的历史，电力行业也长期采用直流220V作为断路器等设备的操作和控制电源（直流屏）。

传统UPS设备存在效率低、可靠性差、灵活性和扩展性差、故障后不易修复等问题，所以业内一直在寻找替换UPS的方案。
现有主流的高压直流供电系统图，与通信行业48V直流系统架构基本一致。与传统双转换在线式UPS系统的主要区别，是取消了逆变环节，蓄电池挂接在直流母线，与整流器并联，同时为IT设备供电。由于直流电源拓扑简单，因此故障率较UPS有所降低，因采用模块化设计，可在线维护。

分布式不间断电源系统

UPS或HVDC通常采用集中式供电方案，集中式系统的优点是可以实现资源共享，降低成本，其缺点是系统故障范围大，影响面广。 

UPS也有小型机分布式供电方案，但是多套分布式小型机系统与1套集中式大型UPS系统相比，小型机的数量多，故障点多，成本高，因此大中型数据中心不会采用分布式UPS系统。
尽管有如上问题，但是对于分布式不间断电源系统的探索，从来没有停止过。谷歌和Facebook都在探索分布式不间断电源系统在IDC数据机房中的应用。

1.谷歌是早进行服务器自研定制的互联网公司，同时也早放弃了集中式UPS电源方案，转将蓄电池分布到每台服务器电源直流12V输出端。

市电正常时，进入服务器电源转换成DC12V为服务器主板供电，同时为蓄电池提供浮充电源，市电停电后，由DC12V母线并联的蓄电池继续给主板供电，直到柴油发电机启动后回复交流供电。谷歌早期采用铅酸电池供电，因服务器内部高温导致铅酸电池故障率高，后改为锂电池方案。蓄电池的后备时间为分钟级（通常为1-3分钟）。 此方案的优点是大大简化了IT设备前端供电系统，缺点是服务器电源需要深度定制。

2.Facebook自建数据中心的供电系统采用DC48V离线备用系统。为每6个9kW的机柜配置1个铅酸蓄电池柜，输出为DC48V，服务器电源采用AC277V和DC48V双输入，市电正常时作为主用，市电中断后由蓄电池输出DC48V为服务器供电。蓄电池后备时间为45秒。此方案的系统效率与240V HVDC Offline方案及DC12V分布式系统相当。

3.随着业内对数据中心能耗关注日益增强，国内近几年出现了一种新型的分布式DC240V电源设备，同样采用离线方案，市电正常时，直接输出市电电源，市电停电后，由内部锂电池提供DC240V输出。 这种方案的优势是IT设备无需定制，只要兼容DC240V供电即可。

其缺点是电源内部存在AC220V和DC240V的切换，系统可靠性降低；锂电池串联数量多，单只电池故障会影响系统的可靠性。 从实际应用效果看，某互联网公司租用的数据中心一年中发生十几起电源故障，证明此架构还需完善。

未来发展趋势

过去，计算机作为一种非常娇贵的设备，双转换在线式UPS消除了市电电能质量问题，但带来了6-10%的电能损失以及其自身可靠性低的问题。 

通过冗余可以提高系统可靠性，UPS发展出主备供电、N+1冗余并机、双总线、分布冗余等方案，相应带来的是成本和能耗的进一步增加。
为了避免UPS设备故障率高的问题，国内提出并已规模部署了直流240V电源系统，大部分IT设备可以直接兼容直流供电。

呈现如下三种趋势：

1.从在线到离线。UPS ECO模式、DC48V电池备用、DC12V电池备用、DC240V电池备用等本质上都是将电源离线，从而降低电源成本和运行损耗。

2.从集中到分布。随着锂电池等新型储能设备的发展以及大数据时代服务器快速部署、灵活扩展的需要，不间断电源设备正在从集中到分布。

3.未来数据中心供电发展的整体趋势是由高压/集中式/交流大UPS向低压/分布式/直流小UPS方向发展，由机房外集中式铅酸电池向IT机柜内分布式小（锂）电池方向发展，从化石能源向绿色能源方向发展。