一、早期的“數(shù)據(jù)中心”供電系統(tǒng)

計算機(jī)出現(xiàn)于上世紀(jì)50年代，開始的時候只是電子管構(gòu)成的系統(tǒng)，運(yùn)算速度也慢。自1964年我國是成了世界上的第一臺半導(dǎo)體計算機(jī)，才使計算機(jī)進(jìn)入半導(dǎo)體領(lǐng)域。當(dāng)時的計算本身就是一個系統(tǒng)，當(dāng)然是初期的系統(tǒng)。如圖1所示就是當(dāng)時最領(lǐng)先的運(yùn)算速度10萬次。

108甲計算機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，可以看出計算機(jī)的每一部分都非常龐大，其構(gòu)成部分的運(yùn)算器、存儲器、轉(zhuǎn)換器、控制臺等都必須有自己單獨(dú)的直流電源系統(tǒng)，而這些直流電源的來源就是市電，如圖中所示。

其制冷系統(tǒng)是集中空調(diào)，當(dāng)時還沒有精密空調(diào)這個概念?？照{(diào)機(jī)的供電系統(tǒng)也是來自市電。

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

入進(jìn)去，都必須將所有數(shù)據(jù)全部變換成“0”、“1”布爾代數(shù)的你基本形式，然后由“穿孔員”利用穿孔機(jī)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(jī)將資料輸入計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，如果在運(yùn)算構(gòu)成中市電突然斷電，計算機(jī)內(nèi)所有資料就會全部丟失——一片空白。下一次運(yùn)算還必須重新由光電機(jī)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(yù)想，假如在電源斷電的瞬間能給計算機(jī)一個故障信號，而此時電源在繼續(xù)供電5s，使計算機(jī)能將當(dāng)前的計算現(xiàn)場信息存入存儲器，待市電恢復(fù)供電后，計算機(jī)就可接著停電前的結(jié)果繼續(xù)運(yùn)算。于是就出現(xiàn)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(fā)電機(jī)的同軸上。這是一個在線式UPS，接通市電后發(fā)電機(jī)直接為負(fù)載供電，一旦市電斷電，5噸重的飛輪由于慣性關(guān)系（儲能）會繼續(xù)帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)5s，以完成計算機(jī)的存儲過程。因此UPS就是為了保護(hù)數(shù)據(jù)而誕生的，有的稱之為計算機(jī)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(xiàn)場問題，萬一市電停電時間較長，計算機(jī)仍不能繼續(xù)工作，仍受市電的約束。

由于整流半導(dǎo)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(jī)旋轉(zhuǎn)，從而同軸上的發(fā)電機(jī)也隨之轉(zhuǎn)動發(fā)電，一旦市電斷電，電池組內(nèi)的儲能就可使得直流電動交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)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(shè)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(fā)電機(jī)系統(tǒng)，又由于當(dāng)時的電路只掌握了全橋逆變技術(shù)，電路輸出的是三條火線，而負(fù)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(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式UPS進(jìn)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(diào)制（即PWM）電路，使機(jī)器的體積和重量大大減輕。一直到上世紀(jì)90年代中后期全I(xiàn)GBT化高頻機(jī)UPS的問世，這一個UPS的發(fā)展過程完全是一個節(jié)能的過程。這中間UPS的主要供電對象一直圍繞著計算機(jī)系統(tǒng)，盡管計算機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)在已發(fā)展為數(shù)據(jù)中心，但UPS也一直陪伴著不離左右?？梢哉fUPS是當(dāng)代數(shù)據(jù)中心不可缺少的直接供電系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大和重要性的提高，UPS供電系統(tǒng)也必須適應(yīng)這種變化。

二、數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)的發(fā)展與分類

現(xiàn)在已是數(shù)字化時代，為了適應(yīng)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(fā)展，比如靜止變換式UPS已步入全I(xiàn)GBT時代；旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式UPS進(jìn)一步發(fā)展的飛輪儲能式結(jié)構(gòu)也有了很大的變化，由于轉(zhuǎn)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(fā)展無不圍繞著一個節(jié)能的過程。

UPS供電系統(tǒng)的大致分類如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)今UPS分為兩大類：旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式和靜止變換式。

1.旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式從結(jié)構(gòu)上又分為立式和臥式，其外觀如圖5所示的兩個例子。圖5（a）

中左面是磁懸浮飛輪儲能裝置，它可以在滿負(fù)荷工作的情況下提供15s的后備時間；圖5（b）中的儲能飛輪也是在滿負(fù)荷工作的情況下提供15s的后備時間。其工作流程如圖6所示。飛輪儲能式UPS為在線熱備份工作方式，即在市電正常供電時是旁路工作模式，它和靜止變換式UPS旁路模式不同的地方在于它對旁路電壓有一定的調(diào)整和補(bǔ)償能力。但立式和臥式UPS在工作原理上還有些不同，如圖7所示。

工作原理：當(dāng)市電正常供電時，UPS的旁路輸入斷路器S2閉合、旁路靜態(tài)開關(guān)斷開、維修旁路開關(guān)S3斷開；輸入斷路器S1閉合、主靜態(tài)開關(guān)和輸出斷路器S4閉合。當(dāng)輸入市電電壓變動或有干擾時，逆變器回路應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行一定的補(bǔ)償或調(diào)整。當(dāng)市電斷電時，整流器逆變器系統(tǒng)適時地將磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)的儲能變換為和市電同樣的電壓繼續(xù)為負(fù)載供電。這期間起動燃油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，待電壓正常后，接替整流器逆變器系統(tǒng)為負(fù)載供電，同時又帶動磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)進(jìn)入儲能模式。市電恢復(fù)后UPS又恢復(fù)到市電模式。當(dāng)負(fù)載過載、短路或UPS故障時旁路靜態(tài)開關(guān)閉合導(dǎo)通，將負(fù)載轉(zhuǎn)到純市電供電模式。此后就可手動閉合。臥式飛輪儲能式UPS的工作原理基本相同，只是儲能環(huán)節(jié)不是磁懸浮結(jié)構(gòu)而是在感應(yīng)耦合器中的飛輪，其后備時間也是15s。

2．靜止變換式UPS

顧名思義，這種UPS出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代，可控硅的出現(xiàn)為靜止變換式UPS打開了方便之門，也大大延長了后備時間。這就為數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在這種UPS的品牌有百種以上，圖8示出了幾種常用的靜止變換式UPS外形。

三、工頻機(jī)UPS與高頻機(jī)UPS的區(qū)別

1、電路結(jié)構(gòu)的區(qū)別

（1）工頻機(jī)UPS的電路結(jié)構(gòu)

這種產(chǎn)品的電路結(jié)構(gòu)一般是輸入整流器工作在50Hz的工業(yè)頻率，小功率產(chǎn)品一般是單相輸入單相輸出（1/1），輸入整流器一般是二極管整流器，這種產(chǎn)品一般在10kVA以下，有輸出變壓器。三進(jìn)單出（1/3）結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品一般在30kVA以下。這些產(chǎn)品以往用的比較多。近年由于大小數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展，三進(jìn)三出（3/3）結(jié)構(gòu)的UPS產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。圖9示出了三相工頻機(jī)UPS的一般原理電路結(jié)構(gòu)。工頻機(jī)UPS的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是輸入整流器工作在50Hz的工業(yè)頻率和全橋逆變器，所以必須加輸出隔離變壓器。因為不論是單相輸入單相輸出、還是三進(jìn)單出或三進(jìn)三出結(jié)構(gòu)的UPS，由于在全橋變換輸出時的幾條輸出線都是火線，任何一條火線接地都會導(dǎo)致嚴(yán)重后果，所以必須加輸出隔離變壓器以產(chǎn)生隔離接地點(diǎn)。再者由于工頻機(jī)UPS的輸入電路是降壓工作方式，對輸入電壓的變動范圍適應(yīng)能力很弱，一般要求輸入電壓的變動范圍不超過±15%，所以其輸出也必須家升壓變壓器，所以這一只輸出變壓器是不可缺少的。除此外沒有第三種作用。那種認(rèn)為變壓器抗干擾的看法是對變壓器作用的誤解。

圖9兩類UPS的電路結(jié)構(gòu)

圖9（b）所示的是高頻機(jī)UPS的一般原理電路結(jié)構(gòu)。它與工頻機(jī)UPS的不同在于它的整流器和逆變器都是IGBT或其他高頻器件，并工作在幾十倍50Hz的工業(yè)頻率，由于是采用的是半橋逆變技術(shù)，所以省去了輸出隔離變壓器。又由于其輸入整流器是升壓工作模式，所以對輸入電壓的變動范圍適應(yīng)能力很強(qiáng)，一般輸入電壓的變動范圍超過±30%是允許的，比如某單相UPS輸入電壓允許輸入電壓范圍是80~280V。由于省去了變壓器系統(tǒng)效率變得很高，一般在半載時就可達(dá)95%，這是工頻機(jī)UPS望塵莫及的。

2、輸入功率因數(shù)的區(qū)別

一般工頻機(jī)UPS在單相輸入時期輸入功率因數(shù)約0.65，三相6脈沖整流約為0.8，所以在要求比較高的地方必須前面加有源濾波器或升至12脈沖整流，也有的家無源濾波器也可達(dá)到0.9的輸入功率因數(shù)。

高頻機(jī)UPS不論是單相還是三相機(jī)，其輸入功率因數(shù)再不加任何外來環(huán)節(jié)情況下就可達(dá)到0.98以上。

3、對負(fù)載平衡度的要求

早期的工頻機(jī)UPS對負(fù)載平衡度的要求比較苛刻，這是因為三相電壓之間互相影響之故。圖10（a）所示就是該類UPS三相電壓電流流動的路線圖。如圖中所示，UAB的正半波電流流經(jīng)Q5-Q4回到電源負(fù)極；負(fù)半波流經(jīng)Q3-Q6回到電源負(fù)極。UAC的正半波電流流經(jīng)Q5-Q2回到電源負(fù)極；負(fù)半波流經(jīng)Q1-Q6回到電源負(fù)極。UBC的正半波電流流經(jīng)Q1-Q4回到電源負(fù)極；負(fù)半波流經(jīng)Q3-Q2回到電源負(fù)極。由此可見，電路中的三只橋臂，每一只橋臂都重復(fù)使用2次，即都被兩相電源使用。因此每兩相電源之間要互相影響，如果三相電流不一樣就會導(dǎo)致輸出電壓的差異，以后雖然加了一些調(diào)整控制環(huán)節(jié)基本解決了問題，但畢竟互相影響的根源還存在，增加了電路的復(fù)雜度。

圖10（b）所示就是高頻機(jī)UPS三相電壓電流流動的路線圖。如圖中所示，UAN的正半波只流經(jīng)Q5，而負(fù)半波只流經(jīng)Q6；其他兩相UBN和UCN也是如此。即在高頻機(jī)UPS中一個橋臂就可輸出一相電壓，所以三相電壓互不干擾，所以也就沒有任何三相電流是否平衡的要求。

圖10兩類UPS的電流流動路線

4、環(huán)流概念的區(qū)別

工頻機(jī)UPS的輸出端都有輸出隔離變壓器，所以UPS并聯(lián)就是輸出變壓器次級繞組的并聯(lián)。這就會導(dǎo)致變壓器內(nèi)部的環(huán)流產(chǎn)生，因為一般而言沒有兩個一樣的變壓器，即兩只變壓器繞組之間一般都存在電壓差，由于這個電壓差是電動勢，必然會產(chǎn)生環(huán)流，如圖11（a）所示，而且在環(huán)流的路徑上是‘一馬平川’毫無阻擋。這個環(huán)流在空載時最大，導(dǎo)致了額外的功耗。不過一般并聯(lián)時的電壓差都小于1V，所以當(dāng)加上負(fù)載以后由于線路的自身電阻壓降作用具有自動調(diào)整平衡的作用，一般也不會造成不良后果，只是增加一些額外功耗罷了。

圖11（b）所示就是高頻機(jī)UPS并機(jī)時的環(huán)流情況。由于高頻機(jī)UPS沒有輸出隔離變壓器，其產(chǎn)生環(huán)流的情況就輕得多，甚至沒有。從圖中可以看出，假如并聯(lián)兩臺電路有電壓差存在，比如左邊一臺電壓稍高，電流的路徑如圖中所示，要經(jīng)過兩只二極管和兩組電池內(nèi)阻，可說是路徑坎坷不平，就是有零點(diǎn)幾伏的電壓差也被沿路已消耗殆盡，就無力形成環(huán)流了。

四、當(dāng)今UPS供電新技術(shù)

高頻機(jī)UPS技術(shù)的出現(xiàn)也推出了很多新技術(shù)，比如多級并聯(lián)時的無線并聯(lián)；不用外加負(fù)載就可對機(jī)器做滿載和過載實驗；將ECO（經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式）的不可靠運(yùn)行升級為BSS（無功補(bǔ)償）技術(shù)，是供電系統(tǒng)效率高達(dá)98%；使UPS永遠(yuǎn)保持在高效率的節(jié)能運(yùn)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(shù)據(jù)供電系統(tǒng)優(yōu)化PUE打下了堅實的基礎(chǔ)。