数据中心供电系统节能减排设计（一）

节能减排是今后各行各业的奋斗目标，为全面实现通信业“十二五”节能减排目标任务，工信部要求新建大型云计算数据中心的能耗效率（PUE）值需达到1.5以下；因此，节能减排是规划数据中心是必须考虑的问题，首先需要选择节能的产品，但即使有了节能的产品而无节能的连接措施，照样无法节能；设备运行是一个漫长的过程，如果设备运行时也能找到一种节能的运行方式，将是具有重大意义的节约。

选择节能的供电设备

因为目前直接为IT设备供电的设备大都是交流电的UPS，节能的设备莫过于高频机UPS，高频机UPS有传统双变换型、Delta变换型和在线互动式。但目前尚有一些用户由于惯性的原因对工频机UPS仍情有独钟，原因是对UPS的电路结构还有模糊认识。所以首先从这里入手对其电路结构和各种性能进行较详细地讨论，这对今后的设计、选型、安装和运维都有重要意义。

1、双变换的基本含义

（1）双变换的含义。

对于任何静止变换式UPS而言都存在一个双变换的问题，意思是说都存在一个将交流变换成直流和将直流变换成交流的过程。所以必须具备两个变换器。将交流变换成直流的目的有两个，一个是为了给电池充电。因为任何电池的容量是有限的，电池的容量放完以后必须及时补充，否则电池的寿命就会很短。不论是直接用整流器还是经过充电器都必须将交流转换成直流后才能给电池充电，用交流给电池充电会导致电池损坏。UPS的第二变换器的作用是将直流变换成交流。比如在市电断电期间，为了不间断供电，逆变器必须及时将电池所提供的直流电变换成负载可以接受的交流电。所以双变换对任何UPS都是必须具备的。

为什么图1中的方块内非要写成第一变换器和第二变换器，而不直接写成整流器和逆变器呢？这是因为对一般传统的UPS而言采用的是单向变换式的整流器和逆变器，这两个变换器的作用都是电压源，而且整流器和逆变器的作用是不可逆的；还有一种称为Delta变换式UPS采用的是两个双向变换器，第一变换器的作用是电流源，第二变换器的作用是电压源。而且这两个变换器的作用过程是可逆的。

图1 双变换UPS的原理图

因此，不具备双变换功能的电路就不是UPS。为了说明这个问题，下面就逐一说明。

（2）关于“双变换”概念的争论。

1）只说双变换而不准说在线式和后备式。有一种说法，以后的UPS只说双变换而不再提在线式和后背式。这基于什么目的暂且不说，起码给选型和使用带来了麻烦。因为UPS原本就分为在线式和后背式，此二者不但在电路结构原理、工作原理和容量范围上有着很大差别，就是在作用和价格上也相差甚远。比如说某单位要订购100台1kVAUPS，如果不注明是在线式还是后背式，只在上写着双变换UPS1kVA100台。因为1kVAUPS既有在线式的也有后背式的，它不像现在大功率在线式设备称为UPS，后背式称为EPS，订单上可以以不同的名称写，而在小功率上就不好写了。话又说回来了，即使使用在线式和后背式这两个概念又对谁有影响呢！尤其是又出现了在线互动式电路概念，它也是双变换结构，又如何保证用户能正确地选准某一种机构的UPS呢？

实际上最早提出这个问题的是一位美国的UPS组织的主席，由于当时对UPS的工作有在线式、准在线式和后背式之说，有时候说不清在线式和准在线式的区别，准在线式和后背式的区别，于是他就建议以后就不这么提了。果然，准在线式的提法已被在线互动式代替了，现在已很少再有准在线式的提法了。产品是为了使用，分档是为了方便使用，不利于使用的任何做法都是得不到用户支持的。现在用户依然采用在线式和后背式的概念，因为他们习惯了 这种说法，这种方法用起来既方便又简单。

2）到底Delta变换式UPS属不属双变换范畴。这个问题本来在很多杂志和专著中已讨论清楚，已不是不成问题的问题。这当中还是有一定的糊涂概念。首先是不是承认所谓的双变换就是一个将交流变换成直流和将直流变换成交流的过程，如果不承认那又是什么？当然肯定是承认的。再就是是不是承认Delta变换式UPS也是UPS？无疑也是承认的，他们的问题仅仅是“认为”Delta变换式UPS的输出指示不好。但“认为”是不是事实，将在下面讨论。但起码不间断供电是事实，既然承认这一点，这就有了讨论的基础。因为，Delta变换式UPS也是靠电池组的放电来实现不间断供电，既然有电池，那么电池的能量补充从何而来？总不能用220V交流直接给电池充电吧！那就必须用直流才能充电，直流从何而来？没有将交流变成直流的整流器能行吗？当然不行。所以第一个整流器必须有，而且也已经有了，电池的断路及时的充电就是例证。市电停电时又是逆变器将电池的直流变成交流，这一点也是不可否认的。这样一来，Delta变换式UPS的双变换功能不是完全具备了么！所以Delta变换式UPS不但属于双变换范畴，而且是真正的双变换电路。话说回来，又有哪一种静止变换式UPS不是双变换功能呢！

2、UPS的基本电路结构回顾

（1）UPS的基本电路结构。

UPS的基本电路结构如图2所示，现将电路各环节功能做一说明。

图2 UPS的基本结构电原理图

1）第一变换器。有的是单项整流器，其功能是一个电压源，将交流变换成直流，以向电池和逆变器提供直流能量；有的是一个双线变换器，其功能是一个电流源，是将负载所需的电压和有功功率从市电中取出来，经加工后提供给输出，将输入功率因数调整到近于1，控制电池组充电的时机。

2）第二变换器。有的是单向逆变器，其功能是在市电停电时将电池中的直流能量变换成负载需要的交流能量；有的是双向变换器，功能也不是单一的：首先和前者一样的是在市电停电时将电池中的直流能量变换成负载需要的交流能量，另外是想负载提供第一变换器来不及调整的快变化功率和无功功率，还向电池组提供充电电流。

3）旁路开关。对在线式UPS而言这是个由晶闸管构成的静态开关，它的功能是当逆变器故障或带载能力不够时，及时将负载转接到市电上，换言之，通过它将UPS和市电构成冗余电源。

4）电池组。在市电断电时为逆变器提供直流电源，以使供电不间断，有时也帮助输入整流滤波电容平滑纹波。

（2）UPS四个基本构成部分不具备时的情况。

1）无逆变器时的情况。如图3（a）所示的电路，在这个电路中也有一个变换器——整流器，这就只有一个功能，即将交流变换成直流，当然在此情况下旁路开关也不能接入了。有些直流屏也就是这种结构。

2）无整流器的情况。如图3（b）所示的电路，在这个电路中也有一个变换器——逆变器，这也就是只有一个功能，即将直流变换成直交流，这就是所谓的逆变器产品。逆变器产品的标准输入电压多为12VDC、24VDC、48VDC、110VDC和220VDC。一般逆变器有时也接入一个静态旁路开关，以备逆变器故障时将负载转接到市电，已构成不间断供电。实际上，逆变器的电池前面也有整流器为其充电，只不过是将UPS分成了两个部分构成产品，到使用时再合到一起。所以此二者再合到一起前，哪一个单独产品都不是UPS。

3）无静态旁路开关。一般在无静态旁路开关的情况下赋予了电路一些特殊功能，既可作变频器也可作输入输出电压不一样大的变压器，如图3（c）所示。由于缺少了静态旁路开关也就缺少了市电的冗余，换言之也就缺少了一个不间断供电的电源因素，也就不是一个完整的UPS了。

4）无电池组的情况。如图3（d）所示，由于缺少了电池组就意味着失去了不间断功能，当然在作稳压器时，当稳压器出现故障时，可通过旁路开关将负载转接到负载上，但当市电断电时就无能为力了；如果作为稳压稳频源（CVCF），即使有旁路开关也必须是有间断的。总之也不是UPS了。

图3 不具备UPS四个基本构成部分的电路

从上面的分析可以看出取少量任何一个主要环节就都不是一个完整的UPS。从另一方面也证明了具备双变换功能的电路不一定是UPS，但不具备双变换功能的电路绝不是UPS，所以任何UPS电路都必须具备双变换功能。

来源：《云机房供配电系统 规划 设计与运维》