4.7.1　HPC集群机房UPS分类、原理及供电方案

4.7.1　HPC集群机房UPS分类、原理及供电方案

UPS（Uninterruptible Power System）是一种利用电池化学能作为后备能量，在市电断电或发生异常等电网故障时，不间断地为用户设备提供（交流）电能的一种能量转换装置，正式名称为不间断供电系统。UPS的设计和选型对于HPC集群机房供电系统的建设具有核心意义。

4.7.1.1　HPC集群机房设计标准

HPC集群机房UPS系统的主要设计和应用标准如下：

（1）《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）。

（2）《不间断电源设备》（GB 07260-2003）。

（3）《通信用不间断电源——UPS》（YD/T 1095-2008）。

（4）《数据中心基础设施施工及验收规范》（GB 50462-2015）。

4.7.1.2　UPS分类及定义

市场上提供UPS的厂家和品牌多种多样，对UPS的工作方式的划分也各有标准。作为信息与生产系统的关键设备之一，中国、国际电联、欧盟等标准组织都从UPS的核心工作机理上对UPS进行了明确的定义。

根据中国国家标准《不间断电源设备第3部分：确定性能的方法和试验要求》（GB 07260-2003）的附录B定义，将UPS运行分为双变换运行、互动运行、后备运行三类运行方式，即UPS行业广为熟悉的双变换式UPS、互动式UPS、后备式UPS三种。中国国标GB7260等同国际电联标准IEC 62040 Uninterruptible Power System（UPS），也等同欧洲标准EN62040-2001。

（1）双变换式UPS。

国标GB 07260-2003定义为：“在正常运行方式下，由整流器/逆变器组合连续地向负载供电。当交流输入供电超出UPS预定允差时，UPS单元转入储能供电运行方式，由蓄电池/逆变器组合在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前（按两者的较短时间），连续向负载供电。”

同时国标强调，避免使用“在线”一词，以防止定义混淆，而只使用术语“双变换”。

图4-15为国标GB 07260-2003对双变换式UPS的定义与说明。

注：这种类型通常称为“在线UPS”，意思是不论交流输入电源情况如何，负载始终由逆变器供电。术语“在线（on-line）”也可以理解为“在主电源上（on-the-mains）”，为了防止定义混淆，应避免用（在线）这术语、而只使用上述（双变换）术语。

（2）互动式UPS。

国标GB 07260-2003定义为：在正常运行方式下，由合适的电源通过并联的交流输入和UPS逆变器向负载供电。

国标GB 07260-2003特别强调：逆变器或者电源接口的操作是为了调节输出电压和/或给蓄电池充电。

UPS输出频率取决于交流输入频率。国标对互动式UPS的定义如图4-16所示。

注：在正常运行方式下，由合适的电源通过并联的交流输入和UPS逆变器向负载供电。逆变器或者电源接口的操作是为了调节输出电弧和/或给蓄电池充电。输出频率取决于交流输入频率。

当交流输入的供电电压超出UPS预定允差时，逆变器和蓄电池将在储能供电运行方式下保持负载电力的连续性，并由电源接口切断交流输入电源，以防止逆变器反向馈电。

UPS单元在储能供电时间内或者在交流输入电源回复到UPS设计的允差之前（按两者的较短时间），运行于储能供电方式之下。

（3）后备式UPS。

国标GB 07260-2003定义为：在正常运行方式下，负载由交流输入电源的主电源经由UPS开关供电。可能需结合附加设备（如铁磁谐振变压器或者自动抽头切换变压器）对供电进行调节。这种UPS通常称为“离线UPS”，图4-17为该标准对后备式UPS的定义。

注：这种类型通常称为“离线UPS”，其含义是：电子调节电源只有当交流输入供电超出允差时，才向负载供电。术语“离线（off-line）”也有“不在主电源（not-onthe-mains）”之意。实际上，在正常运行方式下，负载主要由主电源供电，为了避免术语混淆，不使用（离线）这一术语，而使用前者（后备运行）术语。4.7.1.3　三种UPS的原理及特点

（1）后备式UPS。

如国标、IEC、EN等标准所言，后备式UPS的功率变换主回路的构成比较简单。市电正常时，UPS一方面通过滤波电路向用电设备供电，另一方面通过充电回路给后备电池充电。当电池充满时，充电回路停止工作，在这种情况下，UPS的逆变电路不工作。当市电发生故障时，逆变电路开始工作，后备电池放电，在一定时间内维持UPS的输出。后备式UPS主要由充电器、逆变器、输出转换开关和自动电压调节等部分构成。

①充电器：市电存在时，对蓄电池充电。如果是长延时UPS，就要求它有较强的充电能力，或者外加相应容量的附加充电器。

②DC-AC逆变器：市电存在时，逆变器不工作；市电掉电时，由它将直流电压（电池供给）变成符合负载要求的交流电压，电压波形有方波、准方波、正弦波三种形式。

③输出转换开关：市电存在时，接通输入电源向负载供电；市电掉电时，断开电网，接通逆变器，继续向负载供电。

④自动电压调节：实质上是一个变压器装置，可自动进行升压和降压的设置。因此，可以拓宽UPS在市电状态下的工作范围，通常以可选件的形式存在。

后备式UPS的性能特点如下：

①当市电正常且输出带载时，效率高可达98%以上。

②当市电正常且输出带载时，输入功率因数和输入电流谐波取决于负载电流。

③当市电存在时，输出电压稳定精度差，但能满足负载要求。

④市电掉电时，输出有转换时问，一般可达4～10ms，足以满足普通负载要求，但对于服务器等用电设备存在一定的风险。

⑤市电掉电时，后备时间一般不长（一般为min级别）。

⑥无论市电工况还是电池工况，整机抗干扰能力较差。

⑦电路简单、成本低、可靠性高。

⑧由于输出有转换开关，受切换电流能力和动作时间的限制，要使UPS输出功率大有一定困难，当前面市的后备式UPS多在2kV·A以下。

（2）互动式UPS。

对于互动式UPS，业界一直争议颇多。在很多文献中，传统认为的所谓“互动式UPS”一般指的是具备“双向变换器”的UPS，这种UPS的充电器/逆变器共用一套电器装置，在不同的工况下起不同的作用。

①双向变换器式UPS。市电正常时，交流电通过工频变压器直接输送给负载；当市电超出上述范围，为150～276V时，UPS通过逻辑控制，驱动继电器动作，使工频变压器抽头升压或降压，然后向负载供电。若市电低于150V或高于276V，UPS将启动逆变器工作，由电池逆变向负载供电。在市电为150～276V时，身兼充电器/逆变器的变换器同时还给电池充电，处于热备份状态，一旦市电异常，马上就转换为逆变状态，为负载供电。双向变换器式UPS的原理图如图4-19所示。

双向变换器式UPS与后备式UPS的区别是“双向变换器”：当市电存在时，“双向变换器”的工作状态是AC-DC，给电池充电并浮充；市电掉电后，其工作状态为DC-AC，由电池供电，保持UPS继续向负载供电。变换器时刻处于热备份状态，市电/逆变切换时间比后备式要短，同时兼了对电池充电的功能，提高了后备式UPS的功率容量，减小了市电掉电时的转换时间，提高了对输出电压的滤波作用。

双向变换器式UPS性能特点是：

·当市电正常时，效率高，可达98%以上。

·当市电存在时，输入功率因数和输入电流谐波成分取决于负载电流。

·市电掉电时，因为输入开关存在开断时间，致使UPS输出仍有转换时间，但比后备式要小。

·市电存在时，输出电压稳定精度差。

·市电存在时，因为逆变器直接接在输出端，并且处在热备份状况，对输出电压尖峰干扰有滤波作用。

·充电器/逆变器共用使电路更简单、成本低、可靠性高。

·逆变器同时有充电功能，省去了后备式UPS的附加充电器，其充电能力要比附加充电器强得多；当要求长延时供电时，无须再增加机外充电设备。

此外，业界还有一种设计十分独特的UPS，把交流稳压技术中的电压补偿原理用到UPS为主电路中，一般称之为Delta变换式UPS。

②Delta变换式UPS：Delta变换式UPS实际相当于一台串联调控型交流稳压电源，它的主要功能是对市电进行稳压处理，将原来不稳定普通市电电源变成电压稳压精度为380V+/-1%的交流稳压电源；其控制原理与利用“伺服电机”来调节碳刷的位置来进行“电压补偿”的“全自动补偿方式”交流稳压电源的控制原理相同；其重大改进是采用高频脉宽调制技术和利用双向能量传递特性的“四象限”变换器（Delta变换器和主输出变换器）来取代易于产生机械磨损的伺服电机和碳刷调节系统。

Delta逆变器（图4-20中的逆变器/充电器）：它是一组DC-AC和AC-DC双向逆变器之的输出变压器（高频）的副边串联在UPS主电路中，其功能有下列三个：

·对UPS输入端进行输入功率因数补偿，并抑制输入电流谐波。

·与主逆变器一起，完成对输入电压的补偿，当输入电压高于输出电压额定值时，Delta逆变器吸收功率，反极性补偿输入输出电压的差值，当输入电压低于输出电压额定值时，Delta逆变器输出功率，正极性补偿输入输出电压的差值。

·与主逆变器一起完成对电池的充电和浮充功能。

主逆变器：该逆变器同样是DC-AC和AC-DC双向逆变器，它的功能有下列四个。

·同Delta逆变器一起，完成对输入/输出电压差值的补偿。

·与Delta逆变器一起完成对电池的充电和电压浮充功能。

·随时监测输出电压，保证输出电压的稳定，对输出电压波形失真和输出电流谐波成分进行补偿，使其不对电网产生影响。

·当市电掉电时，全部输出功率由主逆变器给出，并且保证输出电压不间断，转换时间为零。

Delta变换式UPS的性能特点如下。

·因为主逆变器随时监视控制输出电压，并通过Delta逆变器参与主回路电压的调整，所以不管市电有无，都可以向负载提供高质量的电源，主要电气指标在稳态时比较好。

·市电掉电时，输出电压不受响应，没有转换时间。并且，当负载电流发生畸变时，也由主逆变器调整补偿。

·当市电存在时，Delta逆变器和主逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿，逆变器承担的最大功率（当输入电压处于上限和下限时）仅为输出功率的20%（相当于输入电压变化范围），所以功率强度很小（1/5），功率余量大，这就大大增强了UPS的输出能力。

·Delta逆变器同时完成了对输入端的功率因数校正功能，使输入功率因数等于1，输入谐波电流降到3%以下。在市电存在时，由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的1/5，所以整机效率据称在很大的功率范围内都可达到96%。

·无法对频率和相位进行补偿，因此严格来说该型UPS不是VFI（电压频率独立）型供电设备。

·无法完全隔离市电，从而无法从根本上解决市电上的谐波污染，比如频率异常、浪涌、噪声等，将直接输入到重要负载。

·该型UPS对稳态的市电异常补偿十分精确，但对偶发的市电异常（比如“瞬态过压”或“频率突变”）可能会出现严重的工作异常。

·电路和控制系统复杂，工况众多，可靠性一般。

通过分析完上述两种类型的UPS，可以发现如果严格按照GB 07260.3-2003/IEC62040-3-1999时UPS类型的定义，双向变换器式UPS应该归入后备式UPS一类，而Delta变换式UPS才是互动式UPS。

（3）双变换式UPS。

双变换式UPS的原理图如图4-21所示。

市电正常供电时，交流输入经AC/DC变换100%转换成直流，一方面给蓄电池充电，另一方面给逆变器供电；逆变器自始至终都处于工作状态，将直流电压经DC/AC逆变成交流电压给用电设备供电。

整流器：交流市电输入经过整流器转换为直流电，给电池的充电，并通过逆变器向负载供电。

逆变器：该逆变器为DC-AC单向逆变。当市电存在时，它由整流器取得功率后再送到输出端，并保证向负载提供高质量的电源；当市电掉电时，由电池通过该逆变器向负载供电。

静态开关：正常时处在旁路侧断开、逆变侧导通状态；当逆变电路发生故障或者当负载受冲击或故障过载时，逆变器停止输出，静态开关逆变侧关闭，旁路侧接通，由电网直接向负载供电。

双变换式UPS的性能特点如下：

①双变换式UPS具有优越的电气特性：由于采用了AC/DC、DC/AC双变换设计，可完全消除来自于市电电网的任何电压波动、波形畸变、频率波动及干扰产生的任何影响。

②与其他类型UPS相比，由于该型UPS可以实现对负载的稳频、稳压供电，供电质量有明显优势。

③市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间。

④器件、电气设计成熟，应用广泛。

⑤效率与其他类型UPS相比不占优势。

⑥整流器在工作时会引起输入电源质量变差，因此需要采取谐波治理方案。

⑦价格相对较高。

UPS是为解决市电质量不可靠而产生的一种电源系统，可靠性和稳定性是其最为重要的特质。上述三种类型的UPS只有双变换式UPS最能满足数据中心（HPC集群机房）客户的核心需求。事实上，目前在数据中心（HPC集群机房）应用最为广泛的UPS类型就是双变换式大容量UPS。

4.7.1.4　HPC集群机房常用大容量UPS的内部拓扑

（1）UPS系统的基本组成。

UPS系统主要由整流器（REC）、逆变器（INV）、旁路/逆变静态开关、输入输出开关组成。

UPS原理框图如图4-22所示，其中空气断路器Q1控制主路交流电源输入，整流模块将交流电源变成直流电源，逆变模块进行DC/AC变换，将整流模块和蓄电池提供的直流电源变换成交流电源，经过隔离变压器输出。蓄电池组在交流停电时通过逆变向负载供电。输入电源也可以通过旁路静态开关从旁路回路向负载供电。另外，要求对负载供电不间断而对UPS内部进行维修时，可使用维修旁路开关Q3BP。

（2）UPS整流器、充电器。

在线双变换式大容量UPS的整流器与电池充电器通常合二为一，只有小部分产品采用分立的整流器和充电器电路。UPS的输入性能指标主要取决于整流器的结构和控制方式，选好整流器关系到一半以上的系统性能指标能否达到优化，同时要注意技术上的可行性和实用性。目前，在UPS中的整流器/充电器主要有以下几种形式。

①三相6脉冲相控整流器：如图4-23所示。

该型整流器由于具有器件便于选择、整流晶闸管（SCR）的电压电流耐量较高、可靠性较高等优点仍旧被采用。但是，若无输入滤波器，网侧电流中的总谐波含量高达30%以上，并且随相控角增大而增大。谐波主要成分是5、7次，基波因数为0.955，实际系统运行时由于调压需要，功率因数将更低。必须在网侧加入较大的无源滤波器（常用的是5次谐波滤波器）/功率因数校正器。

优点：器件便于选择、SCR的电压电流耐量较高、可靠性较高。

缺点：网侧电流谐波较大（THD＞30%），功率因数低。必须加入无源或有源的功率因数校正器。

②三相12脉冲相控整流器：如图4-24所示。

该型整流器有串联式和并联式两种，从网侧来看它们的效果都一样，都可以使网侧电流谐波大大降低。为降低SCR的通态损耗和提高下游的逆变器的动态性能，一般采用并联结构。故此种整流器适合于低直流电压方案。

输入变压器为双重副边绕组，一组为Y/Y接法，另一组为Y/△接法，两副边绕组的匝数比为。第二组整流桥的交流输入线电压比第一组整流桥的输入线电压超前30°。谐波成分主要是11次、13次，并且幅度分别为基波的1/11、1/13，THD为10%左右，在网侧加入较小的无源滤波器就可以使THD小于5%。最高功率因数达0.95，因为UPS实际运行对大多工作在电池浮充电压状态，所以实际输入功率因数将低于0.92。此种整流器在大容量UPS中广泛采用。

优点：可供选择的SCR器件较多，可靠性好。

缺点：相控整流器的动特性差，元器件多，驱动复杂，加入变压器引起成本增高。

③正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）高频整流器：SPWM高频整流器（电压型）如图4-25所示。

高频整流器分为电流型和电压型两种，UPS中主要使用电压型。

优点：使输入电流正弦化，网侧只需要很小的高次谐波滤波器，重量轻、体积小、成本低；通过控制可以使输入功率因数接近为1；具有良好的动态特性。

缺点：容量受限。

业界的UPS高频机基本上采用这种架构的整流器。

（3）UPS逆变器。

逆变器的性能关系到UPS的输出性能。由于SPWM（正弦脉宽调制）逆变器有很多优点，现代中、大容量UPS的逆变器大多数采用SPWM逆变器。

①SPWM逆变器：如图4-26所示。

这是三相逆变器最常见的拓扑结构。根据输出有无变压器，其拓扑略有不同。图4-26是输出有SPWM逆变器的拓扑结构。

优点：控制简便，元器件少。

缺点：受当前IGBT元件限制，不支持超大容量UPS。

②四桥臂逆变器：如图4-27所示。

优点：控制灵活，负载中线电流在逆变器中被消除掉，不会影响整流器。

缺点：中线逆变桥臂/中线串联电感容量是其他桥臂/电感容量的1.7倍，并且元器件多，成本高。在SPWM发波上使用三维矢量控制，控制复杂。

③SPWM全桥逆变器：如图4-28所示。

用三个控制相位互差120°的单相逆变器和独立原边绕组的三相变压器来构筑三相逆变器：

优点：输出谐波少，输出电压波形控制特性好。带不平衡负载的能力强。

缺点：开关频率越高，损耗越大。

4.7.1.5　HPC集群机房UPS供电方案

在UPS应用中，通常有下列五种供电方式。

（1）单机工作供电方案。

（2）热备份串联供电方案。

（3）直接并机供电方案。

（4）模块并联供电方案。

（5）双母线（2N）供电方案。

在HPC集群机房的使用中，直接并机和2N的供电方案使用得最为普遍。

（1）单机工作供电方案。

单机工作供电方案是UPS供电方案中结构最简单的一种，就是单台UPS输出直接接入用电负荷。

该方案一般用于小型网络、单独服务器、办公区等场合；系统由UPS主机和电池系统组成，不需要专门的配电设计和工程施工，安装快捷；缺点是可靠性较低。

（2）热备份串联供电方案。

串联备份技术是一种比较早期、简单而成熟的技术，它被广泛地应用于各个领域。UPS串联备份的定义是：备机UPS的逆变器输出直接接到主机的旁路输入端，在运行中，一旦主机逆变器出现故障，能够快速切换到旁路，由备机的逆变器输出供电，保证负载不停电。

在各种UPS技术资料中，串联备份的英文为Series Configuration或Isolated Redundant。串联也称热备份，简称串联。UPS串联的特点是，两台UPS均为完整的具有独立旁路的在线式UPS单机。两台UPS除了电源线的连接外，不需要其他信号的连接。在正常情况下，主机100%地给负载供电，从机的负载为零。

组成串联系统的UPS必须具有如下技术条件：使用在线式UPS电源时，逆变器才能保持与旁路的同步；UPS具有整流器和旁路双重输入端；UPS能够承受100%的负载跳变。

方案优点：结构简单、安装方便；价格便宜，不同公司、不同功率的UPS可串联。

方案缺点：不中断负载用电的扩容必须带电操作，十分危险；主、从机老化状态不一致，从机电池寿命降低；当负载有短路故障时，从机逆变器容易损坏。

串联备份方案如图4-29所示。

（3）直接并机供电方案。

直接并机供电方案（如图4-30所示）是将多台同型号、同功率的UPS，通过并机柜、并机模块或并机板，把输出端并接而成。目的是共同分担负载功率。基本原理是：在正常情况下，多台UPS均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台UPS故障时，由剩下的UPS承担全部负载。并联冗余的本质，是UPS均分负载。实现组网形式多有N+1（N台工作，一台冗余）或者M+N（M台工作，N台冗余）。

要实现并联冗余，必须解决以下技术问题：

①各UPS逆变器输出波形保持同相位、同频率。

②各UPS逆变器输出电压一致。

③各UPS必须均分负载。

④UPS故障时能快速脱机。

方案优点：多台UPS均分负载，可靠性大大提高；扩容相对以前方案方便很多；正常运行均分负载，系统寿命和可维护性大大提高。

方案缺点：控制负载；成本增加；在并机输出侧依然具有单点故障。

（4）模块并联供电方案。

模块并联供电方案（如图4-31所示）实质上就是直接并机供电的解决方案的一种，只不过其具体的实现方式和传统的直接并机供电方案有所不同：模块化UPS包括机架、可并联功率模块、可并联电池模块、充电模块等。

模块并联供电方案的特点：

①由机架、UPS功率模块、电池模块、配电系统组成。

②功率模块配置为N+1冗余，减少了维护时间。

③共用输入、输出、并联的电池系统、控制系统。

（5）双母线（2N）供电方案。

早期应用于机房的UPS供电方案多为单机方案或UPS串/并联方案，均存在输出单专故障瓶颈问题。输出的配电系统，包括开关跳闸、保险烧毁、电路短路等供电回路故障往往在很大程度上影响UPS系统供配电的可靠性：为保证机房UPS供电系统可靠性，2N或2（N+1）的系统开始在中、大型数据中心（HPC集群机房）中得到了规模的应用，在业界经常也被称为双总线或者双母线供电系统。

2N供电方案（如图4-32所示）由两套独立工作的UPS、负载母线同步跟踪控制器（Load Bus Synchronization，LBS）、一至多台静态切换开关系统（Static Transfer Switch，STS）、输入、输出配电屏组成。

该方案的特点如下：

①考虑到系统实现的成本，数据中心的负载被分为两类：单电源/三电源负载、双电源负载。正常工作时，两套母线系统共同负荷所有的双电源负载；通过STS的设置，各自负荷一半的关键的单电源负载。因此，正常工作时，两套母线系统会各自带有50%的负载。

②将其中的一套单机系统作为双总线系统的一根输出母线，另外一套单机系统作为双总线的另一根输出母线，将两套母线系统输出通过同步跟踪控制器同步起来。

负载母线同步跟踪控制器（LBS）用于双总线UPS系统中，用来保证两套UPS输出系统的同步。例如在图4-32中，先设定任意一套UPS并机系统为主机（Master），LBS同时监视两条母线上的UPS输出频率及相位。一旦发现它们超出同步跟踪范围（例如10°，该参数可调）时，LBS激活，内部控制对预先定义为Master的UPS继续跟踪市电，而另一条母线上的UPS将通过LBS的控制，对Master进行跟踪，从而实现两套系统同步。

③即使是一套系统完全失效或者需要检修，双电源负载因为有一根输出母线仍然有电，所以会继续正常工作：而关键的单电源负载会通过STS零切换到另外一根输出母线，也会正常工作。

静态切换开关系统（STS）在为单路电源负载供电切换时使用，单电源负载接在STS输出端上，STS两个输入端分别接在输入电源1和输入电源2，当其中一个系统供电母线上的任何设备或电缆发生故障或需要维护时，其负载可经转换时间1/4周波的静态转换开关切换至另一个系统供电。

STS原理图如图4-33所示。

④区别于以前的供电方案，系统的备份首先带来的是负载用电的可靠性的显著提升。除此之外，该方案具有优秀的开放性和良好的前瞻性，系统以后的扩容升级和维护也会十分方便。因为在任何时候均可将其中的一套系统完全下电，进行处理以解决维护或者扩容的问题。

双总线系统真正实现了系统的在线维护、在线扩容、在线升级；提供了更大的配电灵活性，满足了服务器的双电源输入要求；解决了供电回路中的“单点故障”问题；做到了点对点的冗余；极大地增加了整个系统的可靠安全性；提高了输出电源供电系统的“容错”能力。

⑤该方案的建设成本相对较高，在实际建设的过程中，需要注意可靠性和经济性的适当权衡。