一、早期的“數據中心”供電系統

計算機出現于上世紀50年代，開始的時候只是電子管構成的系統，運算速度也慢。自1964年我國是成了世界上的第一臺半導體計算機，才使計算機進入半導體領域。當時的計算本身就是一個系統，當然是初期的系統。如圖1所示就是當時最領先的運算速度10萬次。

108甲計算機結構原理圖，可以看出計算機的每一部分都非常龐大，其構成部分的運算器、存儲器、轉換器、控制臺等都必須有自己單獨的直流電源系統，而這些直流電源的來源就是市電，如圖中所示。

其制冷系統是集中空調，當時還沒有精密空調這個概念?？照{機的供電系統也是來自市電。

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

入進去，都必須將所有數據全部變換成“0”、“1”布爾代數的你基本形式，然后由“穿孔員”利用穿孔機在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將資料輸入計算機進行運算，如果在運算構成中市電突然斷電，計算機內所有資料就會全部丟失——一片空白。下一次運算還必須重新由光電機將原始資料輸入，這就給計算帶來很大的麻煩。

于是人們就預想，假如在電源斷電的瞬間能給計算機一個故障信號，而此時電源在繼續供電5s，使計算機能將當前的計算現場信息存入存儲器，待市電恢復供電后，計算機就可接著停電前的結果繼續運算。于是就出現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，安裝在發電機的同軸上。這是一個在線式UPS，接通市電后發電機直接為負載供電，一旦市電斷電，5噸重的飛輪由于慣性關系（儲能）會繼續帶動發電機旋轉5s，以完成計算機的存儲過程。因此UPS就是為了保護數據而誕生的，有的稱之為計算機的孿生兄弟。

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場問題，萬一市電停電時間較長，計算機仍不能繼續工作，仍受市電的約束。

由于整流半導體器件的成熟，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旋轉，從而同軸上的發電機也隨之轉動發電，一旦市電斷電，電池組內的儲能就可使得直流電動交流發電機系統繼續供電，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電機系統，又由于當時的電路只掌握了全橋逆變技術，電路輸出的是三條火線，而負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。到此旋轉發電機式UPS進化為靜止變換式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制（即PWM）電路，使機器的體積和重量大大減輕。一直到上世紀90年代中后期全IGBT化高頻機UPS的問世，這一個UPS的發展過程完全是一個節能的過程。這中間UPS的主要供電對象一直圍繞著計算機系統，盡管計算機系統現在已發展為數據中心，但UPS也一直陪伴著不離左右?？梢哉fUPS是當代數據中心不可缺少的直接供電系統。隨著數據中心規模的擴大和重要性的提高，UPS供電系統也必須適應這種變化。

二、數據中心UPS供電系統的發展與分類

現在已是數字化時代，為了適應這種情況變化，UPS到今天不論從性能上還是品種上也已有了長足的發展，比如靜止變換式UPS已步入全IGBT時代；旋轉發電機式UPS進一步發展的飛輪儲能式結構也有了很大的變化，由于轉速的提高，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。這種發展無不圍繞著一個節能的過程。

UPS供電系統的大致分類如圖4所示。從圖中可以看出，當今UPS分為兩大類：旋轉發電機式和靜止變換式。

1.旋轉發電機式從結構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整和補償能力。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：當市電正常供電時，UPS的旁路輸入斷路器S2閉合、旁路靜態開關斷開、維修旁路開關S3斷開；輸入斷路器S1閉合、主靜態開關和輸出斷路器S4閉合。當輸入市電電壓變動或有干擾時，逆變器回路應當對其進行一定的補償或調整。當市電斷電時，整流器逆變器系統適時地將磁懸浮儲能飛輪系統的儲能變換為和市電同樣的電壓繼續為負載供電。這期間起動燃油發電機系統，待電壓正常后，接替整流器逆變器系統為負載供電，同時又帶動磁懸浮儲能飛輪系統進入儲能模式。市電恢復后UPS又恢復到市電模式。當負載過載、短路或UPS故障時旁路靜態開關閉合導通，將負載轉到純市電供電模式。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，只是儲能環節不是磁懸浮結構而是在感應耦合器中的飛輪，其后備時間也是15s。

2．靜止變換式UPS

顧名思義，這種UPS出現于上世紀60年代，可控硅的出現為靜止變換式UPS打開了方便之門，也大大延長了后備時間。這就為數據中心的迅速發展奠定了堅實的基礎。現在這種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UPS與高頻機UPS的區別

1、電路結構的區別

（1）工頻機UPS的電路結構

這種產品的電路結構一般是輸入整流器工作在50Hz的工業頻率，小功率產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，這種產品一般在10kVA以下，有輸出變壓器。三進單出（1/3）結構的產品一般在30kVA以下。這些產品以往用的比較多。近年由于大小數據中心的迅速發展，三進三出（3/3）結構的UPS產品得到了廣泛應用。圖9示出了三相工頻機UPS的一般原理電路結構。工頻機UPS的電路結構特點是輸入整流器工作在50Hz的工業頻率和全橋逆變器，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、還是三進單出或三進三出結構的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致嚴重后果，所以必須加輸出隔離變壓器以產生隔離接地點。再者由于工頻機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的電路結構

圖9（b）所示的是高頻機UPS的一般原理電路結構。它與工頻機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的工業頻率，由于是采用的是半橋逆變技術，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能力很強，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效率變得很高，一般在半載時就可達95%，這是工頻機UPS望塵莫及的。

2、輸入功率因數的區別

一般工頻機UPS在單相輸入時期輸入功率因數約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到0.9的輸入功率因數。

高頻機UPS不論是單相還是三相機，其輸入功率因數再不加任何外來環節情況下就可達到0.98以上。

3、對負載平衡度的要求

早期的工頻機UPS對負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Q5-Q4回到電源負極；負半波流經Q3-Q6回到電源負極。UAC的正半波電流流經Q5-Q2回到電源負極；負半波流經Q1-Q6回到電源負極。UBC的正半波電流流經Q1-Q4回到電源負極；負半波流經Q3-Q2回到電源負極。由此可見，電路中的三只橋臂，每一只橋臂都重復使用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致輸出電壓的差異，以后雖然加了一些調整控制環節基本解決了問題，但畢竟互相影響的根源還存在，增加了電路的復雜度。

圖10（b）所示就是高頻機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Q5，而負半波只流經Q6；其他兩相UBN和UCN也是如此。即在高頻機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、環流概念的區別

工頻機UPS的輸出端都有輸出隔離變壓器，所以UPS并聯就是輸出變壓器次級繞組的并聯。這就會導致變壓器內部的環流產生，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，必然會產生環流，如圖11（a）所示，而且在環流的路徑上是‘一馬平川’毫無阻擋。這個環流在空載時最大，導致了額外的功耗。不過一般并聯時的電壓差都小于1V，所以當加上負載以后由于線路的自身電阻壓降作用具有自動調整平衡的作用，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UPS并機時的環流情況。由于高頻機UPS沒有輸出隔離變壓器，其產生環流的情況就輕得多，甚至沒有。從圖中可以看出，假如并聯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，要經過兩只二極管和兩組電池內阻，可說是路徑坎坷不平，就是有零點幾伏的電壓差也被沿路已消耗殆盡，就無力形成環流了。

四、當今UPS供電新技術

高頻機UPS技術的出現也推出了很多新技術，比如多級并聯時的無線并聯；不用外加負載就可對機器做滿載和過載實驗；將ECO（經濟運行模式）的不可靠運行升級為BSS（無功補償）技術，是供電系統效率高達98%；使UPS永遠保持在高效率的節能運行模式和一組電池的半橋逆變器電路，等等。為云計算和大數據供電系統優化PUE打下了堅實的基礎。