高压直流与飞轮UPS技术初探

数据中心消耗了大量能源且能源消耗仍在持续增长，这引起了运营商和市政决策者的关注。低效率的UPS系统本身会消耗掉10%或更多的输入电能，造成电能浪费。在提高能源效率的压力下，数据中心供配电技术涌现出高压直流与飞轮UPS两个发展方向。下面我们就来看看具体情况：

在这之前，我们首先要搞清楚UPS拓扑结构。UPS系统本身的设计结构会严重影响其有效性，所以在设计上，某些UPS本身就会比其他UPS的效率高。现今用于关键任务设施的拓扑结构主要有两种—并联在线式（也称在线互动式）及双转换式。

传统UPS双转换消耗大量电源

传统UPS多采用双转换系统。双转换UPS系统使负载完全隔离于未经处理的市电。在正常的运行条件下他们将未经处理的市电转换两次，所以他们才得名“双转换”—即从交流电转成直流电，然后将直流电转换成处理良好的交流信号。正常运行状态下，即使市电没有电力干扰，双转换UPS系统也会一直给负载提供处理过的交流信号。

使用双转换UPS，电源要从交流整流到直流，再从直流逆变到交流，才能确保输出端完整的正弦波及频率保护功能，以及保护负载免受七种电力干扰的影响。这个方法既超出了现代IT设备的电源需求，又消耗了大量的能源。

飞轮UPS发展势头迅猛

飞轮UPS为并联在线设计。该系统中有逆变器和于交流市电信号并联的充电器电路或变压器。这种并联在线UPS设计可以补偿过压进电或低压进电，而且还可使用适合的电子产品消除瞬变、电压浮动或其他电力干扰现象。当市电中断或市电参数值超过UPS系统可接受的极限时，并联在线UPS进入储能模式。UPS将负载从市电处断开后再用静态开关将负载重新连接到备用电源上，备用电源通常是通过逆变器由电池或飞轮提供能量。

与传统相比，并联在线技术的设计更简单，部件更少，所以其效率更高。研究表明，在实验室测试及现地研究中证 明，不管负载因数如何，并联在线飞轮USP系统具有实实在在的更高能源效率。

据美国电子电力研究所(EPRI)研究结果显示：UPS系统实地平均负载率为37.8%，所以其有效率只有81%。相比之下，来自美国Active Power的飞轮UPS系统在满载情况下的有效率可达98%，而40%部分负载时的有效率达94%。目前为止，雅虎公司已经从美国ActivePower公司定制旋转飞轮UPS总计达20兆瓦。飞轮UPS成功案例遍布全球。

高压直流任重道远

直流配电，或者称为直流UPS是数据中心领域的新热点。目前直流配电的市场不大，尚局限在电信机房使用，几大运营商都在进行试点。在数据中心，直流配电还没有得到更多应用。 对于直流配电在数据中心的应用，有专家认为，从供电系统运行效率的角度来说，高压直流供电系统和最新一代交流UPS在效率并无明显差别。　　

上图是高压直流的简单拓扑结构，很直观得展现了240V高压直流的一些特点：1、减少变化级数，整体效率更高;2、电池直挂在输出母线上，相当于提供另外一路备份3、兼容现有绝大多数IT设备的高频开关电源，用电设备几乎不用任何更改4、高压直流系统为模块化热插拔设计，运维非常方便。

目前，数据中心所使用设备都采用传统的220V交流供电，但绝大多数设备采用直流供电也可正常运行，但这些测试并没有经过服务器厂家的认可，并不是服务器厂家认可的供电方式，他们的供电还是交流，因此，采用直流供电，服务器一旦出故障，就是没有保修的，这也限制了该技术的大面积应用。 同时，直流供电目前缺少相应的国家标准、国际标准、安规以及配电技术规范等。还没有批量生产的高压直流服务器，所以直流配电在数据中心发展速度也不会太快。在欧美发达国家，鲜有使用高压直流的先例。

有专家指出，高压直流供电技术的市场前景与发展速度不取决于电源，而是取决于IT负载，换句话说是取决于IT负载的内部电源是否按直流供电标准来进行设计，使其电气性能与安全规范完全匹配直流供电规范的需求，而不是目前的交流供电规范。现在国外发达国家在探讨一种更为先进的数据中心供电模式，但是之一模式需要整个数据中心设备产业链的协调行动。高压直流的安全性不足，能效优势不明显、无厂商支持、无成功案例等问题，要走向全面市场化，注定还有很长的一段路要走。