| 摘要：本篇文章是中国电源学会专家委员会主席、中国科学院计算技术研究所研究员张广明关于数据中心UPS供电系统输出直流化变革讲述。 |
张广明：大家下午好，我讲的是关于直流电UPS的事。我认为UPS输入电压的直流化是重大的变化，它的定位是这样的，直流UPS，因为这种变革，UPS表现出它的可靠性差，特别在电信中，原来用的很少，后来数据中心网速发展以后，他们感觉到UPS系统跟48组比差的太远。实际上我们去研究它的时候，也认为它的可靠性很难提高了。所以它改造的对象是交流数据的UPS。直流UPS应用正是交流UPS，我们叫做DCUPS，相对48伏是高压，在数据中心里面电压并不高。给高压的感觉反而不好。为什么它是重大的变革，不仅仅是体现在它的技术上的变革，还涉及的领域太广。它涉及的领域分三个方面，一个是所有的用户接受不接受，第二个电源设备厂商，它有没有认识到搞不搞，第三个IT厂商接受不接受。直流UPS直接负载是IT设备的开关电源，如果它的负载不接受，IT厂商不接受，这场改革也不接受，这时候处在这个阶段，IT厂商不与理睬的阶段。这个也理论的研究，产品的研究，应用试点，产品推广，交流UPS，直流UPS共存，最后还要跟国际同步的事，所以它是漫长的过程，从这几方面来看，它都属于重大的变革。
我要讲6个方面内容，IT设备输入电压要求变化。我讲一下历史。第一个问题IT设备输入电压要求变化，演变的过程。原来一定要用交流，原来为什么用交流，是不是搞错，现在改成直流为什么？在上世纪60年代70年代，那时候计算机供电系统是这样一个系统，这个负载完全是半导体国际电路了，要求5伏12伏24伏，我们搞电压这三种，24伏驱动用，12伏覆盖要用。这个电源部分两个变化，这边是整流，这边是ACDC，也可能是降压，不一定是变换，当时这样搞的。由于半导体器件水平很低，那时候没有大功率的半导体器件，它耐受不了高压，必须要经过变压器降压，当时变压器做IT设备的电源里头了，就是进来以后先变压器然后再变化，这是70年代我们都这样搞得。所以这个IT设备要求一定是交流，就是从这开始的，一定要交流供电，因为变压器在前面，你不给它交流，它没法工作，这是开始为什么用交流的。到70年代80年代，这时候开始加UPS，尼克松访华带来比较成熟，比较老的UPS。在我们国家在80年代初才开始加UPS设备。由于这个系统必须交流输入，UPS自然是交流输出，这就是UPS一开始交流输出的原因。那么到了70年代80年代以后，那时候开始变化，我们那时候叫20KX，20的革命，甩掉了输入变压器，形成现象的开关电源，它技术也在进步。但是UPS没有跟着变，它还是交流输出，而且一下子延迟的40多年，到40多年现在。提出这种说为什么不可以去掉变换，直接供，应该是90年代，就是20世纪九几年到2000年的时候提出来，九几年开始有人提出这个问题，说我们不要变压器了，提的人慢慢的多的，已经有专利就是2000年之前已经有这个专利，那时候提出来。这就是一个变化的过程。
第二个问题对UPS供电系统技术发展的探讨，发展趋势探讨我们指出UPS直流化变革的趋势，自然而然走这条路，这里面讲四个问题，。第一个问题传统UPS供电系统的现状和值得思考的问题。这是典型的UPS系统，这个数据供电中心系统包括前面的系统，UPS是典型的系统，6脉冲整流，形成34斜坡电压，整个这个过程，这是最典型的。那么这些系统我们总结四句话，第一句UPS系统本身能源两次变换。两个斜坡电流源，由于是交流输入，对于没有改造，用UPS简单整合斜波很大。备用能源电池不能直接保护负载。这个电池不能直接保护负载，要通过UPS里面最薄弱的环节，ADCAC负载充电，这是第三个特点。第四个特点负载供电可靠性取决于UPS系统的可靠性，我这四句话都是后面要对着看的。我们看这个供电的可靠性，不管是势电输入，还是电池，最决取决于UPS。这40年里面UPS技术的发展，产品的发展干什么？主要是干两件事，第一个解决斜波的问题，负载的斜波增加UPS的负担，可以解决掉，输入的斜波怎么办，一个是把6脉冲加5次滤波，改成12脉冲，加11次滤波。UPS厂家产品比较，看谁先进不先进，也是比较这个，第二个解决可靠性的问题，负载的可靠性取决于UPS，怎么办，搞系统的结构，还有机能化。结果怎么样？大家做的那么多的工作，花那么大的精力，结果怎么样？基本状况系统不断复杂化，设备堆积、结构臃肿，成本不断攀升，效率难以再有效提高，五花八门标准化。那么运行中存在哪些问题，这个不说的，大概有20几个问题，有6大类，系统可靠性、斜波干扰，标准化问题，系统灵活性、扩展性，系统维护难的问题，六大类。
咱们思考一下，值得思考的问题，第一个可靠性的问题，大量的工作都为了提高可靠性，那么怎么看可靠性，因为这个可靠性为什么对负载提出越来越高，大家越来越不满意，就因为它本身不可靠。大家看问题的思维方式必须这样看。如果我们直接用电网，大概提出来不是可靠性的问题，电网比较可靠。UPS的可靠性不如电网，电网可能一年一次，UPS就不一定。总的来说是这样的。因为它系统可靠性存在问题，因为UPS本身可靠性不高，这是我们值得思考的第一个问题。第二个问题斜波源治理的问题，为什么谐波成这么大的问题，花这么大成本精力解决它。值得思考，系统谐波是负载和UPS自身产生，不是电网带来的，也不是IT设备形成带来的，是供电系统自己形成的。一个可靠性问题，是它自己不可靠，谐波又是它自己造成的。建造成本，系统建造和运行的成本还要继续提高吗？还需要，要实施可靠性，必须使系统复杂化，目的是为了提高可靠性，所以提高可靠性的代价，只能是提高成本换来的，系统越来越复杂。系统复杂维护难度增大，可靠性不能真正有效的再提高了。
能源效率，由于对可靠性的要求，使系统越来越复杂，能源效率，供电系统能源效率所讲低，第一位不是设备本身，我的效率达到95%，这是实际情况，有些机器真的是这样，系统里面UPS80%以上，因为它能源利用率很低，它的额定负载100%，它才25%，它有75%的余量，每台UPS工作了10%几，这个是系统方案造成，不是设计造成的。系统方案决定它就是四分之一的负载量。整个系统效率是多少，75%左右，就包括前面的变压器各种配件一直到后面整个的架构，UPS都不到90%。使用维护难度大，这是不言而喻，适用性差，标准差也是很困难。结论是什么？可靠性的提高将越来越困难，要提高可靠性越来越困难，需要的资金越来越大，成本越来越高，使用传统的技术不可能有高可靠性高效率，要提高可靠性肯定提高成本，降低效率，这些问题难以解决，因为产生问题原因始终存在，就是它固有的交流供电这个体制，这个体系结构决定了它。
第二个方面就是对提高UPS供电系统可用性的探讨。就是我们现在讲可用性，不讲可靠性，数据中心真正要求可用性。这里有四个小问题，对备用能源配制方法的探讨，原来系统是这样，备用能源是这样配制的，就是备用能源恩坚持要通过UPSAC、DC负载，串联性配制，备用能源也是串联性配制，我把它作为系统功能设计策略的误区。那么它的可靠性以电池来说，电池不能直接把握负载，这里有一些数据，差的很多。备用能源配制方法的探讨。电池故障的特性，直流UPS对负载功率的可靠性实际上等于电池供电的可靠性，不像传统交流，电池再可靠，对负载供电也不见得可靠，这里面电池可靠，负载自然可靠。实际上直流UPS对供电系统的可靠性等于备用电池的可靠性，这是要肯定。为什么电池直接对直流UPS可靠性有大幅度提高。电池是非常可靠，也不是，它也不是很可靠的东西，为什么改变这种系统以后，它系统可靠性就非常高？新的配制是这样的，备用是这样过来的，主电源是这样过来的。对可预见非突发性故障，对不可预见突发性故障的讨论。电流直接负载可靠性非常高。什么是可预见非突发性的故障，以电池为例，电池的故障现象，电池容量不足，电池失效等等，所有这些故障都是直观可见而且很容易被测量到的。你大不了把每节电池充电电压看一下，所有故障都有发生过程长，有渐进过程，不是突发性的特点。所以对于具有这种故障特征的设备，通过维护很容易发现故障隐患，也有充裕的时间不影响系统运行的情况下，排除故障隐患，或者安排计划停电，进行维护。模块48伏这么可靠，不完全是，有很大的电池系统，电池系统维护的非常好，这是它整个系统可靠性高的根本的原因。
那么40伏模块电源不见得比现在UPS水平高，大家都是同一个水平下，就因为48伏电池直接后面等于直流供电，同时电池也有这种特征，所以他们对电池维护要求很严格。它保持它的电池系统始终是新的，如果发现它的漏液，没有关系不马上换，他有充分的时间让你更换它，这是可靠性高非常重要的原因。不可预见突发性意见，好像其他的设备，比如说UPS等其他的。这个系统的管理只能判定它工作状态，电压多高，电流多少，机壳温度多少，这些可以判定，判定是不是有隐患，对电路板焊点有隐患，确实不可见，也是难以测量掉，你说哪个焊点，你怎么测它，没法测，第二个特点故障一旦发生，就是系统肯定马上瘫痪，所以说这些特点就是这个设备，你事先没法测量，发生又是突发的。
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