引言：
一个典型的数据中心供电系统，由中压配电、变压器、低压配电、不间断电源（Uninterruptible power supply，UPS）、末端配电以及发电机等设备组成，其中，UPS的主要作用，是在市电电源中断、发电机启动之前，确保所带的负载持续供电，因此，UPS系统包含了储能设备，如蓄电池或飞轮；此外，传统UPS还具有隔离市电侧浪涌、电压骤升骤降等作用。
UPS系统是数据中心供电连续性的重要保障，UPS系统的可靠性直接影响数据中心的可靠性，同时，在绝大多数数据中心，UPS系统的损耗可占IT设备能耗的10%以上。因此，提高UPS系统的可靠性，同时降低其损耗，就成为数据中心UPS系统架构演变的主旋律。
一、传统UPS供电系统
目前，数据中心内应用广的不间断电源还是传统UPS，它主要由整流AC-DC、逆变DC-AC和静态旁路3部分电路组成，DC母线上挂接蓄电池，输入AC正常时，经整流和逆变两次转换后为负载供电，同时为蓄电池浮充，输入AC中断时，蓄电池由浮充转放电，经逆变器为负载供电，对负载来说，感受不到输入端电源的中断。
1.1 UPS设备的发展
从结构上看，UPS设备可以分为后备式、在线互动式、双转换在线式、Delta 转换在线式等类型，其中前两种主要用于小容量负载（≤5kVA），Delta转换在线式技术受专利保护，因此，大型数据中心主要采用双转换在线式UPS设备。
传统的双转换在线式UPS设备采用可控硅整流，主要的问题是谐波电流畸变率（THDi）高(10-30%)，转换效率低(85-92%)。
随着电力电子器件的发展，呈现出IGBT取代可控硅整流的趋势，IGBT整流的优势是取消变压器，因而降低了成本，同时有比较好的输入特性，在较宽的负载范围内，可以将THDi控制在5-10%之间，大的好处是效率的提升，通常在87-95%之间。目前，IGBT整流型UPS的可靠性比可控硅整流型略低。
1.2 UPS系统的发展
由于UPS设备结构复杂，因此自身容易发生故障，设备冗余可以提高可用性，UPS系统便有了N、N+X、2N、”市电+U电“等架构。
N系统满足基本需求，没有冗余的UPS设备。它的优点是系统简单，硬件配置成本低廉；由于UPS工作在设计满负荷条件下，因此效率较高。其缺点是可用性低，当UPS发生故障，负载将转换到旁路供电，无保护电源；在UPS、电池等设备维护期间，负载处于无保护电源状态；存在多个单故障点。
N+X并联冗余系统是指由N+X台型号规格相同且具有并机功能的UPS设备并联组成的系统，配置N台UPS设备，其总容量为系统的基本容量，再配置X台（X＝1～N）UPS冗余设备，允许X台设备故障退出检修。相对于“N”系统，“N+X”系统在UPS配置上有了一定的冗余，系统可靠性有所提高，同时带来了系统配置成本的增加、系统负荷率的降低以及效率降低。N+X系统在成本增加不多的前提下提高了可用性，因此，在数据中心得到了广泛的应用，但是该系统在UPS输出端仍然存在单故障点，实际项目中由此造成的系统宕机屡见不鲜。
为了消除单点故障，高等级数据中心通常采用2N冗余系统。该系统是指由两套或多套UPS系统组成的冗余系统，每套UPS系统N台UPS设备的总容量为系统的基本容量。该系统从交流输入经UPS设备直到双电源输入负载，完全是彼此隔离的两条供电线路，也就是说，在供电的整个路径中的所有环节和设备都是冗余配置的，正常运行时，每套UPS系统仅承担总负荷的一部分。这种多电源系统冗余的供电方式，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，对于少数单电源设备的情况，可通过安装小型STS设备，保证其供电可靠性。采用2N冗余系统可用性得到明显提高。2N冗余系统的缺点也非常明显，设备配置多、成本高，通常情况下效率比N+X系统更低。
“市电+U电”供电架构由百度提出并在2011年其自建M1数据中心规模应用，它在N+1系统基础上做了改进，UPS设备配置不变，将服务器等双电源设备的其中1路改由市电直接供电，消除了单点故障，可靠性较N+1系统大大提高，同时，UPS系统的损耗降低为原先的50%。UPS系统整体效率提升至95%以上。
图1.2.1 N+1冗余系统和“市电+U电”系统
1.3 UPS ECO模式
前文已经提到，双转换在线式UPS配置有静态旁路，当正常情况下负载由旁路供电，交流输入中断后再切换至逆变由电池供电的运行模式，被称为ECO模式，又称为经济运行模式，某些UPS厂家将此模式也称为ESS（节能系统）、SEM（超级节电模式）、VFD（基于电压和频率的模式），等等。
由于正常情况下电能不再经过整流和逆变两次转换，因此，整机效率有所提升，不少厂家声称的ECO模式效率高达99%，但是实测数据与此相差较大。图1.3.1是5种型号UPS ECO模式效率的实测数据。（注：图中“工频”表示可控硅整流机型，“高频”表示IGBT整流机型）
图1.3.1 UPS ECO模式实测效率曲线
对上述6个型号UPS在逆变工况和ECO工况实测效率做平均后的对比如图1.3.2。可见，不同产品ECO-逆变效率提升差异较大，30%负载率下，某些工频机效率仅提升2.69%，某些高频机效率提升可达5.89%，整机效率高达98%。
图1.3.2 UPS ECO和逆变模式实测效率对比曲线
UPS ECO模式带来了效率的提升，其代价是IT负载由市电供电，UPS必须不断监视市电状态，并在发现问题且当该问题尚未影响负载时，迅速切换到逆变器供电。这个听起来简单，但实际操作起来非常复杂并且需要承担很多风险以及潜在的负面影响。
经过对主流的3种品牌6个型号UPS实测的ECO和逆变切换时间，在大约100次切换中，UPS大切换时间为6.6ms，满足IEC 标准 62040-3，UPS要求服务器等设备在瞬时断电10ms内时应能维持正常工作；以及ITIC标准，服务器等设备在瞬时断电20ms内时能维持正常工作的要求。采用UPS ECO模式不需要改变服务器电源，可以取得类似Facebook DC 48V离线供电的节能效果。
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