UPS作為數(shù)據(jù)中心中最常用的供電保障設(shè)施、供配電系統(tǒng)中損耗最大的環(huán)節(jié)，是構(gòu)建綠色數(shù)據(jù)中心必不可少的一部分，綠色化不可避免。UPS在保護(hù)負(fù)載的同時(shí)，帶來(lái)的負(fù)面影響，主要包括電能損耗和電網(wǎng)污染兩個(gè)方面，筆者將就這兩個(gè)方面的具體影響及如何達(dá)到綠色的目標(biāo)分享一些自己的經(jīng)驗(yàn)。

 

1. 高運(yùn)行效率是綠色UPS的基本要求

 

我國(guó)電力供應(yīng)中，火電占比在70%以上，其中絕大部分的火電是靠燃煤來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，節(jié)約電能，就是減少煤的燃燒，進(jìn)而減少二氧化碳和有毒有害氣體以及灰塵的排放，對(duì)改善我國(guó)環(huán)境污染和霧霾天氣意義重大。在UPS主要的應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)據(jù)中心中，大約10%電量為UPS所消耗，每年我國(guó)數(shù)據(jù)中心中UPS電力損耗即達(dá)80億kWh。因此綠色UPS需要具備較高的運(yùn)行效率，以減少能源消耗。

 

UPS效率與其類(lèi)型與原理緊密相關(guān)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中使用較多的工頻UPS因內(nèi)置輸出變壓器用于升壓、使用高損耗拓?fù)渑c器件、設(shè)計(jì)粗放等原因一般最高效率僅90%左右;高頻UPS取消了變壓器，一般效率可達(dá)到94%;模塊化UPS效率在高頻UPS的基礎(chǔ)上通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)一般均可達(dá)到96%。

 

但需要注意的是UPS最高效率非實(shí)際運(yùn)行效率。UPS最高效率在60%以上的負(fù)載率段獲得，并隨著負(fù)載率的下降而下降。但在實(shí)際運(yùn)行中，UPS系統(tǒng)一般采用N+X冗余或雙母線(xiàn)配置，而為了滿(mǎn)足未來(lái)3-5年的供電需求增長(zhǎng)，UPS系統(tǒng)容量配置也會(huì)大于建設(shè)初期實(shí)際容量需求，因此UPS的負(fù)載率很難超過(guò)40%。也即，要使UPS實(shí)際運(yùn)行在高效率，必須關(guān)注UPS在低負(fù)載率下的效率。

 

隨著業(yè)界對(duì)效率問(wèn)題的重視，低載高效UPS在技術(shù)比較先進(jìn)的廠(chǎng)商均已實(shí)現(xiàn)，如施耐德、華為等廠(chǎng)商的模塊化UPS系列在40%時(shí)即可達(dá)到96%的效率，比傳統(tǒng)UPS運(yùn)行效率大幅提升。

 

2. 改善電能質(zhì)量，綠色UPS需減少對(duì)電網(wǎng)的污染

 

就像用水企業(yè)使用干凈的水之后可能排放污水一樣，電力負(fù)載在從電網(wǎng)取電的同時(shí)，也可能反饋污染給電網(wǎng)。其中非線(xiàn)性負(fù)載是電網(wǎng)比較常見(jiàn)的污染源，包括UPS在內(nèi)的電力電子設(shè)備的前級(jí)整流裝置均屬于該類(lèi)型。隨著數(shù)據(jù)中心的集中化和規(guī)模持續(xù)增大，10MW級(jí)別的數(shù)據(jù)中心已屢見(jiàn)不鮮，為確保電能質(zhì)量，避免干擾其他用電設(shè)備的正常工作，必須減少UPS等電力電子設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的污染問(wèn)題。UPS對(duì)電網(wǎng)的污染主要體現(xiàn)在功率因數(shù)和輸入電流諧波畸變兩個(gè)方面。

 

用電設(shè)備功率因數(shù)的降低，將使無(wú)功功率增加和設(shè)備總需用電流變大，從而加大線(xiàn)路的損耗，且使相應(yīng)的線(xiàn)纜、空開(kāi)、變壓器等變配電設(shè)備選型及成本升高。以500kVA UPS為例，工頻UPS的各類(lèi)配電器件選型均大于高頻UPS。

 

 

而電流諧波畸變率THDi則導(dǎo)致電壓畸變，干擾其他設(shè)備正常工作;大量的3 次諧波流過(guò)中性線(xiàn)時(shí)，導(dǎo)致?lián)p耗增加。電網(wǎng)高次諧波還會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

 

傳統(tǒng)工頻UPS使用相控整流，其整流器有6脈沖和12脈沖兩種，分別由6個(gè)晶閘管和12個(gè)晶閘管組成。因?yàn)槠湟粋€(gè)市電周期內(nèi)只能開(kāi)關(guān)一次，電流波形難以有效控制，故該整流器輸入電流諧波大，功率因數(shù)低。而高頻UPS采用高頻開(kāi)關(guān)整流器，通過(guò)快速開(kāi)通與關(guān)斷調(diào)整工作回路使電流為與電壓同相同頻的正弦波形，從而減小輸入電流諧波，提升功率因數(shù)。不同類(lèi)型UPS諧波值與功率因數(shù)如下：

 

由諧波與功率因數(shù)指標(biāo)來(lái)看，工頻UPS不是綠色UPS系統(tǒng)。事實(shí)上，工頻機(jī)為了改善諧波與功因指標(biāo)，以達(dá)到電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)要求，常采用諧波濾波器來(lái)進(jìn)行治理。客戶(hù)不僅需要額外投資，還需要承受因?yàn)V波器帶來(lái)了電能成本增加和機(jī)房空間損失。

 

3. 構(gòu)建綠色UPS系統(tǒng)

 

如上所述，綠色UPS系統(tǒng)應(yīng)具備高效率、高功率因數(shù)、低諧波污染等特點(diǎn)。如何構(gòu)建綠色UPS系統(tǒng)，筆者認(rèn)為可以從以下三個(gè)方面改進(jìn)。

 

1) 在UPS選型時(shí)優(yōu)先選用原理上更綠色的機(jī)型。工頻UPS在市場(chǎng)上具有較長(zhǎng)的應(yīng)用歷史，也因此贏(yíng)得了不少偏愛(ài)，但工頻UPS是一種不折不扣的高損耗，高污染機(jī)型;隨著技術(shù)的進(jìn)步，高頻UPS以及可用性更高的模塊化UPS無(wú)論是從綠色的角度還是從可靠性、易用性等角度都完全可以取代工頻機(jī)

 

2) UPS系統(tǒng)建設(shè)盡量避免一步到位，而根據(jù)業(yè)務(wù)需求按需部署。超前規(guī)劃與部署是UPS負(fù)載率低、效率低的關(guān)鍵原因，導(dǎo)致初期投資大而浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題。對(duì)此問(wèn)題一種比較好的解決方案是采用模塊化UPS。模塊化UPS可在線(xiàn)擴(kuò)容，避免傳統(tǒng)UPS在線(xiàn)擴(kuò)容風(fēng)險(xiǎn)高的缺點(diǎn)。而容量可根據(jù)負(fù)載的增長(zhǎng)而擴(kuò)展，二者始終處于最佳匹配之中，使每一分投資都得到了合理利用，且提高了運(yùn)行效率，節(jié)約了運(yùn)營(yíng)成本。另外，提升UPS設(shè)備利用率也可以有效降低諧波值，提升功率因數(shù)。

 

3) 在實(shí)際運(yùn)行中，可加強(qiáng)電網(wǎng)、負(fù)載監(jiān)測(cè)及各環(huán)節(jié)能耗測(cè)量，獲取實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)允許的情況下，使用更節(jié)能的智能休眠工作模式或ECO模式。對(duì)于損耗過(guò)大的供配電環(huán)節(jié)，可從TCO角度綜合考慮，適時(shí)進(jìn)行改造。

 

原標(biāo)題:淺析綠色UPS系統(tǒng)